集成电路中器件相关噪声的仿真方法

摘要

本发明提供了一种用于高频电路仿真的噪声分析方法，它考虑了高频情况下出现的器件噪声源相关性对输出噪声的影响。这种方法是在常规的，只考虑独立噪声源的噪声分析基础上，计算相关噪声源耦合的传输函数，得到各相关噪声源耦合的噪声分析结果，并把这种结果计入最终的输出噪声功率谱密度。这种考虑噪声源相关性的噪声分析方法，是对常规电路噪声分析的改进，不需通过另外建立的相关噪声源子电路模型，因此简洁，仿真时间少。

权利要求

1.一种基于常规电路仿真器的全面的噪声分析方法，其特征在于最终的输出噪声功率谱密度Sx(ω)由两部分构成，即：Sx(ω)＝Sx0(ω)+Sxr(ω)，Sx0(ω)是独立噪声源对输出噪声的影响，Sx0(ω)的计算，采用的是常规的噪声分析方法，Sxr(ω)是各相关噪声源的耦合部分，Sxr(ω)的计算，采用的方法是：其中：Hijx(jω)是噪声源i和噪声源j耦合的传输函数，cij是噪声源i和噪声源j的相关系数，Si(ω)和Sj(ω)分别是噪声源i和噪声源j的功率谱密度。

2.如权利要求1所述的一种基于常规电路仿真器的全面的噪声分析方法，其特征在于相关噪声源耦合传输函数Hijx(jω)的计算，采用的方法是： 其中Hix(jω)和Hjx(jω)分别是噪声源i和噪声源j的传输函数。

3.如权利要求2所述的一种基于常规电路仿真器的全面的噪声分析方法，其特征在于噪声源传输函数Hix(jω)，Hjx(jω)的计算，采用的是常规的噪声源传输函数计算方法。

4.如权利要求1所述的一种基于常规电路仿真器的全面的噪声分析方法，其特征在于相关噪声源的相关因子cij不但可以取实数，而且可以取考虑了相位变化的复数。

5.如权利要求1所述的一种基于常规电路仿真器的全面的噪声分析方法，其特征在于相关噪声源的相关系数cij和cji之间存在有如下关系：

说明书

集成电路中器件相关噪声的仿真方法

1.技术领域

[0001] 本发明属于EDA(电子设计自动化)领域，特别的，涉及一种在集成电路仿真中，关于器件相关噪声及噪声耦合的仿真方法。2.背景技术

[0002] 集成电路中的噪声源主要有热噪声和flicker噪声，其中flicker噪声主要影响电路的低频特性，而在高频领域，热噪声的影响最为显著。对于Mosfet，当工作在GHz以上时，由热噪声引起的沟道中随机势的波动，还会通过栅氧化层电容而在栅上感应出噪声电流，由于栅感应噪声和沟道热噪声有着相同的产生机理，因此它们之间是相关的。已有测量证明，在RF频段，除了热噪声以外，栅感应噪声以及它和沟道热噪声之间的耦合作用越来越显著。

[0003] 传统的电路仿真器在进行噪声分析时，都是先进行OP计算，得到静态工作点，再求解在静态工作点时噪声源i的传输函数Hi(jω)。

[0004] (G+jωC)Hi(jω)＝bi

[0005] 其中G和C分别是静态工作点时电路的电导和电容矩阵，bi是表示噪声源i在电路中连接关系的向量，ω是角频率。如果电路中存在有n个独立噪声源，那么对于电路中某个指定输出x的噪声功率谱密度(PSD)就为：

[0006]

[0007] 其中Hix(jω)是噪声源i对x的传输函数，Si(ω)是噪声i的功率谱密度。由上式可知，当前传统的电路仿真器对于噪声的计算，只是涉及独立的噪声源，并不包括相关噪声之间的耦合。

[0008] 但是准确的器件噪声模型和电路噪声分析对于RF电路设计来说是必不可少的，这可以帮助电路设计者优化RF电路性能及降低设计时间。为了适应RF电路设计的要求，在当前的Mosfet工业标准模型Bsim4中包含了一种整体的(holistic)噪声模型，它可以对Mosfet栅感应噪声进行一个笼统的考虑。但从本质上看，这种模型仍然采用的是针对独立噪声源的仿真方法，只不过是把栅感应噪声的影响用独立噪声源的方式表示了出来，因此在噪声分析中不会考虑相关噪声之间的耦合部分。

[0009] Colin McAndrew提出了一种用Verilog-A实现的相关噪声的模型，这种模型可用于当前的传统电路仿真器。这种相关噪声的模型会在噪声分析的结果中引入它们之间的耦合部分。这种模型的实质是把两个噪声源n1，n2的相关部分用一个独立的噪声源来表示：

[0010]

[0011]

[0012] 其中，n10，n20和nc分别是功率谱密度为1的独立噪声源，χr+jχi是单位向量，c∈[0，1]。n1和n2的相关系数为：

[0013] cn1n2＝(χr+jχi)c2

[0014] 那么相关噪声n1和n2的功率谱密度就分别为Sn1，Sn2。在这里，噪声相关系数的实部χr和虚部χi可通过在Veriliog-A噪声子电路中所引入的电阻和电容来实现。

[0015] 在当前发布的Mosfet PSP模型和EKV3模型中，其中的噪声模型就分别是用这种方式考虑了沟道热噪声和栅感应噪声之间的相关性。

[0016] 但到目前为止，这种考虑噪声源相关性的模型都是通过Verilog-A来实现的，如果采用传统的模型计算来对噪声源的相关性及它们之间的耦合进行分析，当前的仿真器还都存在缺陷。另外，这种用Verilog-A来实现的Mosfet相关噪声模型，里面引入了两个额外的噪声源子电路，这样在做电路仿真时，每个Mosfet都会导致两个额外电学方程的增加，从而引起电路求解矩阵的增大，使得电路的仿真时间增长。3.发明内容

[0017] 本发明的目的在于为常规电路仿真器提供一种全面的，简洁的，不依赖于Verilog-A模型的噪声分析方法，这种方法不但适用于器件中的独立噪声源，而且还能对器件中的相关噪声源进行处理，并对它们之间的耦合进行分析。

[0018] 本发明的技术方案是：

[0019] 在传统的针对于独立噪声源的电路噪声分析基础上，进行相关噪声的耦合分析，最终的输出噪声功率谱密度Sx(ω)由两部分构成，即：

[0020] Sx(ω)＝Sx0(ω)+Sxr(ω)

[0021] 其中Sx0(ω)是把器件各种噪声源都作为独立源的噪声分析结果，Sxr(ω)是各相关噪声源的耦合部分。

[0022] 在上述最终输出噪声功率谱密度Sx(ω)的计算方法中，独立噪声源对输出噪声影响的计算，采用的是常规的噪声分析方法。

[0023] 在上述最终输出噪声功率谱密度Sx(ω)的计算方法中，相关噪声源耦合部分Sxr(ω)的计算，采用的方法是：

[0024]

[0025] 其中，Hijx(jω)是噪声源i和噪声源j耦合的传输函数，cij是噪声源i和噪声源j的相关系数。

[0026] 在上述相关噪声源耦合部分Sxr(ω)的计算方法中，相关噪声源耦合传输函数Hijx(jω)的计算，采用的方法是：

[0027]

[0028] 在上述相关噪声源耦合传输函数Hijx(jω)的计算方法中，噪声源传输函数Hix(jω)，Hjx(jω)的计算，采用的是常规的噪声源传输函数计算方法。

[0029] 在上述相关噪声源耦合部分Sxr(ω)的计算方法中，相关噪声源的相关因子cij不但可以取实数，而且可以取考虑了相位变化的复数。

[0030] 在上述相关噪声源耦合部分Sxr(ω)的计算方法中，相关噪声源的相关系数cij和cji之间存在有如下关系：

[0031]

[0032] 在电路仿真器中引入以上考虑了噪声源相关性的噪声分析方法，噪声分析考虑的因素更全面，仿真的结果更合理，从而使得电路仿真满足了RF电路设计对噪声分析的要求，使得电路仿真器不仅能应用于低频电路设计，还可以应用于高频领域。这种考虑了噪声源相关性的噪声分析方法，是对当前传统电路仿真器噪声分析方法的一种改进，它没有建立相关的噪声源模型，不需要引人额外的子电路和电路节点，因此不会增加电路仿真时间。4.附图说明

[0033] 图1是带有噪声源的Mosfet PSP模型等效电路图

[0034] 图2是一般电路仿真器噪声分析的流程

[0035] 图3是考虑了噪声源相关性的噪声分析流程

[0036] 图4是Verilog-A相关噪声模型和Aeolus关于噪声耦合的分析结果比较[0037] 图5是Verilog-A相关噪声模型和Aeolus噪声分析结果的比较5.具体实施方式

[0038] 当集成电路在高频下工作时，一些所感应出的噪声源作用会越来越显著，它们一方面充当着独立的噪声源，另一方面又会和其它相关噪声源之间发生耦合。如图1所示，图1是一个正偏的n型Mosfet PSP模型的等效电路图。D，G，S，B是Mosfet的外部端口，GP，DI，SI，BP是模型的内部节点，Rd和Rs分别是漏端和源端的寄生电阻，Rg是栅寄生电阻。
Rb，Rjs，Rjd，Rw构成了模型的衬底网络，Djd和Djs是寄生的两个节二极管。图中的虚线框构成了Mosfet的本征部分。Sid是沟道热噪声，Sig是由沟道热噪声感应出来的栅噪声源。PSP模型中的其他热噪声，Flicker噪声及散粒噪声(Shot noise)等，因属于独立噪声源，在这里就不一一列出。噪声分析就是要计算这些噪声源对电路输出的影响。

[0039] 一般来说，电路的噪声分析是从OP分析开始的(201)，如图2所示，图2是常规电路仿真器噪声分析的流程图。通过求解矩阵和迭代，得到电路的静态工作点(202)，然后就可以进行小信号分析。根据网表中所设置的噪声分析条件，取得噪声分析的第一个频率值(203)，再根据网表中所设置噪声分析的频率范围，检查当前的噪声分析是否已经完成(204)。如果所取得的频率值已经超出了规定的噪声分析范围，那么噪声分析结束(205)。如果噪声分析没有完成，那就要根据当前的工作频率和电路的静态工作点信息计算各噪声源各自对输出点的传输函数Hix(jω)(206)，接着就进入求解输出噪声过程。因为一般都认为各噪声源是独立的，那么电路的噪声分析就是关于独立噪声源的噪声分析(207)，假设存在n个独立的噪声源，那么：

[0040]

[0041] 则输出噪声的功率谱密度就是Sx0(ω)(208)。这样电路在某个工作频率下的噪声分析就已完成，然后根据网表中的设置，取得下一个工作频率(209)，从而可以进行下一轮的噪声分析。

[0042] 图2是没有考虑噪声源彼此相关性的噪声分析过程。相关噪声源对电路的影响主要是体现在彼此之间的耦合上，本发明的目的就是要把各相关噪声源之间的耦合作用也计入电路的噪声分析结果中，从而提高噪声分析的准确性。本发明对常规噪声分析的过程进行了改进，如图3所示，图3是一个考虑了相关噪声源之间耦合作用的新的求解输出噪声的过程。首先把各噪声源都当做独立源，然后进行独立源的噪声分析，求解Sx0(ω)(207)，这一步得到的是常规噪声分析的结果。接着就要计算各相关噪声源之间的耦合作用，求解相关噪声源耦合的传输函数Hijx(jω)(301)：

[0043]

[0044] 那么就可以得到各相关噪声源之间的耦合部分Sxr(ω)(302)：

[0045]

[0046] 那么最终的输出噪声功率谱密度就是Sx0(ω)+Sxr(ω)(303)。

[0047] 本发明关于考虑相关噪声源相耦合的噪声分析方法目前已经在电路仿真器Aeolus中进行了实现。图4是分别用PSP的Verilog-A相关噪声模型和Aeolus，对一Mosfet放大器中相关噪声源Sid和Sig耦合部分的噪声分析结果，频率从KHz到THz，覆盖了从低频到RF的整个范围，图中实线是Aeolus的仿真结果，方框是用Verilog-A相关噪声模型仿真的结果。由图4可以看出，Aeolus的仿真结果和用Verilog-A相关噪声源模型的仿真结果完全一致。

[0048] 图5是分别用PSP的Verilog-A相关噪声模型和Aeolus所仿真的Mosfet放大器的输出噪声，图中实线是Aeolus的仿真结果，方框是用Verilog-A相关噪声模型仿真的结果。图中实线是Aeolus的仿真结果，方框是用Verilog-A相关噪声模型仿真的结果。图5表面Aeolus的仿真结果和用Verilog-A相关噪声源模型的仿真结果完全一致。

[0049] 由图4和图5的比较可以看出，本发明所提出的考虑噪声源相关性的噪声分析方法和Verilog-A的相关噪声源模型，在分析结果上是没有区别的。但本发明的方法更简洁，不需用通过另外的相关噪声源Verilog-A模型就可以使得常规电路仿真器对高频情况下的电路输出噪声进行准确分析。