Μοντελοποίηση και προσομοίωση φαινομένου διαπήδησης σήματος μέσω του υποστρώματος σε ολοκληρωμένα κυκλώματα
Creators: name: Καριπίδης, Σάββας Νικολάου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2022
Subjects: Ολοκληρωμένα κυκλώματα
Υπόστρωμα
Διαπήδηση σήματος
Integrated circuits
Substrate
Crosstalk

description: Η παρούσα εργασία πραγματεύεται την ανάλυση και μοντελοποίηση του φαινομένου διαπήδησης σήματος μέσω του υποστρώματος των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Το φαινόμενο αυτό προκύπτει όταν το σήμα περνά από κάποια επαφή σε μία άλλη μέσω του υποστρώματος και είναι σημαντικός παράγοντας προβλημάτων ιδιαίτερα σε ολοκληρωμένα κυκλώματα μεικτού σήματος. Υπάρχουν τρόποι αντιμετώπισης του φαινομένου, ωστόσο η εφαρμογή τους απαιτεί θυσίες σε σχεδιαστικό επίπεδο, καθώς τα στοιχεία μπορεί να διαρρέονται από περισσότερο ρεύμα, ή να είναι τοποθετημένα μακρύτερα το ένα από το άλλο. Συνεπώς πρέπει ο σχεδιαστής να είναι ενήμερος για το μέγεθος τού φαινομένου ώστε να μην υπάρχουν περιττές απώλειες, αλλά ούτε και σφάλματα λειτουργίας από την υπερεκτίμηση ή υποεκτίμηση του φαινομένου αντίστοιχα. Η εργασία αυτή δίνει στον σχεδιαστή την δυνατότητα ποσοτικής εκτίμησης του φαινομένου κατά την διάρκεια της προσομοίωσης, αυτοματοποιώντας έτσι την διαδικασία και διασώζοντας τους πόρους από μία προβληματική υλοποίηση του ολοκληρωμένου κυκλώματος. Η διεργασία έχει ως είσοδο την φυσική διάταξη που σχεδίασε ο σχεδιαστής, απομονώνει τις στρώσεις που αφορούν στις συνδέσεις με το υπόστρωμα, δηλαδή το υπόστρωμα με θετικές προσμίξεις, τις επαφές και την πρώτη στρώση μετάλλου, εκτελεί την λογική πράξη «ΚΑΙ» μεταξύ των απομένοντων στοιχείων και αποθηκεύει το αποτέλεσμα ως καινούργιο αρχείο γεωμετρίας το οποίο γίνεται βάση για την περαιτέρω διαδικασία. Στην συνέχεια γίνεται κατανομή των πολυγόνων σε κόμβους βάση κριτηρίων εγγύτητας. Απο το κεντροειδές κάθε συνόλου πολυγόνων που αντιστοιχούν σε έναν κόμβο προκύπτει η λίστα αντιστοίχισης κόμβων - συντεταγμένων. Για να επιτευχθεί απλότητα και διαχειρίσιμο μέγεθος αποτελέσματος πραγματοποιείται η πράξη τής τριγωνοποίησης Delaunay επί του συνόλου των σημείων και επιλέγονται έτσι μόνο οι εγγύς συνδέσεις. Έχοντας πλέον περιορίσει τον όγκο των συνδέσεων/κλάδων, γίνεται ο υπολογισμός των αποστάσεων μεταξύ των κόμβων, καθότι τα ζητούμενα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του υποστρώματος: η αντίσταση και η χωρητικότητα, εξαρτώνται και από την απόσταση εκτός των χαρακτηριστικών του υποστρώματος. Έπειτα χρησιμοποιώντας ως βάση τα αποτελέσματα ηλεκτρομαγνητικής προσομοίωσης επί του υποστρώματος της αυτής τεχνολογίας, προκύπτει εξίσωση που συνδέει τα μεγέθη της αντίστασης και χωρητικότητας με την απόσταση. Σε συνδυασμό με τις υπολογισμένες πλέον αποστάσεις μεταξύ των κόμβων, ανατίθεται μία τιμή αντίστασης και παράλληλης χωρητικότητας ανά κλάδο. Το αποτέλεσμα γράφεται σε αρχείο δικτυώματος το οποίο μπορεί να προστεθεί σε προσομοιωτή ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, και να αναδείξει το φαινόμενο διαπήδησης σήματος μέσω του υποστρώματος κατά την προσομοίωση
description: This work is about the analysis and modeling of the substrate crosstalk effect on integrated circuits. This phenomenon occurs when the signal passes from one contact to another through the substrate and it is an significant trouble factor especially on mixed-signal integrated circuits. There are ways of containing the effect although their application requires sacrifices on design level as the elements might have to be drawing higher current amounts or to be placed further apart. Therefore the designer should be aware of the phenomenon's scale so there will be no unnecessary casualties neither any faults on circuit's operation due to the overestimation or underestimation of the phenomenon's magnitude respectively. This works provides to the designer the possibility of quantifying the effect during the simulation time therefore automating the design and saving the resources that would be wasted on a problematic implementation of the integrated circuit. The process, that has the designed layout as input, isolates the layers regarding connections to the substrate, ie the p diffusion area, the contacts and the first metal layer, executes the "AND" logical operation between them and stores the result in a new geometry file that will be the base for the rest of the process. Afterwards the polygons are distributed to the nodes using proximity criteria. A list containing the nodes and their corresponding coordinates occurs from each node's polygon set's centroid. To achieve simplicity and manipulatable output size, the operation of Delaunay triangulation is performed over the set of node points, selecting only the nearest branches for each node. Having reduced the volume of branches, the actual calculation of distances of the branches is done, because the electrical characteristics of the substrate: the resistance and capacitance, depend on the distance too, except the substrate characteristics/parameters. Using the results of an electromagnetic simulation over the substrate of the used technology, an equation occurs connecting the resistance and capacitance with the distance. Combined with the calculated distances between the nodes, one value of resistance and a parallel capacitance one are assigned to each branch. The result is written in a netlist file that can be attached to an electronic circuit simulator and showcase the effect of substrate crosstalk on the simulation time