版图设计讲稿.ppt

1、其他元件,MOS集成电路是以MOS晶体管(MOSFET)为主要元件构成的电路，以及将这些晶体管连接起来的连线，此外，集成电阻，电容，以及 寄生三极管，二极管，等也是MOS集成电路中的重要元件.,集成电阻, 电阻 * 两端元件V=RI * 最基本的无源元件之一，是输入输出静电保护电路， 模拟电路中必不可少的元件 * 方块电阻，线性，寄生效应,集成电阻, 多晶硅电阻,P型衬底,场氧,多晶硅,* 多晶硅电阻做在场区上. * 其方块电阻较大, 因此可以作为电阻. 如在作电阻的多晶硅处注入杂质, 使其方块电阻变大, 可制作阻值很大的电阻. R=Rpoly-SiL/W * 典型值： Rpoly-Si=1k

2、,集成电阻, NWELL电阻,P型衬底,场氧,N+,N+,N阱,N阱,金属,* 因为阱是低掺杂的, 方块电阻较大, 因此大阻值的电阻亦可以用阱来做 R=RwellL/W * 典型值： Rwell=0.85k,N+ implant,active,集成电阻, NWELL电阻,* 非线性 * 典型值： * 寄生电容效应,集成电阻, MOS管电阻 * 工作在线性区的MOS管可用作电阻 * 它是一个可变电阻, 其变化取决于各极电压的变化：,集成电阻, 导线电阻 * 多晶硅导线 1015 / * 扩散区（N）2030 /,N+ implant,active,集成电容, 电容 * 两端元件，电荷的容器Q=C

3、V * 最基本的无源元件之一，是电源滤波电路，信号滤波电路，开关电容电路中必不可少的元件 单位面积电容，线性，寄生效应 电感式接近开关感应为金属物体 ；电容式感应为金属，塑料，粉末，液体等等物体,集成电容, 多晶硅-扩散区电容 * 电容作在扩散区上, 它的上极板是第一层多晶硅，下极板是扩散区, 中间的介质是氧化层 * 需要额外加一层版,P型衬底,N+,多晶硅1,多晶硅1,N+,N+ implant for cap,active,集成电容, 多晶硅-扩散区电容 * 线性特性,耗尽区,* 典型值,多晶硅1,底板寄生,* 底板寄生电容20%C,* 单位面积电容小于MOS栅电容,集成电容, 多晶硅-多

4、晶硅电容： * 电容作在场区上, 它的两个电极分别是两层多晶硅, 中间的介质是氧化层 * 线性特性和底板寄生与多晶硅-扩散区电容相近 * 典型值：0.7fF/um*um,P型衬底,场氧,多晶硅1,多晶硅2,集成电容, MOS电容： * 结构和MOS晶体管一样, 是一个感应沟道电容, 当栅上加电压形成沟道时电容存在. 一极是栅, 另一极是沟道, 沟道这一极由S(D)端引出.,* 电容的大小取决于面积, 氧化层的厚度及介电数.,Cch,Rs,* 单位面积电容最大的电容 * 沟道电阻问题,集成电容, MOS电容： * 非线性电容 适用于电源滤波 * 沟道长度需权衡考虑,MOS电容C/V特性,减小沟道

5、电阻的方法,集成电容, “夹心”电容 * 线性电容 * 电容值为： * 底板寄生电容大约为 (5060%C),P型衬底,C1,C2,C3,C4,Cp,C=C1+C2+C3+C4,多晶硅,金属1,金属2,金属3,金属4,衬底双极晶体管(BJT), 衬底BJT * 有源元件之一 * 对于N阱CMOS工艺，可实现PNP BJT * 可用于电压基准电路,衬底BJT, PNP BJT的版图和结构,P型衬底,场氧,N+,N阱,N阱,P型衬底,P+,P+,B,E,C,特点： 1）集电极C电压受到限制，须接地 2）基区宽度WB没有很好控制，电流增益差别较大 3）结构上的两个主要参数：基区宽度WB和BE结面积A

6、,WB,二极管（Diode）, 二极管 * 有源元件之一 * 对于N阱CMOS工艺，有PSD/NWELL和 NSD/P-epi两种Diode * 主要用于ESD保护电路,二极管, PSD/NWELL Diode的版图和结构,P型衬底,场氧,N+,N阱,N阱,P型衬底,P+,C,A,特点： 1）存在寄生PNP BJT问题，电流容易漏到衬底，BJT的beta范围可从10 2）有较大的串联寄生电阻 3）结构上的主要参数：结面积A,二极管, NSD/P-epi Diode的版图和结构,P型衬底,场氧,N+,P型衬底,P+,C,A,特点： 1）C端的电压要低于衬底电压才能正向导通 2）在ESD中用于抑制

7、负的尖峰电压 2）结构上的主要参数：结面积A,二极管, 电特性 * 饱和电流 IS正比于A * 电流-电压关系公式 * PN结电容,版图电路分析,芯片的解剖分析,目的：1）仿制 2）学习,版图电路分析,培养从版图提取电路的能力 学习版图设计的方法和技巧 复习和巩固基本的数字单元电路设计,MOS开关和反相器,MOS开关和反相器是MOS数字电路的最基本单元，理解和掌握它们的工作原理和电路特性，有助于分析更复杂的标准单元的版图和电路。,MOS开关和反相器,MOS开关 功能：当Vc控制开关导通时, 将Vin端的信息传送到Vout端;当Vc控制开关关闭时, 将Vin端和Vout端隔离. 分类: N沟开关

8、、 P沟开关、 CMOS开关,MOS开关和反相器,MOS开关 传输特性 N沟开关：传输高电平有阈值损失，导通电阻变化大 P沟开关：传输低电瓶有阈值损失，导通电阻变化大 CMOS开关： N沟和P沟互补，无阈值损失，近似线性电阻,MOS开关和反相器,MOS开关 开关逻辑 N沟开关：Y=CD+CU P沟开关：Y=CD+CU,MOS开关和反相器,MOS开关 开关逻辑 N沟开关串联： P沟开关串联：,C=C1+C2,C=C1 C2,MOS开关和反相器,MOS开关 开关逻辑 N沟开关并联： P沟开关并联：,C=C1+C2,C=C1 C2,MOS开关和反相器,MOS开关 开关逻辑 N沟开关连线 P沟连线 P

9、沟-N沟连线,B,约束条件：同时只有一个开关导通； 可扩展到n个开关连线,MOS开关和反相器,MOS开关 开关逻辑 CMOS反相器可以看成是两个开关的连线逻辑 满足同时只有一个开关导通的约束条件,MOS开关和反相器,MOS反相器 功能：逻辑求反, 即输出是输入的逻辑反信号 逻辑表达式及符号,MOS开关和反相器,MOS反相器 反相器的特性指标： 输出高电平 输出低电平 静态功耗: 输入为静止态时的功耗 阈值电平: 输出电平转换时所对应的输入电平 直流传输特性: VoVin 特性 瞬态特性: 电平转换时对负载电容的充放电速度,MOS开关和反相器,MOS反相器 分类 静态和动态 无比与有比（略）,(

10、a)采样保持,(b)预充求值,CMOS静态反相器,CMOS动态反相器,信号用电源电压维持,信号用电容上的电荷维持,MOS开关和反相器,MOS反相器 设计准则：上升时间和下降时间相等,设计要求：,如果：,则：,MOS开关和反相器,CMOS互补反相器 特性指标 输出高电平: VDD 输出低电平: 0 静态功耗: 0 充放电特性: tr tf 阈值电平: VDD /2,直流传输特性,功能上对WP/WN无要求，是一种无比反相器；但要达到上述充放电和阈值电平特性， WP/WN需满足上一页的要求,MOS开关和反相器,Vout,CMOS反相器版图实例 注意 多个反相器串联，前后管子尺寸之比 延时最小 1:2

11、3 功耗最小 1:210,基本逻辑单元,CMOS基本逻辑单元是由MOS开关（传输门）和反相器组合发展而成的电路, 在这里，给出版图，从中提取电路，分析其逻辑功能，以及版图设计的特点,基本逻辑单元,单元一版图,这些层的定义适用于后面所有单元,基本逻辑单元,单元一（与非门） 提取出来的电路 逻辑符号 逻辑功能 真值表,基本逻辑单元,单元二版图,去铝2,基本逻辑单元,单元二（或非门） 提取出来的电路 逻辑符号 逻辑功能 真值表,基本逻辑单元,单元三版图,基本逻辑单元,单元三（与门） 提取出来的电路 逻辑符号 逻辑功能 真值表,z=a1a2,基本逻辑单元,单元四版图,去铝2,基本逻辑单元,单元四（或门

12、） 提取出来的电路 逻辑符号 逻辑功能 真值表,z=a1+a2,基本逻辑单元,单元五版图,基本逻辑单元,单元五（同或） 提取出来的电路 逻辑符号 逻辑功能 真值表,基本逻辑单元,单元六版图,基本逻辑单元,单元六（异或） 提取出来的电路 逻辑符号 逻辑功能 真值表,基本逻辑单元,单元七版图,基本逻辑单元,单元七版图,去铝2,基本逻辑单元,单元七（2-4译码） 提取出来的电路 逻辑功能：2-4译码 真值表,基本逻辑单元,单元八版图,基本逻辑单元,单元八（带使能端的反相器） 提取出来的电路 逻辑符号 逻辑功能 真值表,基本逻辑单元,带使能端反相器的作用 简单反相器的缺陷 多个门的输出同时送入母线时，需要有使能控制，每个时刻，最多有一个门的使能有效，如果没有一个使能有效，则母线高阻,基本逻辑单元,单元九版图,基本逻辑单元,单元九