第7章 晶体管与模拟集成电路基本单元设计

集成电路设计技术与工具 第7章模拟集成电路晶体管级设计 基本要求 掌握模拟集成电路晶体管级设计的设计流程和电路仿真类型 掌握工艺角仿真的概念 内容提要 7 1模拟集成电路晶体管级的设计概论7 2模拟集成电路晶体管级的设计流程7 3模拟集成电路的电路仿真7 4模拟集成电路的版图设计要点 7 1模拟集成电路晶体管级的设计概论 模拟集成电路的定义 模拟信号是在时间和幅度上都连续变化的信号 在客观世界中 多数物理量都是以模拟形式存在的 因此分析和设计模拟集成电路对于模拟信号的处理具有重要的实际意义模拟集成电路是处理模拟信号的集成电路 其主要特点是 电路的输入和输出是一个或一些连续变化的模拟信号 电源 放大器 滤波器 ADC DAC PLL开关电容电路 Transceiver RF ANALOG DIGITAL数字化的趋势 802 11atransceiver RFIDTransceiver PekingUniversity 2010 JSSC 分数频率综合器 PekingUniversity 2010 JSSC 802 11atransceiver版图 PekingUniversity 2010 JSSC 模拟集成电路与数字集成电路设计的区别 要求电路的每一个组成单元必须是精确的 其性能与版图设计的相关性比数字集成电路强得多 手工设计版图其版图设计从平面布局到各器件的几何图形的设计都要十分的 讲究 需要考虑的问题往往比数字集成电路多得多 如果在电路级上而不是在逻辑级上来考虑和优化一个数字集成电路的性能 这将与模拟集成电路有许多共同点 对高速数字集成电路的设计尤其如此 StandardCell 7 2模拟集成电路晶体管级的设计流程 模拟集成电路的设计难点 涉及到速度 功耗 增益 精度 工作频率带宽等诸多因素 要根据设计指标要求进行适度的折中 模拟电路对噪声 串扰和其他干扰信号比数字电路敏感得多 器件的二阶效应对模拟电路性能的影响比对数字电路的影响严重的多 精度 噪声 输出阻抗等 LOGIC ANALOG和RF的模型精度 高性能模拟电路的设计 通常每一个器件都需要 手工设计 而数字电路通常用自动综合和自动布局布线的方法来完成 相对于数字IC设计 模拟IC设计对设计者的知识和经验要求要高的多 模拟电路中许多效应的建模和仿真仍然存在难题 集成电路设计流程 设计目标 芯片 系统级设计 电路原理图设计 电路版图设计 后仿真 测试 模拟集成电路设计数字集成电路设计 电路设计抽象级别 结构级 系统级 晶体管级 器件物理级 模拟集成电路设计 模拟电路设计 晶体管级原理图设计 SPICE仿真 布局布线 Layout 物理规则验证 DRC DesignRuleCheck 与电路图一致性验证 LVS Layoutvs Schematic 寄生参数提取 PE ParasiticalExtraction 后仿真 GDSII文件 CMOS 双极 Bipolar Bi CMOS 模拟集成电路设计流程图见右图 设计方法可称为自上至下的设计方法 该设计流程可分为前端设计和后端设计 通常 前端设计包括这个流程图中由上至下的五个方框 即从性能指标明细表到电路仿真以及判断仿真是否通过 后端设计是从版图设计开始到芯片测试过程 模拟集成电路的设计流程 1 性能指标要求明细表详细给出设计的模拟集成电路的指标 2 选择合适的电路结构根据性能指标从经济的观点出发 选择合适的电路结构 3 手工计算电路元器件参数根据模拟电路的理论 估算电路能够实现的性能指标 4 电路图 或SPICE网表 编辑和修改采用某种电路编辑软件 完成画电路图的任务 并通过仿真结果对电路参数进行修改 HSPICE SPECTRE ADS 模拟集成电路的设计流程 续 5 电路仿真 前仿真 对电路进行仿真并反复修改其电路中元件参数以达到设计目标要求 6 版图设计和验证 Layout DRC LVS等 采用版图设计软件在指定的工艺规则下进行该电路的版图设计 7 流片和测试 tapeout 版图形成GDS II文件送到芯片制造公司流片 流片后做测试 在片测试VS 封装测试 7 3模拟集成电路的电路仿真 模拟集成电路仿真的重要性 模拟集成电路晶体管级的电路仿真是确保模拟集成电路芯片设计成功的重要措施之一 前提 器件精确的建模 集成电路的投片生产成本高 对设计进行全面而深入的电路仿真 找出设计中存在的问题 优化电路中的器件参数 使电路的仿真结果满足设计指标要求并留有较宽的余量 模拟集成电路仿真的类型 1 直流工作点分析仿真电路中每个节点的直流工作电压 流过电源的电流以及电路每个器件的直流参数 2 交流频率分析对电路中各待测节点进行频率分析 得到该节点的幅频和相频特性曲线 3 瞬态分析电路中节点电压和支路电流等相关变量的时域分析 即节点电压或支路电流对时间变量的响应 模拟集成电路仿真的类型 续 4 傅立叶分析仿真电路中节点电压或支路电流时域信号的直流分量 基波分量和谐波分量的幅度和相位 该分析用于电路的频谱分析 5 噪声分析仿真电路中节点电压或支路电流的噪声功率密度 分析计算电路中各种无源器件或有源器件产生的噪声 6 失真分析用于仿真电路中的谐波失真和内部调制失真 模拟集成电路仿真的类型 续 7 参数扫描分析仿真电路中某个元件的参数在一定取值范围内变化时 对电路直流工作点 瞬态特性 交流频率特性的影响 8 温度扫描分析研究不同温度下的电路特性 9 极 零点分析用于求解交流小信号电路传递函数中极点和零点的个数及其数值 模拟集成电路仿真的类型 续 10 传递函数分析求解电路的输入源和电路的输出电压之间的传递函数 11 直流和交流灵敏度分析研究元件参数变化对电路中节点电压 支路电流的大小和频响特性指标的影响 12 最坏情况分析通过仿真得到电路中元件参数在给定的误差条件下 电路特性变化的最坏可能结果 模拟集成电路的工艺角仿真 集成电路工艺制造过程中 由于环境温度 掺杂浓度 曝光时间等各种制造条件的变化 会造成不同的晶片之间以及不同的批次之间模型参数的变化 为了在一定程度上保证芯片的性能和成品率 工艺工程师们以 工艺角 的形式给出了器件的模型参数 模拟集成电路的工艺角仿真 续 将NMOS和PMOS晶体管的速度波动范围限制在由四个角所确定的矩形内 这四个角分别是 快NMOS与快PMOS 慢NMOS与慢PMOS 快NMOS与慢PMOS 慢NMOS与快PMOS 如右图所示 模拟集成电路的工艺角仿真 续 CMOS工艺角的仿真模型文件 MOSmodel Themosmodelhas5cornersandeachnameasbelow libtt typicalnmos typicalpmos libff fastnmos fastpmos libfs fastnmos slowpmos libsf slownmos fastpmos libss slownmos slowpmos 模拟集成电路的工艺角仿真 续 这段注释指明了该仿真模型文件包含了MOS器件参数的典型值和4个工艺角参数值 并分别以tt ff fs sf和ss为标识 在电路的Spice网表中 通过 lib语句就可以选择不同情况下的器件参数进行电路仿真 7 4模拟集成电路的版图设计要点 版图设计基本要求 在整个集成电路设计过程中 版图设计是其中重要的一环 它将每个元件的电路表示转换成物理设计 同时 元件间连接的线网也被转换成几何连线图形 对于复杂的版图设计 一般把版图设计分成若干个子步骤进行 1 版图模块分划为了将处理问题的规模缩小 通常把整个电路划分成若干个模块 分别设计子单元模块的版图 然后再组合起来 2 版图规划和布局 Floor planningandlayout 其目的在于为每个模块在整个芯片中选择一个好的布图方案 从而使得传输信号通路与非相关信号通路分隔开 降低有用信号受干扰的程度 3 布线布线是指根据一定的规则和电路的限制把布好局的各个模块用互连线连接起来 并进一步优化布线结果 4 压缩压缩是指布线完成后的优化处理过程 其目的是为了进一步的减小芯片的面积 版图匹配设计 匹配设计 主要是晶体管匹配设计和电阻电容匹配设计 晶体管匹配设计是为了减小模拟电路的共模漂移电流和失调 电阻电容匹配设计是为了保证一定的匹配精度 还可抑制共模噪声和偶次谐波 1 使用相同尺寸的叉指 fing