集成电路EDA 课件4 第4章 模拟集成电路EDA

集成电路EDA第4章模拟集成电路设计与EDA本章学习目标熟练掌握模拟集成电路设计流程。了解Cadence可以进行模拟集成电路设计的工具。了解Synopsys可以进行模拟集成电路设计的工具。了解Mentor可以进行模拟集成电路设计的工具。了解上述三大公司在模拟集成电路设计方面软件工具的优势分别是什么。掌握一种模拟集成电路设计EDA软件仿真工具。4.1模拟集成电路设计流程模拟集成电路设计流程

1.架构的设计与验证前端设计物理设计2.设计定义3.执行设计4.仿真与设计指标比较与设计指标比较5.物理层设计6.物理层验证7.版图寄生参数9.测试和验证10.产品生产8.芯片制造芯片设计测试和产品开发模拟集成电路设计的一般流程如图4.1所示。图4.1模拟集成电路设计流程模拟集成电路设计流程

1.架构的设计与验证设计是从系统规格定义开始的，系统设计师不需要知道模块内部结构，只把整个系统与子系统看成具备输入与输出功能的“Blackbox”。2.设计定义这个阶段需要进一步把抽象的系统规格定义具体化，进一步明确设计的性能参数和具体要求。不仅要对每个模块进行功能定义，还要对时序、面积、功耗等性能参数进行定义。3.执行设计根据设计定义，选择合适的工艺库，基于模拟电路自身的特点，模拟电路至少这一步基本保持全定制的特点，需要手工设计完成。根据需求分析的结果，‌设计电路的原理图。模拟集成电路设计流程

4.仿真在原理图设计完成后，‌进行电路仿真以验证其功能和性能是否符合设计要求。借助EDA工具进行电路性能的仿真，电路不同需要仿真的内容也将会有不同。这可能包括直流扫描、‌交流分析和瞬态分析等，‌以确保电路在各种工作条件下都能正常工作。‌‌5.物理层设计‌原理图通过仿真验证后，‌需要进行版图设计。‌版图设计是将电路原理图转换为可以在半导体芯片上制造的实际布局。如果电路规模庞大，性能要求较高，这个步骤是十分复杂的，这一部分在涉及布局布线内容，布局布线版图设计都在这步骤完成。‌这一步需要考虑工艺规则、‌布局优化等因素。模拟集成电路设计流程

6.物理层验证版图设计完成后，‌需要进行设计规则检查‌和版图与原理图对比检查。设计规则检查确保版图符合工艺规则，‌而原理图对比检查则确保版图与原理图一致，‌没有错误或遗漏。‌7.版图寄生参数‌在进行DRC、LVS检查通过后，‌提取寄生参数并进行后仿真。‌这是因为在实际芯片制造过程中，‌由于工艺和金属互连等因素，‌会产生一些寄生电容和电阻，‌需要通过后仿真来验证电路在实际应用中的性能。‌模拟集成电路设计流程

8.芯片制造芯片制造过程并不属于设计范畴，这一步骤有独特的EDA工具。9.测试与验证最后，‌将设计好的版图交给代工厂进行流片，‌制造出实际的芯片，‌并进行测试以验证其性能是否符合设计要求。在整个设计流程中，‌还需要不断地进行迭代和优化，‌以确保设计的可靠性和性能。‌同时，‌与电路设计相关的软件工具也在这个过程中扮演着重要的角色，‌帮助设计师提高设计效率和准确性。‌4.2模拟集成电路设计EDA工具模拟集成电路设计EDA工具

模拟集成电路EDA工具首先要了解的就是Cadence。Cadence是电子设计师必须掌握的工具之一，具有广泛的应用支持，提供系统级至版图级的全线解决方案。除综合外，在系统设计，版图设计和验证等领域居行业领先地位，但是系统庞杂，工具众多，不易入手。模拟集成电路设计EDA工具

CadenceVirtuoso基本操作：1.打开主界面模拟集成电路设计EDA工具

CadenceVirtuoso基本操作：1.打开主界面。命令行窗口CIW：软件整体运行信息（error和warning在这里）Tools→LibraryManager库管理总览。

Tools→Library

PathEditor工艺库库修改与添加。模拟集成电路设计EDA工具

2.LibraryManager：文件管理总览模拟集成电路设计EDA工具

3.新建自己的库，选择File→New→Library开始。模拟集成电路设计EDA工具

选择工艺库。4.绘制原理图选择File→New→Cellview创建一个新的原理图。在Cell处对自己的原理图命名，点击OK，进入绘制界面。模拟集成电路设计EDA工具

4.绘制原理图在Cell处对自己的原理图命名，点击OK，进入绘制界面。模拟集成电路设计EDA工具

Schematic：原理图（直接拖动器件组成电路）。快捷键“F”可以将原理图缩放到合适的大小。模拟集成电路设计EDA工具

建立symbol快捷键“i”可以选择要放置的器件，Library选择工艺库，在Cell处输入名字，选择标准的View，即symbol，放置好一个NMOS。模拟集成电路设计EDA工具

点击放置的NMOS，快捷键“Q”

可以设置器件的相关参数，比如NMOS的尺寸等。模拟集成电路设计EDA工具

设置修改参数。在系统库analogLib中找到vdc、gnd，放置在图中。模拟集成电路设计EDA工具

添加电源与地快捷键“W”连线。模拟集成电路设计EDA工具

连线分别设置V0和V1两个电源的参数，V0的电压设置为vgs，V1的电压设置为vds，也可以将这两个电压设置为具体的数值，比如3v，这里为了仿真的时候将电压数值进行变化扫描，所以设置为变量。模拟集成电路设计EDA工具

点击左上角的Save&

Check按钮，没有报错即可，如果有，可以查看报错信息对应修改。模拟集成电路设计EDA工具

5.仿真点击Launch->ADEL,进入仿真界面，接下来就是设置仿真参数。模拟集成电路设计EDA工具

ADE

analogdesignenvironment：仿真环境模拟集成电路设计EDA工具

模拟集成电路设计EDA工具

在界面左侧右击，选择CopyFromCellview，这样设置的变量参数即可被添加进来。模拟集成电路设计EDA工具

然后对参数赋初值，双击对应项即可编辑参数。模拟集成电路设计EDA工具

点击Outputs→

ToBePlotted→

SelectOnDesign，可以选择要输出的参数曲线。选中线就是输出该线上的电压，选择节点就是输出该点的电流，选中的信号会闪烁或者被圈中。模拟集成电路设计EDA工具

模拟集成电路设计EDA工具

图中框选的窗口就是要输出的信号，Plot复选框就是要不要将线条画出来。选择Analyses→

Choose，dc直流分析

ac交流分析（小信号分析，用于out和in之间，可以分析闭环增益）

tran瞬态分析

noise噪声分析直流仿真选择dc，勾选DCAnalysis中的SaveDCOperatingPoint如图所示。参数可以根据实际需要修改。设置好点击OK。模拟集成电路设计EDA工具

点击工具栏中绿色的开始按钮就可以开始仿真，仿真结束会自动弹出仿真图。模拟集成电路设计EDA工具

模拟集成电路设计EDA工具

扫描参数仿真点击Tools

→ParametricAnalysis，可以改变不同Vgs作为参数进行仿真。模拟集成电路设计EDA工具

参数分析窗口（用于多个参数的扫描设置）ADE→Tools→Parametersanalysis后点击右上角开始按钮即可开始仿真，仿真结果如图。模拟集成电路设计EDA工具

6.版图窗口模拟集成电路设计EDA工具

4.3ADE基础功能仿真本小节以一个电阻为负载的共源放大器为例进行直流分析，分别进行直流工作点和直流特性扫描仿真，介绍直流分析的仿真流程。1.建立共源放大器电路

选择File→New→Library，弹出“NewLibrary”对话框，输入“ADE_example”建立设计库，如图

4.2所示。6.3.1直流仿真

图4.2建立设计库在图4.3所示的TechnologyFileforNewLibrary窗口中选择“Attachtoanexistingtechnologylibrary”选项，弹出“AttachDesignLibrarytoTechnologyFile”对话框，如图6.4所示，在“TechnologyLibrary”选项的下拉菜单中选择已经存放于CadenceIC启动目录下的工艺库“smic18ee”。6.3.1直流仿真

图4.3选择关联的工艺库文件图4.4将设计库关联至

SMIC18工艺库文件在CIW窗口选择File→New→Cellview，弹出“Cellview”对话框，在Cell输入框输入“amplifier”，如图4.5所示，点击OK按钮。6.3.1直流仿真

图4.5建立共源放大器电路从工艺库“simc18ee”中调用NMOSn18e2r，更改参数，分配宽长比为8μm/180nm。从理想工艺库“analogLib”中调用理想电阻“res”，设置电阻值为1.2K；再调用理想电容“cap”，设置电容值为500f。点击“P”键添加pin，其中VIN、VDD和GND类型为“input”，VOUT类型为“output”。先按下键盘“w”键，将NMOS管的衬底和源端相连。最后将电路全部元件连接起来，如图

4.6所示，完成共源放大器电路的建立。6.3.1直流仿真

图4.6共源放大器电路原理图2.直流工作点仿真1）添加激励。设置电源电压“VDD”的激励源“Function”为dc类型，先勾选Enabled，“DCvoltage”为“1.8”，最后再点击Apply；地“GND”的“DCvoltage”为“0”，最后再点击Apply；设置输入“VIN”的激励源“Function”为正弦信号“sin”，“Type”为“Voltage”，勾选Enabled，MOS管栅极偏置电压“DCvoltage”为“0.8”，小信号幅度Amplitude为“1m”，频率Frequency为“10M”，最后再点击OK如图4.7所示。6.3.1直流仿真

图4.7直流仿真激励设置2）在工具栏中选择Setup→ModelLibraries，弹出“ModelLibrarySetup”对话框，如图4.8所示，设置工艺库模型信息和工艺角。6.3.1直流仿真

图4.8设置工艺库模型信息和工艺角3）在ADE窗口中选择Analyses→Choose…，弹出对话框，从对话框中选中“dc”选项，选择“SaveDCOperatingPoint”，如图4.9所示，点击OK按钮，完成设置。6.3.1直流仿真

图4.9直流工作点仿真设置4）选择Stimulation→NetlistandRun，开始仿真。仿真结束后，选择Results→Print→DCNodeVoltages，用箭头在电路图中选择观测节点，就会输出该点电压值，此时输出节点的电压如图4.10所示。6.3.1直流仿真

图4.10输出节点的电压值5）在工具栏选择Results→Print→DCOperatingPoints，在电路图中要选择观测器件，输出该器件的直流工作点和各项参数，选择NMOS管，显示的部分输出结果如图4.11所示。6.3.1

直流仿真

图4.11晶体管部分直流工作点和器件参数6）选择Results→Annotate→DCNodeVoltages和Results→Annotate→DCOperatingPoints，电路图中显示在这个工作条件下各个节点电压和器件直流工作点，如图4.12所示。6.3.1

直流仿真

图4.12显示各个节点电压和器件直流工作点3.直流特性扫描仿真1）首先在“dc”设置对话框中选中“SaveDCOperatingPoint”，选择“Temperature”，设置仿真起始温度“Start”和结束温度“Stop”分别为“-40”和“125”，如图4.13所示。

6.3.1

直流仿真

图4.13温度扫描范围设置3.直流特性扫描仿真2）在ADE窗口选择Stimulation→NetlistandRun开始仿真。仿真结束后，得到输出电压随温度变化的仿真结果。结果如图4.14所示。

6.3.1直流仿真

图4.14输出电压随温度变化的仿真结果1．设置交流信号源作为激励源。在工具栏中选择Setup→Stimuli弹出“SetupAnalogStimuli”对话框，选中输入信号“VIN”，选择激励源“Function”为正弦信号“sin”，“Type”为“Voltage”，交流信号幅值“ACmagnitude”通常都设置为“1”直流偏置电压“DCvoltage”设置为“0.8V”。电源电压“VDD”和地“GND”的设置与直流仿真相同。

6.3.2交流仿真

图4.15交流仿真激励设置2．然后选择Analyses→Choose，弹出对话框，选择“ac”，在“Start”和“Stop”中分别输入起始频率“1”和终止频率“1G”，在“SweepType”中选择对数“Logarithmic”，在“PointsPerDecade”中填入100，如图4.16所示，点击OK按钮，完成设置。

6.3.2交流仿真

图4.16交流仿真设置3.选择Stimulation→NetlistandRun开始仿真。仿真结束后，选择Results→DirectPlot→MainForm，弹出对话框如图4.17所示，选择“dB20”和“Phase”（无需点击OK或者关闭此窗口，否则将看不到曲线）并点击输出端“VOUT”的连线，仿真结果如图4.18所示，还可以选择“Phase”查看放大器的相位。（右键曲线，Width→Thick，可以加粗曲线）

6.3.2交流仿真

图4.17“ac”输出结果选择6.3.2交流仿真

图4.18共源放大器的增益曲线6.3.3瞬态仿真通过瞬态仿真可以得到电路各节点的时域输出结果。1.瞬态仿真基本设置

瞬态仿真可以直观地显示电路输出，通过合理设置仿真条件来评估电路性能。在ADE窗口中，选择Analyses→Choose…，弹出对话框，从对话框中选中“tran”选项，如图4.19所示。图4.19“tran”设置对话框6.3.3瞬态仿真瞬态仿真准确度可通过“AccuracyDefaults”（errpreset）设置，包括“conservative”“moderate”“liberal”三种。此外，为满足个性化需求，电路设计者可对瞬态仿真进行高级设置，在图6.19窗口中点击“options”，对仿真参数和计算方法进行修改，如图4.20所示。图4.20“options”参数设置窗口6.3.3瞬态仿真2.实例分析

：1）设置激励源，在工具栏中选择Setup→Stimuli弹出“SetupAnalogStimuli”对话框，选中输入信号“VIN”，勾选“Enabled”，并选择激励源“Function”为正弦信号“sin”，“Type”为“Voltage”，直流偏置电压“DCvoltage”设置为“0.8V”，在“Amplitude”栏中输入幅度为“1m”，在“Frequency”栏中输入频率为“10M”，最后点击“Apply”。图4.21瞬态仿真激励设置6.3.3瞬态仿真2）点击Analyses→Choose，弹出对话框，选择“tran”进行瞬态仿真，在“StopTime”栏中输入仿真时间“1u”，在“AccuracyDefaults”中选择仿真最高准确度“conservative”，如图4.22所示，点击OK按钮，完成设置。图4.22瞬态仿真设置6.3.3瞬态仿真3）选择Simulation→NetlistandRun，开始仿真。仿真结束后，选择Results→DirectPlot→MainForm，如图4.23所示。“Function”中选择“Voltage”，直接在电路图中选择VIN端口和VOUT端口或其相应连线，得到瞬态波形如图4.24所示。图4.23瞬态仿真输出结果选择6.3.3瞬态仿真图4.24放大器瞬态特性仿真结果6.3.3瞬态仿真再单击左上“CreateNewSubwindow”，显示窗口下面将出现一个空的子窗口，将任意一条曲线拖进子窗口（如VIN曲线），两条曲线便能够分开显示（图4.25）。图4.25两条曲线便分开显示的设置（左）与窗口（右）6.3.4噪声仿真1．从理想器件库“analogLib”中调入端口“port”，如图4.26所示。将“Names”设置为“port0”在“DCvoltage”中输入直流偏置电压“800m”，并对原电路进行修改，如图4.27所示。最后将VDD设置为1.8V，GND设置为0V。图4.26“port”设置对话框6.3.4噪声仿真图4.27修改后的共源放大器电路6.3.4噪声仿真2.在ADE中选择Analyses→Choose…，弹出对话框，选择“noise”选项，在“SweepVariable”中选择“Frequency”。在“SweepRange”一栏里，起始频率“Start”中输入“1”；终止频率“Stop”中输入“1G”。在“SweepType”一栏里，选择“Automatic”。完成设置后如图4.28所示。图4.28噪声仿真设置6.3.4噪声仿真3.选择Simulation→NetlistandRun，开始仿真。仿真结束后，选择Results→DirectPlot→MainForm，弹出对话框如图4.29所示。点击“Plot”后，输出噪声波形如图4.30所示。图4.29噪声仿真输出选择对话框6.3.4噪声仿真图4.30输出噪声波形4.4基于CadenceVirtuoso的全差分放大器的模拟仿真全差分运算放大器在仿真中将计算放大器的增益、带宽、GBW（GainBandWidth）三个设计指标。电路图如图4.31所示。图4.31全差分运算放大器电路图全差分运算放大器创建全差分放大器的Symbol图。点击Create→Cellview→FromCellview，随后编辑名称，其余选项默认点击OK。选择各个Pin所处位置后点击OK。点击Create→Shape→Wire添加所需线条，保存后Symbol视图创建完成。点击Launch→ADEL出现ADEL窗口（图4.32）。图4.32ADEL窗口全差分运算放大器点击Analysis→Choose，进行设置，dc分析添加完毕。

1.进行直流仿真.确认电路无误并保存后，点击绿色运行按钮，出现运行代码，将其隐藏。而后在ADEL窗口中点击Result→Annotate即可选择查看各个结点电压或电流大小，以及器件的各个直流参数。左键双击放大器Symbol，会弹出图4.33窗