Bridging the gap between design and simulation of MOS circuits: implementation of the ACM model in Cadence and the associated extraction of parameters

Abstract

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2021.Modelos compactos do MOSFET são essenciais para o projeto e simulação de circuitos integrados. O modelo BSIM é amplamente utilizado em ferramentas EDA para executar simulações de circuitos MOS. Sua complexidade, tanto no que se refere ao grande número de parâmetros quanto a seus significados, no entanto, abre uma lacuna entre a simulação de circuito e o projeto executado pelo projetista, tornando difícil entender como os principais parâmetros do MOSFET se relacionam com os resultados finais. Para facilitar o entendimento do projetista quanto aos principais parâmetros que intervêm no projeto, este trabalho propõe um modelo simplificado do MOSFET, baseado no modelo Advanced Compact MOSFET (ACM), contendo apenas 4 parâmetros. A extração dos 4 parâmetros do modelo é realizada através de simulações automatizadas no simulador Cadence® Virtuoso®. Finalmente, para preencher a lacuna entre projeto e simulação, o modelo de 4 parâmetros foi implementado em Verilog-A para simular diferentes circuitos projetados com base no modelo ACM. Quatro circuitos foram simulados: inversor CMOS, oscilador em anel, fonte de corrente autopolarizada (SBCS) e amplificador de baixo ruído (LNA). Os resultados de simulação são apresentados e comparados com os resultados obtidos com o modelo BSIM. O modelo de 4 parâmetros destina-se, principalmente, à modelagem para ultra-baixa tensão (ULV) porque os efeitos secundários suprimidos não são tão acentuados no domínio ULV, o qual abrange pesquisas sobre aplicações de colheita de energia, redes de sensores para a Internet das Coisas e circuitos always-on.Abstract: Compact MOSFET models are essential for design and simulation of integrated circuits. The BSIM model is widely used in EDA tools to run MOS circuit simulations. However, its complexity, regarding the huge number of parameters and their meanings, opens a gap between circuit simulation and hands-on design, making it hard to understand how the main MOSFET parameters are related to the simulation results. In order to assist the designer in understanding how the main MOSFET parameters affect the design, this work proposes a simplified MOSFET model, based on the Advanced Compact MOSFET (ACM) model, which contains only 4 parameters that are extracted through automated simulation setups on Cadence® Virtuoso® simulator. Finally, to bridge the gap between design and simulation, the 4-parameters model was implemented in Verilog-A to simulate different circuits designed with basis on the ACM model. To test the appropriateness of our proposal, four circuits (a CMOS inverter, a ring oscillator, a self-biased current source (SBCS) and a low-noise amplifier (LNA)) were simulated, either using the 4-parameter ACM model or the BSIM model. The simulation results demonstrate that the 4-parameter model is mostly suitable for ultra-low voltage (ULV) modeling. This is because some of the secondary effects not included in the 4-parameter model are not so accentuated in the ULV domain, which comprises applications such as energy harvesting, sensor nodes for the Internet of Things and always-on circuits