中科大模拟CMOS集成电路设计

1、12021-12-25电子科学与技术系IC & System 教研室黄 鲁模拟模拟CMOSCMOS集成电路设计集成电路设计22021-12-25l教材： 模拟CMOS集成电路设计 美 毕查德.拉扎维 著, 陈贵灿 等译 西安交通大学出版社 2003l参考文献： 1.CMOS模拟集成电路设计（第二版） Phillip E. Allen 等 著 电子工业出版社 2002 2.模拟集成电路设计与仿真 何乐年 王忆 编著 科学出版社 2008教材与参考文献32021-12-25l参考文献(续)： 3.模拟集成电路设计与仿真 何乐年 王忆 编著 科学出版社 2008 (工程硕士系列教材, Cadence

2、 Spectre 仿真)42021-12-25课程内容 第第1章章 模拟电路设计绪论模拟电路设计绪论 第第3章章 单级放大器单级放大器 第第5章章 无源与有源电流镜无源与有源电流镜 第第7章章 噪声噪声 第第9章章 运算放大器运算放大器 第第11章章 带隙基准带隙基准 第第2章章 MOS器件物理基础器件物理基础 第第4章章 差分放大器差分放大器 第第6章章 放大器的频率特性放大器的频率特性 第第8章章 反馈反馈 第第10章章 稳定性与频率补偿稳定性与频率补偿 第第12章章 开关电容电路开关电容电路课程设计（EDA实验）：使用Cadence和Mentor ，掌握模拟IC设计流程。52021-12

3、-25第第1章章 模拟电路设计绪论模拟电路设计绪论模拟电路的技术领域和重要用途举例:l 传感器信号调理与处理l 数模混合电路:ADC,DACl 射频收发器l 存储器读出放大器l 高速数字信号（LVDS，低压差分信号）l PAD与ESD（静电荷泄放）l Analog phase lock loops(PLL，时钟)l DC-DC conversion62021-12-25模拟集成电路分类 按种类:通用模拟IC, 专用模拟IC; 按信号频率: 低频模拟IC,高频模拟IC(射频IC). 通用模拟IC，主要包括：Bandgap reference (带隙基准)72021-12-25模拟集成电路设计的特

4、征 设计：电路拓扑结构，器件尺寸，版图。*电子设计自动化（EDA）水平低；*前后级电路接口互有影响，难以积木化；*性能指标繁杂：功耗、面积、增益、带宽、相位余量、压摆率、输入输出阻抗和动态范围、共模输入范围和抑制比、电源抑制比、失调电压、噪声、谐波失真(线性度)。；*拓扑结构众多，各种结构具有性能针对性；*器件尺寸对性能影响大；*工艺涨落造成设计困难；*对串扰敏感；*特别要保证电路的稳定性（不振荡！）。82021-12-25模拟设计的困难原因 速度、功耗、增益、精度速度、功耗、增益、精度 以及电源电压之间的以及电源电压之间的相互制约相互制约 噪声、串扰、温度的影响噪声、串扰、温度的影响 二级效

5、应二级效应 电路结构和参数基于人工设计电路结构和参数基于人工设计 建模的精确性建模的精确性 仿真时间长仿真时间长 工艺局制性工艺局制性 衬底噪声影响难以分析衬底噪声影响难以分析 需要鲁棒性设计：采用的电路结构应使得制造工艺、需要鲁棒性设计：采用的电路结构应使得制造工艺、电源电压、工作温度变化对信号的影响弱化。电源电压、工作温度变化对信号的影响弱化。92021-12-25Unique Features of Analog IC Design Geometry is an important part of the design Electrical Design = Physical Desig

6、n (layout) = Testing Usually implemented in a mixed analog-digital circuit Analog is 20% and digital 80% of the chip area Analog requires 80% of the design time Analog is designed at the circuit level Passes for success: 2-3 for analog, 1 for digital102021-12-25CMOS模拟集成电路的重要性 CMOS制造成本低，功耗小，速度随工艺尺寸的减

7、小而提高，数字IC采用CMOS； 因此，数模混合集成电路和SOC (system on chip)系统必然采用CMOS。 模拟集成电路（包括射频集成电路）决定了系统性能的极限。112021-12-25CMOS电路的缺点 器件噪声大 存在衬底串扰 (与GaAs砷化镓、SiGe锗硅工艺比较)122021-12-25模拟电路设计的一个重要概念：鲁棒性模拟电路特点：电路参数随制造工艺（P）、电源电压（V）和环境温度（T）而变化。必须使PVT的影响弱化！需要全面仿真和验证：各种工艺角（TPE,SS,FF,SF,FS），温度（低温、室温、高温），电源电压波动（15%）132021-12-25参数抽取才能后

8、仿Analog IC Design Flow142021-12-25Main work of each aspect Electrical Design:Physical Design:- Transistors and passive components- Busses for power and clock distribution- External connectionsTesting : experiment verification for the circuit after fabrication152021-12-25Comparison of Analog and Digi

9、tal CircuitsAnalog circuits:-Designed at circuit level ;Component is Customized;Requires precision modeling;EDA tools are difficult to apply;Difficult to route automatically;Dynamic range limited by power and noise and linearity.Digital circuits-Design at systems level;Component have fixed value (st

10、andard cell);Timing models only;EDA are successfully applied;Easy to route automatically;Dynamic range unlimited.162021-12-25Skills Required for Analog IC Design In general, analog circuits are more complex than digital Requires an ability to grasp multiple concepts simultaneously Must make appropri

11、ate simplifications and assumptions Requires a good grasp of both modeling and technology Be able to use simulation correctly (Usage of a simulator) * (Common sense on models) = Constant ; Simulators are only good if you already know the answers172021-12-25Implications(涵义涵义) of Advanced Technology T

12、he bad aspects:* Reduced voltages* More nonlinearity* Deviation from square-law behaviorThe good aspects:* Smaller geometries* Smaller parasitics* Higher transconductance* Higher bandwidthsThe ugly aspects:* Increased substrate noise in mixed signal applications* Threshold voltages are not scaling w

13、ith power supply* Reduced dynamic range182021-12-25SUMMARY* Analog circuits will continue to be a part of VLSI digital systems* Interference(干扰) and noise will become even more serious as the chip complexity increases* Analog circuits will always be at the cutting edge of performance* Analog designe

14、r must know: - Technology and modeling - Analog circuit design - VLSI digital design - System application concepts192021-12-25SUMMARY (cont.)* Analog IC design combines function with IC technology for a successful solution. *Analog IC design consists of three major steps: 1.) Electrical design = Topology, W/L values, and dc currents 2.) Physical design (Layout) 3.) Test design (Testing)* “If it can be done economical