アナログIC設計入門

目的
1つのネットリストから、条件を変えた15本のネットリストを作れるようにする。

入力
code_shown の先頭2行を、置き換え用の目印に変更します。

.lib /foss/pdks/sky130A/libs.tech/combined/sky130.lib.spice {CORNER}
.temp {TEMP}

xschem でネットリストを出力します。

xschem -n -q -x tb_inverter.sch
grep -n "{CORNER}\|{TEMP}" tb_inverter.spice

画面

13:.lib /foss/pdks/sky130A/libs.tech/combined/sky130.lib.spice {CORNER}
14:.temp {TEMP}

読み方
2行が目印として残っていれば正しく出力できています。この2箇所を sed で置き換えることで、条件を変えたネットリストを作ります。

確定したこと
条件を外部から差し替えられるようになった。

目的
ネットリストの出力からシミュレーションまでを1コマンドにする。

入力
作業ディレクトリに Makefile を作成します。

PDK_ROOT ?= /foss/pdks
TOP       = tb_inverter
CORNERS   = tt ss ff sf fs
TEMPS     = -40 27 125

.PHONY: all sim corners check clean

all: sim

$(TOP).spice: $(TOP).sch
	xschem -n -q -x $(TOP).sch

sim: $(TOP).spice
	sed -e "s/{CORNER}/tt/" -e "s/{TEMP}/27/" $(TOP).spice > run.spice
	ngspice -b run.spice

clean:
	rm -f $(TOP).spice run.spice results.txt *.raw *.log

入力

make

画面

xschem -n -q -x tb_inverter.sch
sed -e "s/{CORNER}/tt/" -e "s/{TEMP}/27/" tb_inverter.spice > run.spice
ngspice -b run.spice
vsp                 =  9.00227e-01
t_rise              =  4.90678e-11
t_fall              =  5.00484e-11

読み方
実行されたコマンドが表示され、続いて結果が出ます。
2回目以降、回路図を変更していない場合は xschem の行が表示されません。make はファイルの更新時刻を比較し、必要な処理のみを実行します。

確定したこと
make の1操作で、tt・27℃の測定値が得られる。

目的
15条件を自動で実行し、結果を1つのファイルにまとめる。

入力
Makefile に追加します。

corners: $(TOP).spice
	@echo "corner temp vsp t_fall t_rise" > results.txt
	@for c in $(CORNERS); do \
	  for t in $(TEMPS); do \
	    sed -e "s/{CORNER}/$$c/" -e "s/{TEMP}/$$t/" \
	        $(TOP).spice > run.spice ; \
	    echo -n "$$c $$t " >> results.txt ; \
	    ngspice -b run.spice 2>&1 \
	      | grep -E "^vsp|^t_fall|^t_rise" \
	      | awk '{printf "%s ", $$3}' >> results.txt ; \
	    echo "" >> results.txt ; \
	  done \
	done
	@cat results.txt

実行します。

make corners

読み方
スイッチング閾値の範囲は 0.786V から 1.034V です。最小は sf の −40℃、最大は fs の 125℃ で、いずれも釣り合いが崩れるコーナーです。
遷移時間の差の最大は fs の 125℃ で 25.3% です。
温度の影響も読み取れます。tt では −40℃ で 0.8530V、125℃ で 0.9709V と、0.118V 動きます。高温ほど閾値が上がります。

確定したこと
15条件の測定値が得られた。合否の基準はまだ決めていない。

【判断点 D04】何をもって合格とするか

決めること
判定に使用する項目と、合格とする範囲。範囲を狭くすると設計の精度は上がるが、条件によっては合格しなくなる。

材料
・測定可能な値：スイッチング閾値、立ち上がり時間、立ち下がり時間
・対象：学習用のCMOSインバータ
・表5-3の15条件の実測値
・差の定義：|tr − tf| ÷ max(tr, tf) × 100（第5章5.4節）

相談
渡したもの：上記の材料と表5-3の全データ。
質問：
「学習用のCMOSインバータについて、合否判定に使用する項目と範囲の案を3通り、範囲の狭い順に挙げてください。それぞれについて、添付した15条件の実測値で何件が不合格になるかも記載してください。」

返答
決定
中間の案。スイッチング閾値 0.9V ± 0.15V（0.75〜1.05V）、立ち上がりと立ち下がりの差 30%以内。
理由：狭い案では実測で9条件が不合格になり、設計の問題か基準の問題かを切り分けられない。広い案では全条件が大きな余裕をもって合格し、判定として機能しない。

検証
中間の案で15条件すべてが合格した。最も余裕が小さいのは sf の −40℃ で、Vsp が下限（0.75V）に対して 0.036V の余裕。次いで fs の 125℃ で、上限（1.05V）に対して 0.016V の余裕。
判定：◯　基準として機能している。ただし余裕は小さい。

目的
D04で決定した基準をコードに書き、人が表を読まなくても合否が出るようにする。

入力
check.py を作成します。

import sys

VSP_MIN, VSP_MAX = 0.75, 1.05   # 0.9V +- 0.15V
DIFF_MAX = 0.30                 # rise/fall difference

ng = 0
total = 0
for line in open('results.txt').readlines()[1:]:
    f = line.split()
    if len(f) < 5:
        continue
    total += 1
    corner, temp = f[0], f[1]
    vsp, tf, tr = float(f[2]), float(f[3]), float(f[4])
    msg = []
    if not (VSP_MIN <= vsp <= VSP_MAX):
        msg.append('vsp=%.4f' % vsp)
    if max(tr, tf) > 0 and abs(tr - tf) / max(tr, tf) > DIFF_MAX:
        msg.append('diff=%.1f%%' % (abs(tr - tf) / max(tr, tf) * 100))
    if msg:
        print('NG  %-3s %5s  %s' % (corner, temp, ', '.join(msg)))
        ng += 1
    else:
        print('OK  %-3s %5s' % (corner, temp))

print('---')
print('NG: %d / %d' % (ng, total))
sys.exit(1 if ng else 0)

Makefile に追加します。

check: corners
	python3 check.py

入力

make check

画面

OK  tt    -40
OK  tt     27
OK  tt    125
OK  ss    -40
OK  ss     27
OK  ss    125
OK  ff    -40
OK  ff     27
OK  ff    125
OK  sf    -40
OK  sf     27
OK  sf    125
OK  fs    -40
OK  fs     27
OK  fs    125
---
NG: 0 / 15

読み方
NG: 0 / 15 であれば全条件が合格です。
不合格がある場合、その行に、どの値が基準を外れたかが表示されます。表示の形式は次のとおりです。

NG  fs    125  vsp=1.0340, diff=25.3%

また、不合格があると check.py は終了コード1を返し、make は Error 1 を表示して停止します。これは異常ではなく、不合格を make に伝えるための動作です。

確定したこと
合否を機械が判定できるようになった。第1章1.5節の「短時間で機械的に確認できるか」に対する手段が make check である。

AIに渡す情報
1. 合否判定の基準（D04で決定した内容と差の定義）
2. results.txt の全文（合格した行を含む）
3. make check の出力
4. 現在のトランジスタ寸法（NMOS/PMOSそれぞれの W, L, nf, m）
5. PDK名とバージョン、ngspiceのバージョン

質問：
「この結果で不合格となっている条件について、原因の候補を3つ、可能性の高い順に挙げてください。それぞれについて、どのパラメータをどちらの方向に変更すればよいかと、変更により悪化する可能性のある項目を記載してください。」