用于电元件的串联和并联组合的系统和方法

xiaoxiao2020-7-22  2

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用于电元件的串联和并联组合的系统和方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于生成和匹配在标称上相同的初始元件的复杂串联和/或并联组合以实现与初始元件有恒定比率并且彼此之间有恒定比率的复合值的方法和系统。复合值之间的比率能够在几乎任何期望的精确程度上保持恒定,其中潜在误差相对于在不同值的各个元件的构造过程中典型存在的误差大大降低。由于初始元件在标称上相同,值之间的比率主要依赖于初始元件的连接而不是它们的几何、并因此无论制造过程中的变化如何均保持几乎恒定。
【专利说明】用于电元件的串联和并联组合的系统和方法
[0001]本申请要求于2011年3月22日提交的临时申请第61/466,421号的优先权,其全部内容通过引用合并于此。
【技术领域】
[0002]本发明一般地涉及电子电路的设计。更具体地,本发明涉及用于实施半导体电路中的部件值的方法。
【背景技术】
[0003]在半导体芯片或晶片上形成的半导体电路包括多种类型的电路元件,包括例如电阻器、电容器、电感器、晶体管等。这些元件必须以该元件的值或性能满足包含它们的电路的要求的方式在半导体芯片上产生。
[0004]任何半导体材料具有特定的特性,且这些特性中的一些使得构造在半导体上的元件将具有全部或部分地依赖于该元件所占据的面积的特定值。包括电阻器、电容器和电感器的多个元件因此通常以鉴于半导体的特性将导致由期望的电路设计指定的特定值的尺寸的几何形状来产生。
[0005]例如,假设半导体具有300 Ω每平方的片电阻,即,当电流流过半导体表面上I微米乘I微米的面积时,它经受300欧姆(Ω)的电阻。因此,预期以I微米宽度和10微米长度构造的电阻器将具有电阻3000 Ω (或者3千欧(ΚΩ );1000Ω=11?Ω )的电阻,因为经过电阻器的电流沿电阻器的长度方向流过十平方的电阻器。
[0006]然而,这种基于某些假设的预期通常被证明是不正确的。例如,元件的物理尺寸容易受到制造过程中的误差或变化的影响,这可能无法可靠地或反复地制作为了获得电阻器的期望值而确定的精确尺寸。假设需要3kQ的电阻器,所期望的I微米乘10微米的实际尺寸在每个方向上变化0.03微米。基于这种变化的方向,一个实例中,实际电阻器可以是0.97微米宽9.97微米长,对于总面积为9.6709平方微米并且实际电阻为2901.27 Ω的情况,变化超过3%。可替选地,电阻器可以是1.03微米宽10.03微米长,对于总面积10.3309平方微米并且电阻为3099.27 Ω的情况,同样与期望值的差异超过3%。如果长度和宽度的变化小于0.03微米,或者变化方向相反,则将获得在这两个端值之间的其它电阻。
[0007]除了这个有关获得电阻器的精确绝对值的问题之外,有时甚至更期望获得两个电阻的值之间的精确比率。例如,考虑到需要I比1.7273的电阻比率的情况。这可以在理论上通过传统方式在芯片上构造如下两个电阻器来实现:一个电阻器I微米宽且10微米长,而另一个电阻器I微米宽且17.273微米长。
[0008]但是,假设:由于制造过程使得这些尺寸都被侵蚀了 0.1微米。则第一电阻器将是
0.9微米长乘9.9微米宽,面积为8.91平方微米,而第二电阻器将是0.9微米长乘17.173微米宽,面积为15.4557平 方微米。由此得到的两个电阻器之间的比率现在为1.7346,而不是所期望的1.7273,误差恰好超过-0.42%。尽管这看起来很小,但是这种误差足以降低半导体芯片上的电路的精度或性能。[0009]此外,电阻器的电阻由于材料的“体电阻”的变化可能与预期的有所不同。这通常是由于用于制作电阻器的硅层的厚度变化所导致,以及由于在制造电阻器时注入硅中的杂质材料的量的变化所导致。
[0010]再进一步,关于在半导体芯片上构造元件,需要与材料建立连接。例如,在芯片上构造多晶硅电阻器必须具有接触孔,并且有时在每一端具有不同的掺杂浓度,以用于金属轨迹建立良好接触。接触孔及相关特性引入了“端效应”,这通常是与目标电阻串联的不必要的附加电阻,因此要添加到所设计的电阻值。通常,这种附加电阻在很大程度上依赖于如何准确地在芯片材料中切割接触孔;这也会造成与期望值的差异或误差,产生出比目标电阻高的电阻,并且由于不能精确地得知不必要的端效应电阻,因此难以精确地对不同的值进行匹配。
[0011]再次,假设:期望构造比率为I比1.7273的两个电阻器,其中一个电阻器为IKΩ,另一电阻器为1.7273ΚΩ。即使将电阻器构造为精确的尺寸以得到这些值,如果向每个值加入例如100KΩ的“端效应”,则作为有效的1.1KΩ与1.8273ΚΩ之间的比率变为1.6612,而不是期望的1.7273,几乎4%的误差。再次地,这会显著地改变期望电路性能。
[0012]另一个问题是,芯片设计过程通常包括“放置和布线”阶段。这通常通过软件来自动执行,并且顾名思义,其是由两个步骤组成,放置和布线。第一步骤,放置,涉及确定电路中的部件应当“布置”或应当位于芯片上那些通常有限的空间中的何处。接下来是布线,其中确定在何处放置所布置的元件之间所需的连接。布线步骤的目的在于,在遵守预期的制造过程的规则和限制的同时实施所有期望的连接。
[0013]由于放置步骤所确定的元件的位置对用于确定元件之间的连接的布线步骤的能力具有后续的影响,所以放置和布线步骤是相互关联的。因此,在具有不同尺寸的许多元件的电路中,确定元件的最佳位置以及它们的连接可能是很复杂的。
[0014]这些问题使得难以在具有精确值的半导体芯片上实施元件,并且更具体地,难以实施在元件值之间有精确比率的多个元件。

【发明内容】

[0015]公开了一种用于生成在标称上相同的初始元件的复杂串联和/或并联组合以实现任意的非平凡复合值的方法和系统。根据本文所公开的那样构建的组合使复合值与初始元件的值之间的比率、以及因此两个复合值之间的比率在高的精确程度上保持几乎恒定,而无论制造过程中的变化如何。
[0016]在一个实施例中公开了一种设计彼此之间具有呈期望比率的标称值的多个半导体电路部件的方法,每个部件被构造为一定数目的重复相同元件的组合,所述方法包括:接收用于第一部件的第一期望值和用于第二部件的第二期望值作为计算设备处的输入;由所述计算设备计算用于所述第一部件和所述第二部件的所述期望值之间的比率;接收待用在每个部件中的重复相同元件的所述数目作为所述计算设备处的输入;由所述计算设备确定所接收到的所述数目的重复相同元件的串联和并联连接的可能组合;由所述计算设备基于用于所述重复相同元件的单位值来计算用于每个组合的值;由所述计算设备从所确定的所述组合中识别在所确定的值之间有所述期望比率的两个组合;并且计算用于所述重复相同元件的实际值,所述实际值当与所计算出的所选择的所述两个组合的值相乘时得到所接收到的用于所述第一部件和所述第二部件的所述期望值。
[0017]在另一实施例中公开了一种设计彼此之间具有呈期望比率的标称值的多个半导体电路部件的方法,每个部件被构造为一定数目的重复相同元件的组合,所述方法包括:接收用于第一部件的第一期望值和用于第二部件的第二期望值作为计算设备处的输入;由所述计算设备计算用于所述第一部件和所述第二部件的所述期望值之间的比率;接收指示待用在所述第一部件中的重复相同元件的数目的第一元件值以及指示待用在所述第二部件中的重复相同元件的数目的第二元件值作为所述计算设备处的输入;由所述计算设备确定所述第一元件值的数目的重复相同元件以及所述第二元件值的数目的重复相同元件的串联和并联连接的可能组合;由所述计算设备基于用于所述重复相同元件的单位值来计算用于每个组合的值;由所述计算设备从所确定的所述第一元件值的组合中识别用于所述第一部件的组合并且从所确定的所述第二元件值的组合中识别用于所述第二部件的组合,使得所述用于所述第一部件的组合和所述用于所述第二部件的组合在所确定的值之间有所述期望比率;并且计算用于所述重复相同元件的实际值,所述实际值当与所计算出的所选择的所述两个组合的值相乘时得到所接收到的用于所述第一部件和所述第二部件的所述期望值。
[0018]在又一实施例中公开了一种设计彼此之间具有呈期望比率的标称值的多个半导体电路部件的方法,每个部件被构造为一定数目的重复相同元件的组合,所述方法包括:接收用于所述多个电路部件的多个值η以及期望最大误差容限作为计算设备处的输入;由所述计算设备根据所接收到的用于所述多个电路部件的所述多个值来确定用于所述重复相同元件的标称值;接收待用在每个部件中的重复相同元件的所述数目作为所述计算设备处的输入;由所述计算设备确定所接收到的所述数目的重复相同元件的串联和并联连接的可能组合;由所述计算设备基于用于所述重复相同元件的单位值来计算用于每个组合的值;由所述计算设备选择一组一个或多个组合作为待用于构造期望部件的组合的初始假设;由所述计算设备计算所述组所选组合的值的比率与所述多个部件的期望值的比率之间的均方根误差;由所述计算设备将所述所选组合中的一个或多个组合重复地替换为其它组合以产生新的一组所选组合、并计算所述新的一组所选组合的值与所述多个部件的所述期望值之间的均方根误差;并且由所述计算设备识别这样的一组组合:该组组合的均方根误差在所述期望最大误差容限内或者是能被找到的最低误差。
[0019]在又一实施例中公开了一种用于设计彼此之间具有呈期望比率的标称值的多个半导体电路部件的系统,每个部件被构造为一定数目的重复相同元件的组合,所述系统包括:输入装置、处理器、存储器和输出装置,所述输入装置用于接收用于第一部件的第一期望值和用于第二部件的第二期望值、并且接收待用在每个部件中的相同元件的所述数目作为输入;所述处理器被配置成:计算用于所述第一部件和所述第二部件的所述期望值之间的比率;确定所选择的所述数目的重复相同元件的串联和并联连接的可能组合;基于用于所述重复相同元件的单位值来计算用于每个组合的值;从所确定的所述组合中识别在所确定的值之间有所述期望比率的两个组合;并且计算用于所述重复相同元件的实际值,所述实际值当与所计算出的所选择的所述两个组合的值相乘时得到所接收到的用于所述第一部件和所述第二部件的所述期望值;所述存储器用于存储表示重复相同元件的每个所确定的所述组合以及每个组合的值的数据;所述输出装置用于输出所识别出的所述两个组合以及所计算出的所述相同元件的实际值。
[0020]在再又一实施例中公开了一种其上实施有用于使得计算设备执行一种设计彼此之间具有呈期望比率的标称值的多个半导体电路部件的方法的指令的非暂时性计算机可读存储介质,每个部件被构造为一定数目的重复相同元件的组合,所述方法包括:接收用于第一部件的第一期望值和用于第二部件的第二期望值作为计算设备处的输入;由所述计算设备计算用于所述第一部件和所述第二部件的所述期望值之间的比率;接收待用在每个部件中的重复相同元件的所述数目作为所述计算设备处的输入;由所述计算设备确定所接收到的所述数目的重复相同元件的串联和并联连接的可能组合;由所述计算设备基于用于所述重复相同元件的单位值来计算用于每个组合的值;由所述计算设备从所确定的所述组合中识别在所确定的值之间有所述期望比率的两个组合;并且计算用于所述重复相同元件的实际值,所述实际值当与所计算出的所选择的所述两个组合的值相乘时得到所接收到的用于所述第一部件和所述第二部件的所述期望值。
【专利附图】

【附图说明】
[0021]图1示出三个电阻器的一个可能组合。
[0022]图2示出七个电阻器的一个可能组合。
[0023]图3示出十四个电阻器的三个可能组合。
[0024]图4示出五个电阻器的一个可能组合。
[0025]图5是示出以软件实施的如本文所述的方法的一个可能的实施例的流程图。
[0026]图6是示出以软件实施的如本文所述的方法的可替选实施例的流程图。
【具体实施方式】
[0027]本申请描述了一种用于生成在标称上相同的初始元件的复杂串联和/或并联组合以实现任意的非平凡复合值的方法和系统。此外,复合值与初始元件的值之间的比率、以及因此两个复合值之间的比率保持几乎恒定而与制造过程中的变化无关。使用本文描述的技术,芯片设计者可以实施一种不依赖于如上所述那样可能在制造中变化的元件的精确几何差异、而是仅依赖于元件的连接性的元件匹配方法。
[0028]在所描述的方法中,算法生成了多个类似的初始二端子元件的并联和串联组合,以产生与初始二端子元件具有固定阻抗关系的二端子复合元件。例如,如果初始元件是IkQ的电阻器,则该算法配置IkQ电阻器的多个实例的串联和并联组合以构建具有不同电阻值的复合元件。初始元件的值可以被选择为使得复合元件的实际值是电路设计者所期望的。该算法能够处理可以被设计者容易地可视化的小数目元件的平凡情形、以及需花费长得多的时间来分析的包含较大数目的元件的复杂得多的情形。
[0029]众所周知,串联和/或并联连接的具有阻抗的多个元件的连接导致可能不同于所述多个元件中的任何元件的阻抗的等效阻抗;例如,对于本领域技术人员显而易见的是,三个IkQ电阻器当被串联放置时得到3kQ的有效电阻,或者当被并联放置时得到333.3 Ω的有效电阻。然而,其它组合不是显而易见的;设计者不太可能知道如何将任意数目的电阻器(比如14个,每个都例如为IkQ)连接成导致4.567kΩ电阻的配置,如果不花费相当大量的时间来设置这种配置的话。[0030]本文描述的方法允许设计者精确地控制不同值的部件之间的比率,而无需依靠按精确值制作每个部件的能力。这是通过使用在标称上相同的元件并且将至少一个所述部件构造为给定数目的相同元件的复杂串联和/或并联连接方案来完成的;在特定限制内,对于所述部件可以获得任何任意值。该方法适用于所有情形,既适用于其中元件全部串联或全部并联并因此可以被表示为简单的整数比(如上所述的1:3或3:1等)的平凡情形,也适用于任何其它非平凡情形,并且可确定导致任意值的组合。
[0031]以这种方式构建的具有不同值的元件的组合的匹配相对于现有技术得以大大改进。如上所述,改变元件的物理尺度以实现不同值的现有技术方法当在芯片上精确地制造期望尺寸时易受误差的影响,使得任何给定元件的值以及因此两个元件的比率可能不是所预期的或期望的。
[0032]相比之下,由于所描述的方法每次均使用相同的在标称上相同的元件,该方法没有遭受由于尺度不精确所导致的相同的系统误差。此外,由于组合与单个元件相比通常将在芯片上占据较大的面积,所以制造过程中的任何变化更可能均摊在更大的面积上,从而与单个元件中的值的变化相比降低了这种变化对组合的值的影响。因此,即使尺度不精确,每个元件以及因此元件的每个组合在该过程中通常将遭受相同的系统变化,因此元件组合与基本元件的值的比率或者元件的两个组合之间的比率将被保持。
[0033]类似地,在本文描述的方法中,增加电阻的上述“端效应”与现有技术相比通常将贡献显著更小的误差。这是因为这种效应通常将随机地散布在较大数目的在标称上相同的元件间,并因此不太可能造成相比于两个单独元件的情形显著的变化。因此,尽管随着任何端效应电阻改变单个元件或组合的总电阻可能改变,但是如上所述那样常常比绝对值更重要的比率如果有改变的话也不会改变很多。
[0034]使用相同元件的另 一优点是:自动放置和布线软件工具能够更容易地在芯片上对复杂串联和/或并联的元件进行布置和连接。这是因为每个元件(诸如电阻器或其它部件)是被反复使用的同样的在标称上相同的元件;所有的组合使用相同形状的相同元件,区别仅在于连接性,并且这正好适合该放置和布线工具方法。通过使用如本文所述的在标称上相同的元件的串联和/或并联连接,设计芯片布局的潜在繁琐过程由此变得不复杂并且更方便。
[0035]例如电阻器、电感器或电容器的两个电元件可以串联或并联连接。已知,两个相同类型的元件的这种串联或并联组合的有效值将不同于任一元件的值。例如,描述了电阻R1和R2的串联连接的有效电阻Rs的等式为:
[0036]Rs = R^R2
[0037]而R1和R2并联连接的有效电阻Rp为:
η _ I
[0038]=:......1—,..........1…
Ej级2
[0039]因此,如果值相同的两个电阻器串联连接,则电阻增大并且串联组合获得每个元件的电阻的两倍。如果两个电阻器并联连接,则有效电阻将是每个元件的电阻的二分之一。
[0040]电感器的串联和并联值是通过与电阻器相同的方式来确定的,但是电容却相反。因此,两个电容器C1和C2并联产生的有效电容Cp给出为:
[0041]Cp=G^C2[0042]而两个电容C1和C2串联的有效电容由下式给出:
[0043]
【权利要求】
1.一种设计彼此之间具有呈期望比率的标称值的多个半导体电路部件的方法,每个部件被构造为一定数目的重复相同元件的组合,所述方法包括: 接收用于第一部件的第一期望值和用于第二部件的第二期望值作为计算设备处的输A ; 由所述计算设备计算用于所述第一部件和所述第二部件的所述期望值之间的比率;接收待用在每个部件中的重复相同元件的所述数目作为所述计算设备处的输入;由所述计算设备确定所接收到的所述数目的重复相同元件的串联和并联连接的可能组合; 由所述计算设备基于用于所述重复相同元件的单位值来计算用于每个组合的值;由所述计算设备从所确定的所述组合中识别在所确定的值之间有所述期望比率的两个组合;并且 计算用于所述重复相同元件的实际值,所述实际值当与所计算出的所选择的所述两个组合的值相乘时得到所接收到的用于所述第一部件和所述第二部件的所述期望值。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,由所述计算设备确定所选择的所述数目的重复相同元件的串联和并联连接的可能组合进一步包括:递归地确定从I个一直到所接收到的重复相同元件的所述数目这些数目的相同元件的串联和并联连接的可能组合。
3.根据权利要求1所述的方法,其中,所述重复相同元件是具有阻抗的元件。
4.根据权利要求3所述的方法,其中,所述重复相同元件是电阻器。
5.根据权利要求3所述的方法,其中,所述重复相同元件是电感器。`
6.根据权利要求3所述的方法,其中,所述重复相同元件是电容器。
7.根据权利要求1所述的方法,进一步包括:从所述计算设备输出所识别出的所述两个组合以及所计算出的所述重复相同元件的所述实际值。
8.一种设计彼此之间具有呈期望比率的标称值的多个半导体电路部件的方法,每个部件被构造为一定数目的重复相同元件的组合,所述方法包括: 接收用于第一部件的第一期望值和用于第二部件的第二期望值作为计算设备处的输A ; 由所述计算设备计算用于所述第一部件和所述第二部件的所述期望值之间的比率;接收指示待用在所述第一部件中的重复相同元件的数目的第一元件值以及指示待用在所述第二部件中的重复相同元件的数目的第二元件值作为所述计算设备处的输入;由所述计算设备确定所述第一元件值的数目的重复相同元件以及所述第二元件值的数目的重复相同元件的串联和并联连接的可能组合;由所述计算设备基于用于所述重复相同元件的单位值来计算用于每个组合的值;由所述计算设备从所确定的所述第一元件值的组合中识别用于所述第一部件的组合并且从所确定的所述第二元件值的组合中识别用于所述第二部件的组合,使得所述用于所述第一部件的组合和所述用于所述第二部件的组合在所确定的值之间有所述期望比率;并且 计算用于所述重复相同元件的实际值,所述实际值当与所计算出的所选择的所述两个组合的值相乘时得到所接收到的用于所述第一部件和所述第二部件的所述期望值。
9.一种设计彼此之间具有呈期望比率的标称值的多个半导体电路部件的方法,每个部件被构造为一定数目的重复相同元件的组合,所述方法包括: 接收用于所述多个电路部件的多个值η以及期望最大误差容限作为计算设备处的输A ; 由所述计算设备根据所接收到的用于所述多个电路部件的所述多个值来确定用于所述重复相同元件的标称值; 接收待用在每个部件中的重复相同元件的所述数目作为所述计算设备处的输入;由所述计算设备确定所接收到的所述数目的重复相同元件的串联和并联连接的可能组合; 由所述计算设备基于用于所述重复相同元件的单位值来计算用于每个组合的值; 由所述计算设备选择一组一个或多个组合作为待用于构造期望部件的组合的初始假设; 由所述计算设备计 算所述组所选组合的值的比率与所述多个部件的期望值的比率之间的均方根误差; 由所述计算设备将所述所选组合中的一个或多个组合重复地替换为其它组合以产生新的一组所选组合、并计算所述新的一组所选组合的值与所述多个部件的所述期望值之间的均方根误差;并且 由所述计算设备识别这样的一组组合:该组组合的均方根误差在所述期望最大误差容限内或者是能被找到的最低误差。
10.一种用于设计彼此之间具有呈期望比率的标称值的多个半导体电路部件的系统,每个部件被构造为一定数目的重复相同元件的组合,所述系统包括: 输入装置,所述输入装置用于接收用于第一部件的第一期望值和用于第二部件的第二期望值、并且接收待用在每个部件中的相同元件的所述数目作为输入; 处理器,所述处理器被配置成: 计算用于所述第一部件和所述第二部件的所述期望值之间的比率; 确定所选择的所述数目的重复相同元件的串联和并联连接的可能组合; 基于用于所述重复相同元件的单位值来计算用于每个组合的值; 从所确定的所述组合中识别在所确定的值之间有所述期望比率的两个组合;并且计算用于所述重复相同元件的实际值,所述实际值当与所计算出的所选择的所述两个组合的值相乘时得到所接收到的用于所述第一部件和所述第二部件的所述期望值; 存储器,所述存储器用于存储表示重复相同元件的每个所确定的所述组合以及每个组合的值的数据;以及 输出装置,所述输出装置用于输出所识别出的所述两个组合以及所计算出的所述相同元件的实际值。
11.根据权利要求10所述的系统,其中,所述处理器被进一步配置成:通过递归地确定从I个一直到所接收到的重复相同元件的所述数目这些数目的重复相同元件的串联和并联连接的所有可能组合,来确定所选择的所述数目的重复相同元件的串联和并联连接的可能组合。
12.根据权利要求10所述的系统,其中,待用在所述第一部件中的重复相同元件的数目与待用在所述第二部件中的重复相同元件的数目相同。
13.根据权利要求10所述的系统,其中,待用在所述第一部件中的重复相同元件的数目与待用在所述第二部件中的重复相同元件的数目不同。
14.根据权利要求11所述的系统,其中,所述存储器进一步存储表示比所接收到的所述数目少的数目的重复相同元件的组合的数据。
15.根据权利要求10所述的系统,其中,所述重复相同元件是具有阻抗的元件。
16.根据权利要求15所述的系统,其中,所述重复相同元件是电阻器。
17.根据权利要求15所述的系统,其中,所述重复相同元件是电感器。
18.根据权利要求15所述的系统,其中,所述重复相同元件是电容器。
19.一种其上实施有用于使得计算设备执行一种设计彼此之间具有呈期望比率的标称值的多个半导体电路部件的方法的指令的非暂时性计算机可读存储介质,每个部件被构造为一定数目的重复相同元件的组合,所述方法包括: 接收用于第一部件的第一期望值和用于第二部件的第二期望值作为计算设备处的输A ; 由所述计算设备计算用于所述第一部件和所述第二部件的所述期望值之间的比率;接收待用在每个部件中的重复相同元件的所述数目作为所述计算设备处的输入;由所述计算设备确定所接收到的所述数目的重复相同元件的串联和并联连接的可能组合; 由所述计算设备基于用于所述重复相同元件的单位值来计算用于每个组合的值;由所述计算设备从所确定的所述`组合中识别在所确定的值之间有所述期望比率的两个组合;并且 计算用于所述重复相同元件的实际值,所述实际值当与所计算出的所选择的所述两个组合的值相乘时得到所接收到的用于所述第一部件和所述第二部件的所述期望值。
【文档编号】G06F17/50GK103608814SQ201280022942
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2012年3月21日 优先权日:2011年3月22日
【发明者】A·马丁·马林森 申请人:Ess技术有限公司

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