微电子与集成电路设计

CMOS模拟集成电路 分析与设计,为什么要研究模拟电路？,现代电路系统不可或缺的一部分 数字电路的信号处理能力不断增强 再强大也无法完全取代模拟电路在电路系统中的角色 RF、ESD、ADC、DAC、PLL 应用实例 自然界信号的处理 数字通信 磁盘驱动电路 无线接收器 光接收器 传感器 微处理器和存储器,自然界信号的处理,自然界信号是模拟量 声音、光、震动等,速度、精度、功耗,信号处理,信号太小时需要先放大,滤除信号频带外的干扰,探测器输出,数字通信,电缆数据传输 长距离、高速时 有限带宽，大衰减，不适于高速远距离传输 解决办法？,信号衰减、失真,数字通信,用下图示接收电路,磁盘驱动电路,磁盘数据读取 磁性信号数据磁头电信号数据 读取方法：放大滤波数字化,幅度仅几mV；有较大噪声和失真,无线接收器,RF接收器天线接收的信号 幅度仅几V，有很大干扰信号，中心频率1GHz以上,对接收电路要求 放大小信号，极低噪声 抑制干扰信号 高频工作 功耗，成本等,光接收器,光纤数据传输 极高带宽，很低损耗，适用于高速、远距离传输 电信号数据光信号数据电信号数据（小电流） 接收电路要低噪宽带，以高速检出小信号,1040Gb/s,传感器信号的处理电路,传感器系统 遍布生活各角落 力（加速度计），热（电子温度计），声（麦克风，超声系统），光（数码相机），磁（磁头），高能粒子（安检X光机）等 探测器信号的处理电路 放大、滤波、ADC、DSP、数据传输等,传感器信号的处理电路,加速度计探测器信号处理电路,检测该电容绝对值的变化量,1的改变量，高精度信号检出电路很难设计,检测两个电容的差值,降低信号检出电路的设计难度,微处理器和存储器,微处理器 典型的数字电路 高端CPU的设计离不开资深AIC设计师的参与 寄生电容/电阻/电感、封装等对电路性能指标（速度等）的影响 高速数据线、时钟线的时序正确 必须把很多数字信号当作模拟信号来考虑、处理 存储器 存储单元、灵敏放大器等都必须由AIC设计师设计。高速、大规模存储器更是如此,模拟电路的重要性,自然界中几乎所有的物理量在时间和强度上均具有“连续”的特性，都属于模拟量； 被处理的物理量在进行数字处理之前，需要进行放大、预滤波、采样和离散化处理，将模拟信号数字化； 经过数字处理后的数字信号需要还原成模拟信号，并且经过进一步放大才能成为能够被人接受的形式；,模拟电路的重要性,在宽带、高频信号（光信号、射频信号等)的处理中，数字化的难度极大，仍然需要采用模拟信号的处理方法（低噪声放大、模拟滤波等）； 工作频率很高的数字电路的设计，必须象模拟电路一样考虑电路分布参数的影响，设计方法与设计原则与模拟电路的设计一致； 数模混合的片上系统（SOC）的大量出现；,典型的信号处理系统的构成框图,模拟电路的重要性,结论,模拟电路是现代电路系统中必不可少的一部分 数字电路无法完全取代模拟电路 电子产业需要大量优秀的模拟电路设计师,集成和分立模拟电路的区别,模拟电路的实现方式 在PCB板上，用分离元件搭建电路系统 在一个衬底上加工出各类基本元件并实现元件间的互连，构成整个电路系统AIC 集成度在逐年增加，特征尺寸逐年下降（Moore定律），能集成的电路规模在增大,集成和分立模拟电路的区别,器件制备在同一衬底上 器件具有相似的性能参数，易于匹配。 器件参数由几何尺寸决定。 器件的品种和参数的限制 无源器件的面积大、参数的范围小、精度差。 MOS工艺中的Bipolar晶体管的品种少、性能差。 采用计算机仿真验证 无法用电路试验板验证。 计算机验证的直观性差，受仿真方法和器件参数的影响大,模拟电路为什么要走向IC？,AIC的优点 高集成度 高速度 高精度 低功耗 大批量时成本低,什么是模拟集成电路设计？,模拟集成电路设计是IC技术与功能或应用的结合的成功解决方案,特定模拟电路、或系统的功能和性能,合适的集成电路工艺,成功的设计结果,模拟集成电路设计的特点,21,几何尺寸是设计的重要部分； 通常涉及一个模-数混合电路； 模拟占20%数字占80%的芯片面积； 模拟需要80 %的设计时间； 模拟设计主要在电路级； 成功的设计: 2/3取决于模拟,1/3取决于数字。,模拟集成电路设计步骤,电路设计 物理版图设计 根据工艺版图设计规则设计器件、器件之间的互联、电源和时钟线的分布、与外部的连接 电路测试 电路制备后对电路功能和性能参数的测试验证。,模 拟 集 成 电 路 设 计 流 程,电路设计,物理设计,制作,测试和生产,模 拟 与 数 字 电 路 的 比 较,模拟电路,数字电路,信号在振幅上连续，时间上连续或离散,信号在振幅和时间上不连续， 二进制信号有两个状态。,设计在电路级水平,设计在系统级水平,元件必须有连续的值,元件尺寸固定,定制,标准,CAD工具难以适用,成熟的CAD设计工具,需要精确建模,时序模型即可,性能需要优化,利用软件可编程,模块非通用,模块通用,很难自动布线,易于自动布线,电源、噪音和线性度使动态范围受限,动态范围不受限,模拟信号和数字信号,模拟电路设计的难点在哪里？,设计关注点多：包括速度、功耗、增益、精度、电源电压等；数字电路主要是速度、功耗 高精度模拟电路对低噪声、低串扰、抗干扰等要求很高；数字电路在这方面要求低很多 器件的二阶效应对电路性能影响大；对工艺参数变化的敏感度比数字电路高很多 设计的自动化程度低，很多靠手工设计；数字电路设计自动化程度高 模拟电路的建模和仿真难度大，对设计者经验和直觉的要求高 针对DIC加工工艺设计、加工的AIC会增加设计难度 数模混合会增大AIC的设计难度,模拟集成电路设计所需技能,一般情况下，模拟电路比数字电路复杂得多； 需要同时掌握多个概念的能力； 必须能够作出适当的简化和假设； 需要同时掌握好建模和技术； 拥有广泛的技能面宽； 能够正确使用模拟仿真。,成熟的模拟集成电路设计,1.已经建立的应用领域 数-模拟、模-数转换； 磁盘驱动控制； 调制解调器-滤波器； 模拟锁相环； DC-DC 转换 光接收器 . 2.关于模拟电路的观点 “如果通过数字化能做到节约，不要使用模拟” 因此：模拟只是在速度、面积或电源比数字化更具有优势的地方采用,VLSI中模拟信号处理与数字信号处理,关键问题: 数摸混合是实际应用的需要 不受微缩驱动 受系统要求的驱动：可编程/适应性/可测性/可设计性,信号带宽与应用,信号带宽与技术,AIC的实现工艺,基于Si材料 双极工艺 核心元件为NPN、PNP晶体管 MOS工艺 核心元件为NMOS、PMOS晶体管 体硅工艺、SOI工艺等 基于其他材料 GaAs（极高迁移率，超高速）、锗等,用CMOS工艺实现AIC的优势？,CMOS工艺的核心元件MOSFET 金属-氧化物-半导体场效应晶体管 发明早（1930），在IC上实用晚（1960s初期） CMOS工艺 发明于60年代中期 特点：低功耗、高集成度、制造成本低 首先用于DIC，再用于AIC,用CMOS工艺实现AIC的优势？,与双极工艺比 优点 输入阻抗大，加工成本低，低功耗，易于实现数模混合电路（是实现SOC较佳选择），设计自由度大（小信号特性依赖于器件尺寸和直流偏量，双极只依赖于直流偏量） 缺点 低增益，速度慢（在改善，几十GHz），噪声大（也在改善）,抽象级别,抽象 从不同高度（角度）“观察”同一个事物 为什么要抽象？ 我们关心的对象或感兴趣的程度是变化的 把复杂度控制在一定范围内 抽象级别 器件级 晶体管级（电路级） 结构级 系统级 AIC设计师应能在不同抽象级间自由切换 成功的高性能IC都是分工协作、优势汇总的结果，IC设计师需要学会协作,抽象级别,总结,数字电路无法完全取代模拟电路，模拟电路是现代电路系统中必不可少的一部分 模拟电路设计的难点比数字电路不同 关注点、噪声和干扰、器件二阶效应、设计自动化程度、建模和仿真、工艺、数模混合 AIC具有高速度、高精度、低功耗、大批量时成本低等优点 用CMOS工艺设计、加工AIC具有加工成本低、易实现数模混合等优点，被广泛采用 模拟集成电路设计包括三个主要步骤： 电气设计_电路拓扑、沟道宽长比、直流电流源 物理设计_ 布局 测试设计_ 测试,总结,模拟设计者必须是灵活且有技能的人才，能了解复杂问题并使问题简化 模拟集成电路设计是靠改进技术推进，而不是新技术 模拟集成电路设计已经成熟并相对稳定 一般的观点是：“如果通过数字化能做到经济节约，不要使用模拟” 因此，模拟只是在速度、面积或电源比数字化更具有优势的地方采用 深亚微米技术向模拟设计师的创造力提出了严峻挑战,模拟集成电路的设计流程,1.电路设计 2.电路仿真（模拟） 3.版图设计 4.版图的验证（DRC LVS） 5.寄生参数提取 6.后仿真 7.流片,全定制,电路模拟,电路设计：根据电路性能确定电路结构和元件参数， 没有自动设计软件 设计人员根据电路性能要求，初步确定电路结构和元件参数，利用电路模拟软件进行模拟分析，判断修改 电路模拟：根据电路的拓扑结构和元件参数将电路问题转换成适当的数学方程并求解，根据计算结果检验电路设计的正确性 模拟对象：元件 优点：不需实际元件、可作各种模拟甚至破坏性模拟,电路模拟,在集成电路设计中起的作用： 版图设计前的电路设计，保证电路正确（包括电路结构和元件参数） 有单元库支持：单元事先经过电路模拟 无单元库支持的全定制设计：由底向上，首先对单元门电路进行电路设计、电路模拟，依此进行版图设计，直至整个电路 后仿真：考虑了寄生参数，由电路模拟预测电路性能 典型软件：SPICE、HSPICE,SPICE的设计流程,电路模拟的基本功能,可处理的元器件：电阻、电容、电感、互感、独立电流源、电压源、传输线、四种受控源、四种器件（二极管、双极管、结型场效应管、MOS）等 可完成的分析功能： 直流分析：典型的是求解直流转移特性(.DC)，输入加扫描电压或电流，求输出和其他节点（元件连接处）电压或支路电流；还有 .TF、.OP、.SENSE 交流分析(.AC)：以频率为变量，在不同的频率上求出稳态下输出和其他节点电压或支路电流的幅值和相位。噪声分析和失真分析,瞬态分析(.TRAN)：以时间为变量，输入加随时间变化的信号，计算输出和其节点电压或支路电流的瞬态值。 温度特性分析(.TEMP)：不同温度下进行上述分析，求出电路的温度特性 电路模拟软件的基本结构 五部分组成：输入处理、元器件模型处理、建立电路方程、方程求解和输出处理,电路模拟的基本功能,电路模拟程序流程图,电路模拟软件的基本结构,输入处理：主要完成对输入文件进行编译，词法语法检查、存储输入数据、其他（元件预处理等） 模型处理：元器件的数学模型：用数学公式描述器件的电流电压特性、与物理参数和工艺参数的关系 主要是非线性元件的模型：如MOS、BJT、二极管等 这些模型编入模型库，可调用；也可自行定义后加 入模型库 电路模拟的精度：模型精度、参数选取,电路模拟软件的基本结构（续）,建立电路方程 根据电路结构、元件参数、分析要求，建立方程 依据的基本原理是欧姆定律和基尔霍夫定律 建立的方法很多 方程求解 数值解法：线性代数方程组解法、非线性方程组解法、 常微分方程组解法 线性电路的直流分析：选主元的高斯消去法或LU分解法 非线性电路的直流分析：对非线性元件进行线性化处理， 迭代方法 交流分析：线性电路、非线性电路，处理同上 瞬态分析：常微分方程组，通过数值积分转换 输出处理：选择输出内容和输出方式（表格和曲线）,电路描述,较大规模电路，一般用电路图输入，相应的编译程序转换为电路描述语言再进行模拟。 电路描述语言：描述电路结构、元件参数、器件模型、电路运行环境、分析类型和输出要求等 电路描述前首先要画好电路图，节点编号（接地节点零号，其他正整数） SPICE的描述语言： 电路拓扑（网表） 采用模型（元件属性） 仿真内容控制,电路描述举例,CMOS INVERTER DC TRANS. CHARACTERISTICS VCC 2 0 5 VIN 1 0 M1 3 1 2 2 MOD1 L=2U W=18U M2 3 1 0 0 MOD2 L=2U W=10U .MODEL MOD1 PMOS LEVEL=3 VTO= 1 NSUB=2E15 UO=166 .MODEL MOD2 NMOS LEVEL=3 VTO=1 NSUB=2E15 UO=550 .DC VIN 0 5 0.1 .PLOT DC V(3) .END,元件语句： 元件名 与之相连的节点号（D，G，S，G） 元件参数(模型名，模型语句与元件语句分开),HSPICE（High accuracy SPICE）高精确度的SPICE,相比于SPICE，HSPICE特点 快速收敛； 具有多种精确的器件模型； 采用层次化方法命名节点； 可以为多种分析类型输出波形图； 可以依据电路性能要求和测量数据进行参数优化，自动产生模型参数和元器件值； 具有良好的建立单元库的功能； 可以进行统计容差分析，分析元件及模型参数变化对电路性能的影响； 允许Monto