ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2018, № 4 · МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В ЗАДАЧАХ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Применение методов оптимизации при проектировании аналоговых схем радиоэлектроники

М.М. Гурарий1, М.М. Жаров1, Н.Н. Прокопенко1, С.Г. Русаков1, С.Л. Ульянов1

1 Институт проблем проектирования в микроэлектронике Российской академии наук, 124365, г. Москва, ул. Советская, д. 3, Россия
Полный текст (PDF) DOI: 10.30898/1684-1719.2018.4.6 УДК 621.3.049.774; 519.853.6 EDN XOXTYT

Аннотация

Обсуждается применение оптимизационных методов для решения задачи определения параметров аналоговых микросхем (АМ) в процессе их проектирования. Приводятся постановки оптимизационной задачи и методики ее решения для двух классов АМ - быстродействующих операционных усилителей и линейных компенсационных стабилизаторов напряжения с непрерывным регулированием (КСН). Выбор данных классов АМ обусловлен их широким распространением, наличием противоречивых проектных требований, которые влияют на сложность задачи определения оптимальных параметров. Приводится описание подсистемы оптимизации и результаты ее применения при проектировании быстродействующих КМОП операционных усилителей и биполярных КСН для «систем на кристалле».

  • операционный усилитель
  • линейный стабилизатор напряжения
  • система на кристалле
  • схемотехническое моделирование
  • параметрическая оптимизация
  • методы оптимизации
Abstract (in English)

The application of optimization methods for determining parameters of analog integrated circuits is considered. The different types of optimization problem definition and methods of solving the optimization problems are given for the fast operational amplifiers and linear voltage regulators circuit classes. In design of CMOS Op-Amp circuits the conflicting design requirements must be met, including constraints on gain, power consumption, noise, phase margin etc., that makes difficult the problem of circuit parameters determination. For system on chip applications the solution of the important problem of reduction of power consumption while increasing the circuit performance is required. The CMOS Op-Amp with dual-input stage architecture is the promising class for these applications due to the fact that it can provide high values of slew rate. To avoid the degradation of stability of a circuit the frequency compensation technique is applied. In this paper the parameter optimization problem of high-speed CMOS folded cascode Op-Amp with dual-input stage and current mirror based push-pull parallel channels is considered. The problem formulation to obtain minimum power consumption under given constraints on slew rate, gain, unity gain frequency and phase margin is presented. Linear voltage regulators are the most popular circuits widely used in power management systems. The integration of linear regulators in a system-on-chip requires the output capacitor value reduced to a level that can be realized on chip. The frequency compensation scheme is used to provide the stability of a circuit. Transient response characteristics of a voltage regulator strongly depend on the combination of compensation capacitors and load capacitor. The main design problem is to find a trade-off between stability, precision, and fast-transient characteristics. The formulation of the optimization problem involves the minimization of the sum of capacitances under constraints on transient response characteristics and transistors sizes. The optimization subsystem with simulation-based optimization technique is described. Examples of circuit parameters optimization are given.

Для цитирования

Гурарий М.М., Жаров М.М., Прокопенко Н.Н., Русаков С.Г., Ульянов С.Л. Применение методов оптимизации при проектировании аналоговых схем радиоэлектроники // Журнал радиоэлектроники. – 2018. – № 4. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2018.4.6

Литература

  1. Filanovsky I.M., Ivanov V.V. Operational Amplifier Speed and Accuracy Improvement: Analog Circuit Design with Structural Methodology - New York: Kluwer Academic Publishers, 2004. - 194 p.
  2. Прокопенко, Н.Н. Архитектура и схемотехника быстродействующих операционных усилителей: монография / Н.Н. Прокопенко, А.С. Будяков. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2006. - 231 с.
  3. Rincon-Mora G. A., Allen P. E. A low-voltage, low quiescent current, low drop-out regulator // IEEE J. Solid-State Circuits. 1998. Vol. 33. No 1. P. 36-44.
  4. Barros M.F.M., Guilherme J.M.C., Horta N.C.G. Analog Circuits and Systems Optimization Based on Evolutionary Computation Techniques. - Berlin: Springer-Verlag, 2010.
  5. Harvey, J.P., Elmasry, M.I., Leung, B.: STAIC: An interactive framework for synthesizing CMOS and BICMOS analog circuits // IEEE Trans. Computer-Aided Design. 1992. Vol. 11. No 11. P. 1402-1417.
  6. Bernardinis, F., Jordan, M.I., Sangiovanni-Vincentelli, A. Support vector machines for analog circuit performance representation // In Proc. ACM/IEEE Design Automation Conf. - 2003. P. 964-969.
  7. Sonmez O., Dundar G., Simulation-based analog and RF circuit synthesis using modified evolutionary strategies algorithms // Integration, the VLSI Journal. 2011. Vol. 44. No 2. P. 144-154.
  8. Liu B., Wang Y., Yu Z. et al. Analog circuit optimization system based on hybrid evolutionary algorithms // Integration, the VLSI Journal. 2009. Vol. 42. No 2. P. 137-148.
  9. Lourenço N., Horta N., GENOM-POF: multi-objective evolutionary synthesis of analog Ics with corners validation // Proc.of the 14th annual conf. on genetic and evolutionary computation. - 2012, P. 1119-1126.
  10. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования. - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2009.
  11. Numerical Recipes in C: the art of scientific computing / W.H. Press et al. - 2 edition, Camdridge: Camdridge University Press, 2002. - 1178 p.
  12. Numerical Recipes Software 2007. Code for Minimization with Simulating Annealing. Numerical Recipes Webnote 15, URL: http://www.nr.com/webnotes15.
  13. Price K., Storn R.M., Lampinen J.A. Differential Evolution: A Practical Approach to Global Optimization. - Springer, 2005.
  14. Гурарий М.М., Жаров М.М., Русаков С.Г., Ульянов С.Л., Лялинский А.А. Подсистема параметрической оптимизации КМОП операционных усилителей // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем. 2016. No 1. С. 109-116.
  15. Tian M., Visvanathan V., Hantgan J., Kundert K. Striving for Small-Signal Stability // IEEE Circuits and Devices Magazine. 2001. Vol. 17. No. 1. P. 31-41.