基于Transformer模型和预计算查找表的运算跨导放大器线路设计加速方法

引言

运算跨导放大器(OTA)的设计一直需要大量专业知识和反复调试。本文介绍一种创新的自动化方法，将Transformer模型与预计算查找表相结合，显著加快OTA设计过程，同时保持高精度[1]。

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设计挑战分析

运算跨导放大器在模拟系统中作为基础模块，执行放大、滤波和信号调理等基本功能。传统的OTA晶体管尺寸设计过程面临诸多挑战，设计人员需要在严格的约束条件下同时优化多个性能指标。以往的方法主要依赖设计人员的经验或计算量庞大的仿真优化方法，导致设计周期长，成为整个线路开发过程中的瓶颈。

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基于Transformer的解决方案

这种方法的核心创新在于将Transformer架构（一种在自然语言处理领域取得突破性进展的神经网络）应用于模拟线路设计领域。Transformer能够捕捉不同元素之间的复杂关系，特别适合理解线路参数与性能指标之间的复杂相互作用。

图1：Transformer模型架构图，展示了包含多头注意力机制和前馈网络的编码器和解码器模块。

Transformer模型通过一系列复杂的操作处理线路信息。首先，将线路规格和结构进行输入嵌入，转换成Transformer可以处理的连续向量表示。然后进行位置编码，提供序列中元素相对或绝对位置的关键信息。多头注意力机制识别线路表示中不同部分之间的关系，使模型能够理解各个组件如何相互作用和影响整体性能。最后，前馈处理层将编码信息转换为最优线路参数的预测结果。

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基于DP-SFG的线路表示

图2：(a)主动电感线路原理图和(b)其DP-SFG表示，展示了如何将线路拓扑映射为图结构。

驱动点信号流图(DP-SFG)表示法创建了线路的全面数学模型。该表示法不仅捕捉节点间的电压和电流关系，还包含直接连接和组件之间的微妙相互作用。表示法考虑了组件参数及其相互作用，使得可以追踪线路一部分的变化如何影响其他区域。信号流路径被明确映射，清晰地展示了信号在设计中如何传播和转换。

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完整设计流程

图3：总体尺寸确定流程图，展示了数据预处理、Transformer模型、宽度估算器和验证阶段的集成。

自动化设计过程将多个复杂阶段整合为一个连贯的工作流程。过程始于预处理，将线路网表转换为其DP-SFG表示。然后将此图与性能规格一起转换为token，创建Transformer模型的输入序列。Transformer处理这些序列以预测最优器件参数，随后使用预计算查找表将这些参数转换为物理器件尺寸。最后的验证阶段确保结果设计满足所有指定的性能标准。

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器件参数预测

图4：5T-OTA的预测和仿真器件参数（gm和gds）对比散点图，显示沿45°线的强相关性。

相关性图显示预测值和仿真值之间存在强相关性，特别是对于跨导（gm）和输出电导（gds）等关键参数。通过在多样化的线路配置和性能规格数据集上进行仔细训练，实现了高度的准确性。

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实际实现

图5：(a)5T-OTA、(b)CM-OTA和(c)2S-OTA的原理图，展示了该框架可以处理的各种线路拓扑。

该方法已在三种不同的OTA拓扑上得到验证。5T-OTA代表了一种基础设计，以最小的复杂性实现良好性能。CM-OTA包含多个电流镜以增强性能特性，由于相互依赖组件数量增加，带来额外的尺寸设计挑战。2S-OTA将一级OTA与共源放大器结合，需要仔细平衡各级之间的参数以实现最佳性能。

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基于查找表的宽度估算

图6：查找表生成和表征过程，展示了器件参数如何映射到晶体管尺寸。

基于查找表的宽度估算器在将预测参数转换为物理器件尺寸方面具有创新性。查找表存储了器件工作条件（Vgs、Vds）、关键参数（gm、gds、Cds、Cgs）和晶体管尺寸之间经过仔细预计算的关系。这种方法消除了设计过程中迭代仿真的需求，显著加快了最终尺寸确定步骤，同时保持准确性。

该方法在所有测试拓扑中都展示了令人满意的结果，首次尝试达到规格的成功率超过90%。在初始预测略低于要求的情况下，系统仅需3-5次额外迭代即可完全符合规格。与传统方法相比，这是显著的改进，传统方法可能需要数百或数千次SPICE仿真才能达到类似结果。

这种方法通过将现代机器学习技术与传统线路知识相结合，实现了现代设计周期所需的速度和实际实施所需的准确性。计算负担和设计时间的减少，加上较高的成功率，使这种方法可有效应用于模拟线路设计领域。