專利名稱：應(yīng)用于spice電路仿真程序中的鐵電電容行為模型的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集成電路設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，涉及應(yīng)用鐵電電容的集成電路設(shè)計，尤其涉及一種 應(yīng)用于SPICE電路仿真程序中的鐵電電容行為模型。
背景技術(shù)：
鐵電電容是一種利用鐵電材料制作的電容元件，在當(dāng)今的集成電路設(shè)計尤其是存儲器 電路設(shè)計中，具有越來越重要的地位。對于規(guī)范而精確的電路設(shè)計，基于EDA (電子設(shè)計 輔助)軟件的電路仿真是必不可少的。然而鐵電電容作為一種新型的元件，還沒有在各種 EDA軟件中得到獨立的模擬模型，給集成電路設(shè)計帶來了很大困難。因此目前適合EDA軟 件的鐵電電容模型設(shè)計仍然是一個很有挑戰(zhàn)性的工作。鐵電電容模型大體上可分為兩種 物理模型和行為模型。物理模型能直觀反應(yīng)鐵電材料的物理特性，但構(gòu)造物理模型需要較 深的物理基礎(chǔ)，且缺少直觀的電路描述，很難在EDA軟件中實現(xiàn)。行為模型則拋開鐵電理 論的細(xì)節(jié)，只是單純地從電路的角度觀察鐵電材料的宏觀電學(xué)特征，并進行描述，不需要 深厚的鐵電學(xué)物理知識背景，因而比較容易實現(xiàn)。以下簡要介紹一下已有的幾種行為模型。(1) 雙電容模型這是一個早期的建立在電滯回線基礎(chǔ)上的模型。這個模型將電滯 回線在縱軸右邊的兩支用兩條直線來近似，每條直線對應(yīng)一個線性電容，電容值即直線的 斜率，模型參數(shù)可以通過從實驗曲線中提取得到，模型結(jié)構(gòu)參照圖3。但是由于電滯回線 不但跟鐵電電容大小有關(guān)，還跟所加的信號波形有關(guān)，因此當(dāng)改變信號后，參數(shù)需要重新 提取。在實際存儲器電路中，加在鐵電電容上的信號幅度和波形是無法預(yù)知的，這樣不同 情形下的模型參數(shù)只能設(shè)定得很粗略，在實際模擬中存在很大誤差。因此這個模型是一個 很粗糙的電容模型。(2) 數(shù)值模型用一個雙曲正切函數(shù)來模擬回線。數(shù)值模型為鐵電電容靜態(tài)特性分 析提供了一種很好的方法，但不適合作瞬態(tài)分析，因為它不包含任何和瞬態(tài)行為有關(guān)的參 數(shù)。(3) 分布式反轉(zhuǎn)場模型在偶極子上加上足夠的電場時，偶極子會從一種狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為另一種狀態(tài)，使偶極子發(fā)生極化方向翻轉(zhuǎn)的臨界電場即矯頑電場。對于單疇的鐵電體，這個矯頑電場跟這種材料的電滯回線的矯頑場一致；對于多疇鐵電體，由于電疇的方向各不相同，不同電疇在不同的外加電壓下發(fā)生反轉(zhuǎn)。當(dāng)電疇數(shù)目非常大時，不同電壓下發(fā)生 反轉(zhuǎn)的電疇數(shù)目對電壓形成高斯分布，這樣，假定每個電疇的極化對總極化強度的貢獻相 同，則每增加單位電壓所導(dǎo)致的極化強度的增加對電壓也符合高斯分布。這個模型和數(shù)值 模型相比，本質(zhì)上是類似的。(4) 基于鐵磁的模型鐵電體和鐵磁體有許多類似之處，.因此可以利用已有的鐵磁 核模型來仿真鐵電模型?；阼F磁基礎(chǔ)的模型將加在鐵電電容上的電壓按比例轉(zhuǎn)換為電流 源，加在磁芯上，產(chǎn)生基于磁滯回線的電壓，再將電壓按比例轉(zhuǎn)換為通過鐵電電容的電流， 模型結(jié)構(gòu)參見圖4，其中K1、 K2為兩個比例系數(shù)。如果磁芯模型精度提高，鐵電電容類磁 模型的精度也可以進一步提高，但這個模型不適于作瞬態(tài)分析，因為這兩者在瞬態(tài)特性上 沒有共性。(5) 基于電流的激化反轉(zhuǎn)模型這個模型既可以作靜態(tài)分析也可以作瞬態(tài)分析。模 型將鐵電電容看作電容和一個電流源并聯(lián)。電容由鐵電材料的小信號介電系數(shù)來確定，電 流源代表電容的極化反轉(zhuǎn)電流，通過對電容進行脈沖測試得到。對于每種不同的脈沖幅度， 電流源參數(shù)需要重新確定，這增加了模型的復(fù)雜性，不利于模型的實際應(yīng)用，因為加在鐵 電電容上的電壓事先是不知道的。另外模型參數(shù)對電路的時間常數(shù)也具有依賴型。(6) 零反轉(zhuǎn)時間瞬態(tài)模型(ZSTT):模型假定鐵電電容的極化反轉(zhuǎn)時間為零，當(dāng)所 研究電路的RC常數(shù)遠遠大于鐵電電容的極化反轉(zhuǎn)時間時，假定所帶來的誤差是可以忽略的。反轉(zhuǎn)時間為零意味著鐵電電容極化電荷的增加是瞬時的，電荷的增量只是外加電壓合鐵電電容初始狀態(tài)的函數(shù)，它與時間無關(guān)。ZSTT鐵電電容模型的電路主要由兩部分組成， 一是控制鐵電電容狀態(tài)轉(zhuǎn)換的開關(guān)，二是C。(V。)和d(V')兩個非線性電容，模型結(jié)構(gòu)參見圖 5，其中S01、 S02、 Sll和S12為電容狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)。電容開關(guān)的邏輯控制需要復(fù)雜的電路， 不利于模擬。同時，兩個非線性電容的值通常采用分段線性的數(shù)據(jù)列表，對不同的電容， 要更換大量數(shù)據(jù)才能仿真。以上的各種模型或是不夠精確，或是使用不便，或是結(jié)構(gòu)復(fù)雜難于控制，因此應(yīng)用在EDA 工具中時都有所不便。SPICE是目前最常用的EDA電路仿真工具，針對這一工具的鐵電電 容模型變得非常重要。 發(fā)明內(nèi)容鑒于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是設(shè)計一種便于應(yīng)用在SPICE EDA工具中的鐵電電容模型，可以實現(xiàn)快速、高精度的仿真，同時結(jié)構(gòu)簡單、控制方便。一種應(yīng)用于SPICE電路仿真程序中的鐵電電容行為模型，該模型利用SPICE程序中的表達式功能建立非線性電容原件，并配合微分電路作為控制電路，來模擬鐵電電容的物理行為，該模型的組成部分包括 一個正端點、 一個負(fù)端點、 一個線性電容， 一個非線性電容， 一個壓控電壓源以及一個微分電路；在所述正端點、負(fù)端點間為由所述線性電容、非線性電容組成、與壓控電壓源組成的并聯(lián)電路，所述壓控電壓源的正輸出端與微分電路相連，負(fù)輸出端連接地端。所述的微分電路，其組成部分包括 一個理想運算放大器， 一個線性電阻以及一個線性電容；其中所述理想運算放大器具有n+， n—， out三個連接端，線性電容連接在壓控電 壓源的正輸出端和n +端之間，線性電阻連接在n+和out端之間，n—端連接地端； 所述out端的信號是模型的控制信號。 所述的非線性電容，其電容值由下列表達式?jīng)Q定<formula>formula see original document page 5</formula>其中<formula>formula see original document page 5</formula>其中，G(0表示描述以電壓V為參數(shù)的鐵電電容行為曲線的右半支、C2(V)表示描述以 電壓V為參數(shù)的鐵電電容行為曲線的左半支、a 、 Cu、 Cd表示描述鐵電電容行為曲線左右 兩支形狀特征的參數(shù)；V表示施加在電容模型兩端的電壓(正端點和負(fù)端點)；V。表示鐵電電容的矯頑電壓,也是描述鐵電電容特征的參數(shù)；V(OUt)表示端點OUt的電壓；式中a， G和G是描述G("和G(O曲線形狀的參數(shù)從電容測試數(shù)據(jù)中提取得到。本發(fā)明的有益效果 本發(fā)明與現(xiàn)有幾種模型的比較本發(fā)明中鐵電電容的電學(xué)行為完全由非線性電容表現(xiàn)，可以用表達式進行精確的賦 值，精確度比以前的方法(1)提高很多。此模型的工作控制完全由微分電路完成，相比與現(xiàn)有的方法方法(5)、方法(6)，控制過程簡單了許多，有利于提高仿真速度。相比與 現(xiàn)有的方法方法(2)， (3), (4)，由于控制信號是輸入電壓對時間的微分，即電壓變化 率，因此更適合瞬態(tài)仿真。該模型具有結(jié)構(gòu)簡單，仿真速度快，仿真精度高等優(yōu)點。


圖1為一種應(yīng)用于SPICE電路仿真程序中的鐵電電容行為模型結(jié)構(gòu)； 圖2為電容模型中的線性電容的電容曲線與電滯回線； 圖3為雙電容模型結(jié)構(gòu)； 圖4為基于鐵磁的模型結(jié)構(gòu)；圖5為ZSTT模型結(jié)構(gòu)。
具體實施方式
下面結(jié)合

此模型的
具體實施例方式
圖1為一種基于電壓延遲行為的鐵電電容行為模型，如圖中1所示該模型利用SPICE程序中的表達式功能建立非線性電容原件，并配合微分電路作為控 制電路，來模擬鐵電電容的物理行為，該模型的組成部分包括 一個正端點、 一個負(fù)端點、 一個線性電容， 一個非線性電容， 一個壓控電壓源以及一個微分電路；在所述正端點、負(fù)端點間為由所述線性電容、非線性電容組成、與壓控電壓源組成的 并聯(lián)電路，所述壓控電壓源的正輸出端與微分電路相連，負(fù)輸出端連接地端。所述的微分電路，其組成部分包括 一個理想運算放大器， 一個線性電阻以及一個線 性電容；具體為該電容模型包括兩個端點(+ ， _)，在這兩個端點上連接著描述電容行為的主要元件: 線性電容(Cy)和非線性電容(Cx);對電容施加的信號電壓V加在這兩個端點上；電壓V 同時施加到增益為1的壓控電壓源VCVS輸入端(V+， V—)，轉(zhuǎn)換到輸出端(0+， 0—)上， 因此(0+， 0—)端口的電壓等于(V+， V—)端口的電壓，即等于V。從(0+， 0—)端口 出來的電壓施加到微分電路上，此微分電路輸出端om的電壓值即是電壓V的微分值，我們用V(OLlt)來表示端口 out的電壓值，則有V(out) - f:線性電容(Cy)是一個普通電容元件，其大小是一個模型參數(shù)；非線性電容(Cx)的 大小由表達式的值決定。我們可以參考圖2的圖示進行說明 圖2為電容模型中的線性電容的電容曲線與電滯回線；圖2中橫軸表示施加電壓V， Vm和一Vm表示V的正向最大值和負(fù)向最大值；縱軸對于 電容曲線是電容值，對于電滯回線是電量值。電容曲線是V軸上方的雙峰曲線，電滯回線 是中心對稱的方形回線。如圖所示電滯回線和電容曲線都包含兩個分支，電滯回線的ACB 分支和電容曲線的右側(cè)峰對應(yīng)著施加電壓V從一Vm向Vm變化的過程；電滯回線的BDA分 支和電容曲線的左側(cè)峰對應(yīng)著施加電壓V從Vm向一Vni變化的過程；兩個過程如圖中箭頭 方向所示。非線性電容(Cx)的表達式分為描述右側(cè)峰的Cl和描述左側(cè)峰的C2，他們的 大小由施加電壓V決定，具體表達式為c,(7) =-^——^ c2<7)=. "由于右側(cè)峰對應(yīng)一個電壓上升的過程，左側(cè)峰對應(yīng)一個電壓下降的過程，因此d對應(yīng)的施 加電壓微分值是正值，C2對應(yīng)的施加電壓微分值是負(fù)值，通過判斷V(out)的正負(fù)號就可以 確定該選擇哪一個表達式來計算Cx的值，因此表達式中sgn()是符號函數(shù)，用來判斷變量的符號，如果是正號，則值是l;如果是負(fù)號， 則值是0。通過這種簡單的計算我們可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)V (out)是負(fù)號時Cx二d， V (mat)是正 號時Cx二C2。微分電路的組成部分包括 一個理想運算放大器(0P)， 一個線性電阻(R)以及一個 線性電容(C)其中所述理想運算放大器具有n+， n—， out三個連接端，線性電容連接在壓控電 壓源的正輸出端和n +端之間，線性電阻連接在n +和out端之間，n —端連接地端； 所述out端的信號是模型的控制信號。如圖中所示I = C^ =—，，因此V(out)可以用來指示施加電壓V微分的符號,可以發(fā)現(xiàn)V(out)--RC嘗，即V (out)符號和施加電壓V微分的符號相反。理想運算放大器可以用SPICE軟件中的行為描述電壓源來描述。對比本模型和普通電容，二者都是具有兩個端點，因此本模型在使用時也可以像普通 電容一樣直接連接到所需連接的端口上。利用本模型可以完成各種利用鐵電電容的電路模 擬。以上所述的實施例，只是本發(fā)明較優(yōu)選的具體實施方式
，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明 技術(shù)方案范圍內(nèi)進行的通常變化和替換都應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種應(yīng)用于SPICE電路仿真程序中的鐵電電容行為模型，其特征在于，該模型利用SPICE程序中的表達式功能建立非線性電容原件，并配合微分電路作為控制電路，來模擬鐵電電容的物理行為，該模型的組成部分包括一個正端點、一個負(fù)端點、一個線性電容，一個非線性電容，一個壓控電壓源以及一個微分電路；在所述正端點、負(fù)端點間為由所述線性電容、非線性電容組成、與壓控電壓源組成的并聯(lián)電路，所述壓控電壓源的正輸出端與微分電路相連，負(fù)輸出端連接地端。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于SPICE電路仿真程序中的鐵電電容行為模型，其特征 在于，所述的微分電路，其組成部分包括 一個理想運算放大器， 一個線性電阻以及一個 線性電容；其中所述理想運算放大器具有n+， n—， out三個連接端，線性電容連接在壓控電 壓源的正輸出端和n+端之間，線性電阻連接在n+和out端之間，n—端連接地端； 所述out端的信號是模型的控制信號。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于SPICE電路仿真程序中的鐵電電容行為模型，其特征 在于，所述的非線性電容，其電容值由下列表達式?jīng)Q定sgn((。,+C + s，(。"0)]其中q<7) =-^——^ C2(7)c" r "八— Qa2+(nc) a2+(r+rc)其中，G(0表示描述以電壓V為參數(shù)的鐵電電容行為曲線的右半支、C2(V)表示描述以 電壓V為參數(shù)的鐵電電容行為曲線的左半支、a 、 Cu、 Cd表示描述鐵電電容行為曲線左右兩支形狀特征的參數(shù)；V表示施加在電容模型兩端的電壓(正端點和負(fù)端點)； V。表示鐵電電容的矯頑電壓,也是描述鐵電電容特征的參數(shù)； V(out)表示端點out的電壓；式中"，C"和G是描述G(O和G(H)曲線形狀的參數(shù)從電容測試數(shù)據(jù)中提取得到。
全文摘要
本發(fā)明屬于集成電路設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，涉及應(yīng)用鐵電電容的集成電路設(shè)計，尤其涉及一種應(yīng)用于SPICE電路仿真程序中的鐵電電容行為模型。該模型利用SPICE程序中的表達式功能建立非線性電容原件，配合微分電路作為控制電路，模擬鐵電電容的物理行為，該模型組成部分包括一個線性電容，一個非線性電容，一個壓控電壓源以及一個微分電路；由所述線性電容、非線性電容組成的并聯(lián)電路依次與壓控電壓源、微分電路串聯(lián)。相對于現(xiàn)有技術(shù)，發(fā)明中鐵電電容的電學(xué)行為完全由非線性電容表現(xiàn)，可用表達式進行精確的賦值。該模型的工作控制完全由微分電路完成，控制過程簡單，利于提高仿真速度。由于控制信號是輸入電壓對時間的微分，因此更適合瞬態(tài)仿真。
文檔編號G06F17/50GK101251871SQ20081010344
公開日2008年8月27日 申請日期2008年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月3日
發(fā)明者任天令, 章英杰, 澤 賈, 魏朝剛 申請人:清華大學(xué)