第7章晶体管与模拟集成电路基本单元设计

1、集成电路设计技术与工具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基本要求v掌握掌握模拟集成电路晶体管级设计模拟集成电路晶体管级设计的的设计流程和电路仿真类型，设计流程和电路仿真类型，v掌握掌握工艺角仿真工艺角仿真的概念。的概念。 内容提要内容提要v 7.1 模拟集成电路晶体管级的设计概论模拟集成电路晶体管级的设计概论v 7.2 模拟集成电路晶体管级的设计流程模拟集成电路晶体管级的设计流程v 7.3 模拟集成电路的电路仿真模拟集成电路的电路仿真v 7.4 模拟集成电路的版图设计要点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模拟集成电路晶体管级的设计概论的设计概

2、论模拟集成电路模拟集成电路的定义：的定义：v模拟信号模拟信号是在时间和幅度上都连续变化的信号。在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，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具有重要的实际意义v模拟集成电路模拟集成电路是处理模拟信号的集成电路，其主要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。的模拟信号。v电源，放大器，滤波器，电源，放大器，滤波器，ADC/

3、DAC, PLL开关电容开关电容电路？电路？vTransceiver: Transceiver: RF,ANALOG,DIGITAL RF,ANALOG,DIGITAL v数字化的趋势数字化的趋势802.11a transceiverRFID TransceiverPeking University, 2010, JSSC分数频率综合器分数频率综合器Peking University, 2010, JSSC802.11a transceiver版图版图Peking University, 2010, JSSC模拟集成电路模拟集成电路与与数字集成电路数字集成电路设计的区别：设计的区别：v要求电路

4、的每一个组成单元必须是要求电路的每一个组成单元必须是精确精确的，的，其性能与版图设计的相关性比数字集成电路其性能与版图设计的相关性比数字集成电路强得多。强得多。 手工设计版图手工设计版图v其版图设计从平面布局到各器件的几何图形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的设计都要十分的“讲究讲究”，需要考虑的问，需要考虑的问题往往比数字集成电路多得多。题往往比数字集成电路多得多。v如果在如果在电路级电路级上而不是在逻辑级上来考虑和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，对集成电路有许多共同点，对高速数

5、字集成电高速数字集成电路路的设计尤其如此。的设计尤其如此。Standard CellStandard Cell 7.2 模拟集成电路晶体管级的设计流程模拟集成电路晶体管级的设计流程模拟集成电路的模拟集成电路的设计难点设计难点：v涉及到涉及到速度、功耗、增益、精度、工作频率带宽速度、功耗、增益、精度、工作频率带宽等等诸多因素，要诸多因素，要根据设计指标要求进行适度的折中根据设计指标要求进行适度的折中。v模拟电路对模拟电路对噪声、串扰和其他干扰信号噪声、串扰和其他干扰信号比数字电路比数字电路敏感得多。敏感得多。 v器件的器件的二阶效应二阶效应对模拟电路性能的影响比对数字电对模拟电路性能的影响比对数

6、字电路的影响严重的多。（精度、噪声、输出阻抗等）路的影响严重的多。（精度、噪声、输出阻抗等） （LOGIC, ANALOG 和和RF的模型精度）的模型精度）v高性能模拟电路的设计：通常每一个器件都高性能模拟电路的设计：通常每一个器件都需要需要“手工设计手工设计”；而数字电路通常用；而数字电路通常用自动自动综合和自动布局布线综合和自动布局布线的方法来完成。的方法来完成。v相对于数字相对于数字IC设计，模拟设计，模拟IC设计对设计者的设计对设计者的知识和经验知识和经验要求要高的多。模拟电路中许多要求要高的多。模拟电路中许多效应的建模和仿真仍然存在难题。效应的建模和仿真仍然存在难题。前端设计前端设计

7、后端设计后端设计集成电路设计流程集成电路设计流程设计目标设计目标芯片芯片系统级设计系统级设计电路原理图设计电路原理图设计行为级行为级/寄存器级寄存器级/门级门级/晶体管级电路设计与仿真晶体管级电路设计与仿真划分功能模块，系统级仿真划分功能模块，系统级仿真功能与性能指标功能与性能指标电路版图设计电路版图设计后仿真后仿真布局布线，规则验证布局布线，规则验证寄生参数寄生参数测试测试模拟集成电路设计模拟集成电路设计数字集成电路设计数字集成电路设计电路设计抽象级别电路设计抽象级别结构级结构级系统级系统级晶体管级晶体管级器件物理级器件物理级模拟集成电路设计模拟集成电路设计模拟电路设计模拟电路设计晶体管级原

8、理图设计晶体管级原理图设计SPICE仿真仿真布局布线布局布线(Layout)物理规则验证物理规则验证(DRC: Design Rule Check)与电路图一致性验证与电路图一致性验证(LVS: Layout vs. Schematic)寄生参数提取寄生参数提取(PE: Parasitical Extraction)后仿真后仿真GDSII文件文件CMOS、双极、双极(Bipolar)、Bi-CMOS性能指标要求明细表选择合适的电路结构手工计算电路器件参数电路图编辑和修改电路仿真满足指标要求？版图设计和验证满足设计要求？流片和封装测试是是是是否否否否 模拟集成电路设计流程模拟集成电路设计流程图图

9、见右图见右图 ,设计方法可称为设计方法可称为自上至下自上至下的设计方法。的设计方法。 该设计流程可分为该设计流程可分为前端前端设计设计和和后端设计后端设计。通常，。通常，前前端设计端设计包括这个流程图中由包括这个流程图中由上至下的五个方框，即从性上至下的五个方框，即从性能指标明细表到电路仿真以能指标明细表到电路仿真以及判断仿真是否通过；及判断仿真是否通过；后端后端设计设计是从版图设计开始到芯是从版图设计开始到芯片测试过程。片测试过程。 模拟集成电路的模拟集成电路的设计流程设计流程（1 1）性能指标性能指标要求明细表要求明细表 详细给出设计的模拟集成电路的详细给出设计的模拟集成电路的指标指标。

10、（2 2）选择合适的）选择合适的电路结构电路结构 根据性能指标从经济的观点出发，选择合适的根据性能指标从经济的观点出发，选择合适的电路结构电路结构。 （3 3）手工）手工计算电路元器件参数计算电路元器件参数 根据模拟电路的理论根据模拟电路的理论, , 估算电路能够实现的性能指标。估算电路能够实现的性能指标。（4 4）电路图（或电路图（或SPICESPICE网表）网表）编辑和修改编辑和修改 采用某种电路编辑软件采用某种电路编辑软件, ,完成画电路图的任务，并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。通过仿真结果对电路参数进行修改。(HSPICE,SPECTRE,ADS)(HSPICE

11、,SPECTRE,ADS)模拟集成电路的设计流程(续)（5 5）电路仿真电路仿真 ( (前仿真）前仿真） 对电路进行仿真并反复修改其电路中元件参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。数以达到设计目标要求。（6 6）版图设计和验证版图设计和验证 （Layout,DRC,LVSLayout,DRC,LVS等）等） 采用版图设计软件在指定的工艺规则下进行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。该电路的版图设计。 （7 7）流片和测试流片和测试 （tapeout)tapeout) 版图形成版图形成GDS-IIGDS-II文件送到芯片制造公司流片文件送到芯片制造公司

12、流片, , 流片后做测试。（在片测试流片后做测试。（在片测试VS.VS.封装测试）封装测试）7.3 模拟集成电路的电路仿真模拟集成电路的电路仿真模拟集成电路仿真的模拟集成电路仿真的重要性重要性：v模拟集成电路晶体管级的电路仿真是模拟集成电路晶体管级的电路仿真是确保模拟集成确保模拟集成电路芯片设计成功电路芯片设计成功的重要措施之一。（前提：器件的重要措施之一。（前提：器件精确的建模）精确的建模）v集成电路的投片生产成本高。集成电路的投片生产成本高。v对设计进行全面而深入的电路仿真，对设计进行全面而深入的电路仿真，找出设计中存找出设计中存在的问题，优化电路中的器件参数，使电路的仿真在的问题，优化电

13、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）直流工作点直流工作点分析分析 仿真电路中每个节点的直流工作电压、流过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。电源的电流以及电路每个器件的直流参数。 （2）交流频率交流频率分析分析 对电路中各待测节点进行频率分析，得到该对电路中各待测节点进行频率分析，得到该节点的节点的幅频和相频特性幅频和相频特性曲线。曲线。 （3）瞬态分析瞬态分析 电路中节点电压和支路电流等相关变量的时电路中节点电压和支路电流等相关变量的时域分析，即域分析，即节点

14、电压或支路电流节点电压或支路电流对时间变量对时间变量的响应。的响应。模拟集成电路仿真的类型(续)（4）傅立叶分析）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，该分析用于电路的析用于电路的频谱分析频谱分析。 （5）噪声分析）噪声分析 仿真电路中节点电压或支路电流的仿真电路中节点电压或支路电流的噪声功率密噪声功率密度度，分析计算电路中，分析计算电路中各种无源器件或有源器件产生各种无源器件或有源器件产生的噪声的噪声。 （6）失真分析）失真分析 用于仿真电路中的用于仿真电

15、路中的谐波失真和内部调制失真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、交流频率变化时，对电路直流工作点、瞬态特性、交流频率特性的影响。特性的影响。 （8）温度扫描分析温度扫描分析 研究不同温度下的电路特性。研究不同温度下的电路特性。 （9）极）极-零点分析零点分析 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。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）传递函数

16、分析 求解电路的输入源和电路的输出电压之间的求解电路的输入源和电路的输出电压之间的传递函数传递函数. （11）直流和交流灵敏度分析）直流和交流灵敏度分析 研究研究元件参数变化元件参数变化对电路中节点电压、支路对电路中节点电压、支路电流的大小和频响特性指标的影响。电流的大小和频响特性指标的影响。 （12）最坏情况分析）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。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v集成电路工艺制造过程中，由于环境温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

17、种制造条度、掺杂浓度、曝光时间等各种制造条件的变化，会造成件的变化，会造成不同的晶片之间以及不同的晶片之间以及不同的批次之间模型参数不同的批次之间模型参数的变化。的变化。v为了在一定程度上保证芯片的性能和成为了在一定程度上保证芯片的性能和成品率，工艺工程师们以品率，工艺工程师们以“工艺角工艺角” 的形的形式给出了器件的模型参数。式给出了器件的模型参数。模拟集成电路的模拟集成电路的工艺角仿真工艺角仿真(续)NMOS速度PMOS速度v将将NMOS和和PMOS晶晶体管的体管的速度波动范围速度波动范围限限制在由四个角所确定的制在由四个角所确定的矩形内。这四个角分别矩形内。这四个角分别是：是：快快NMO

18、S与快与快PMOS、慢慢NMOS与慢与慢PMOS、快快NMOS与慢与慢PMOS、慢慢NMOS与快与快PMOS，如右图所示。如右图所示。 模拟集成电路的工艺角仿真(续)CMOS工艺角工艺角的仿真模型文件的仿真模型文件:* MOS model *The mos model has 5 corners and each name as below: * .lib tt : typical nmos, typical pmos * .lib ff: fast nmos, fast pmos * .lib fs: fast nmos, slow pmos * .lib sf: slow nmos, fa

19、st pmos * .lib ss: slow nmos, slow pmos模拟集成电路的工艺角仿真(续)v这段注释指明了该仿真模型文件包含了这段注释指明了该仿真模型文件包含了MOS器件参数的器件参数的典型值和典型值和4个工艺角个工艺角参数值，并分参数值，并分别以别以tt、ff、fs、sf和和ss为标识。为标识。v在电路的在电路的Spice网表中，通过网表中，通过.lib语句就可以语句就可以选择不同情况下的器件参数进行电路仿真选择不同情况下的器件参数进行电路仿真。7.4 模拟集成电路的模拟集成电路的版图设计版图设计要点要点版图设计版图设计基本要求基本要求: :在整个集成电路设计过程中，在整个

20、集成电路设计过程中，版图设计版图设计是其中重要是其中重要的一环，它将每个元件的的一环，它将每个元件的电路表示电路表示转换成转换成物理设计物理设计。同时，元件间连接的线网也被转换成几何连线图形。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。子步骤进行。1 1）版图模块分划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。再组合起来。2）版图规划和布局版图规划和布局（Floor-planning and layout）其目的在于为每个模块在整个芯片中选择一个好的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。路分隔开，降低有用信号受干扰的程度。3）布线布线布线是指根据一定的布线是指根据一定的规则和电路的限制规