第１章　概论new2008.ppt

1、模拟集成电路设计,主讲教师：常昌远 TEL：83791831-8206 Email: ,概 论,*模拟集成电路概述 重要性 基本概念 发展概况 *MPW介绍 *本课程使用的符号 *本课程基本内容与安排,集成电路重要性,集成电路是微电子技术的核心； IT产业的支柱：网络、计算机、通信 当今人类智慧结晶的最好载体，其强大无比的功能产生于： 重要的材料特性 重大的理论发现 奇特的结构构思 巧妙的技术发明 孜孜不倦的工艺实验 集成电路设计者就是这一系列理论和技术的集成者,集成电路（IC）的概念,Integrated Circuit的缩写； 通过一系列工艺 在单片半导体材料上（硅或者砷化镓） 加工出许多

2、元器件(有源和无源的) 按照一定要求连接起来 执行某一特定的功能 集成电路是电路的单芯片实现；,实际芯片照片,集成电路的特点,（1）集成在同一衬底需考虑寄生效应； （2）电路结构与元件参数具有对称性； （3）用有源器件代替无源器件； （4）采用复合结构的电路； （5）级间采用直接耦合方式； （6）电路中使用的二极管，多用作温度补偿元件或电位移动电路。,三极管与管的区别,1. 三极管是电流控制元件；管是电压控制元件。 2.三极管参与导电的是电子空穴，因此称其为双极型器件； 管是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子，因此称其为单极型器件。 3.三极管的输入电阻较低，一般102_104； 管的输入

3、电阻高，可达109_1014,集成电路的发展,集成电路发展的规律：摩尔定律（Moores Law） - Min. transistor feature size decreases by 0.7X every three years - True for at least 30 years! 后人对摩尔定律加以扩展： 即集成电路的发展： 工艺每三年升级一代； 集成度每三年翻二番； 特征线宽约缩小30左右； 逻辑电路（以CPU为代表）的工作频率提高约30。,集成电路的发展,集成电路工艺发展非常迅速，已从亚微米(0.5到1微米)进入到深亚微米(小于0.5微米)，进而进入到超深亚微米(小于0.25微

4、米，目前已经到了0.09微米)。其主要特点： 特征尺寸越来越小（最小的MOS管栅长或者连线宽度） 芯片尺寸越来越大（die size） 单片上的晶体管数越来越多 时钟速度越来越快 电源电压越来越低 布线层数越来越多 I/O引线越来越多,集成电路的发展,集成电路经历了从小规模集成（SSI）、中规模集成（MSI）、大规模集成（LSI）和超大规模集成电路(VLSI)、而达到目前的特大规模集成电路(ULSI)时代 ，目前还有人提出了GSI的说法。,集成电路的发展,自然界的物理量绝大部分都是以模拟量的形式呈现的， 如电、 磁、 光、 声音、 温度、 压力、 流量、 速度、 加速度等， 在强度和时间上都具

5、有“连续”的特性。,模拟信号,对模拟信号完成采集、放大、比较、变换等功能,在信号处理和传输中， 可能混入噪声和干扰， 那么低噪声放大、 弱信号放大、 预滤波等技术往往是必不可少的。 在宽带、 高速信号处理中， 特别是光信号处理与传输以及射频信号处理等领域中， 数字化困难较大， 所以模拟处理方法更为常用， 这也是当前为什么模拟电路又“兴旺”起来的原因之一。 随着微电子技术的发展， 数字处理和模拟处理往往融为一体， 数模混合的片上系统“SOC”必将得到进一步发展。,模拟集成电路重要性,模拟集成电路重要性,信息化的关键技术 SOC 必不可少 结构多样性-设计者的智慧 与工艺密不可分 赶超国外,模拟集

6、成电路发展方向,放大器将继续向更高速度、更低噪声、更大动态范围等方向发展； 数据转换器将继续向更高速度、更高精度等方向发展； 功率放大器将继续向更大功率、更高效率方向发展； 低功耗电路特别是便携式设备应用电路将继续向更低功耗、更低电源电压方向发展。,MOS集成电路， 有NMOS集成电路、 PMOS集成电路和CMOS集成电路三种， 其中CMOS集成电路由于集成度高， 功耗小， 随着工艺技术的进步， CMOS运行速度也很高， 噪声也较小，因而已经成为当前集成电路的主流技术； 分析与设计 分析：电路结构特性理解总结归纳答案唯一 设计：解决特定问题构思一个创造性过程 方案不唯一权衡得失,模拟集成电路分

7、析与设计,集成电路设计流程,分析与设计方法,建立直觉-完善理解-精确目标 电路设计的层次 器件级-晶体管级-电路级-系统级,模拟集成电路设计考虑,模拟集成电路设计考虑（续）,多因素的折中 噪声干扰敏感 器件的二次效应影响 PVT(2.7V-3.3V,0-70度) 手工设计 经验与直觉 理论模型,集成电路设计与检验特点,主要优点：不需电路试验板 具有具有监测电路任一处信号的能力 可方便地修改电路 可在不同的工艺和温度条件下分析 不足之处：模型精度问题 可能不收敛 仿真花费时间 无法代替人的思维,模拟集成电路设计的难度,工艺、器件物理、电路及系统等多方面知识，学习和掌握的难度大； 模拟电路形式多样

8、而灵活多变，设计指标的改变或工艺的变化，也可能导致原有设计的性能退化甚至失效。 模拟电路不但涉及到电路结构的设计，更关键的还在于电路参数的调整，在掌握基本理论的基础上，还需要有丰富的实践经验积累，才能成为一名合格的模拟集成电路设计师，而这一方面正是国内模拟IC设计人员比较欠缺的。,多晶圆项目工程流片简介,多项目晶圆(Multi Project Wafer ) MPW 将具有相同工艺的集成电路设计放在同一圆片上流片 每个设计项目可得到数十片芯片样品 实验费用就由所有参加MPW的项目按照芯片面积分摊 特点：极大的降低了实验成本 有利于IC设计人才的培养 新产品的开发研制,MPW示例,MPW流程,模

9、拟集成电路设计部分课题,滤波器设计 Design of Filter 比较器设计 Design of Comparator 高性能CMOS运放 High performance op amps high unity-gain bandwidth A high-speed CMOS op-amp A low-voltage CMOS op amp high CMRRLNA High-Swing 锁相环电路（phase-locked loop） 能隙参考电压源 (Bandgap Reference) 直流电源转换器(DC - DC Converter) 低压差 (ldo)稳定电源（lowdropo

10、ut）,第一次mpw,打通了集成电路设计EDA平台设计流程，完成了程序调试，完成了集成电路设计Cadence软件的规范使用手册的编写，主要有： Cadence 电原理图输入简易使用手册 Spectre的使用说明 Layout 版图操作手册 DRC规则检查简要指南 lvs规则检查简要指南。,选题,运放1（op1） 运放2（op2低阈值） 运放3（op3带缓冲输出） 高频振荡器（osc） 基准源（vref） 串并转换1（sp1） 串并转换2（sp2） 比较器（comp） 寄存器（latch）,基准源电路,版图尺寸：209m132m,模拟结果,测试结果,Smith振荡器,版图尺寸：162m149m,

11、串并转换1（sp1）,版图尺寸：180m154m,迟滞比较器,版图尺寸：162m149m,9个单元模块合并版图,第二次mpw选题,难度加大、结合研究生论文 低压低功耗运放的设计与实现 （亚阈值条件与轨到轨输入输出） 低温度系数基准源的设计与实现 （温度补偿与运放） 多级高增益运放的设计与实现（频率补偿与性能优化） 高psrr的ldo芯片的设计与实现（动态频率补偿与低压差） 高性能dcdc芯片的设计与实现（模型与补偿以及性能指标优化） 低pvt基准源与运放的设计与实现 增益可调VGA的设计,无电阻基准源,无电阻基准源版图,课程安排,介绍了模拟集成电路设计的背景知识，CMOS器件与模型，以及主要c

12、mos模拟电路的原理和设计，主要包括： CMOS基本单元电路(MOS二极管、有源电阻、电流漏、电流源、电流镜、带隙基准源、基准电流源和电压源等) 放大器 运算放大器 比较器,课程内容,本课程使用的符号,本课程使用的符号,本课程使用的符号,重点与特色,经典电路理论的介绍和应用、已有最新工作成果的总结、自身实际工作的总结和体会 重点讨论基于基本理论的芯片设计和应用，提高对实际电路深入分析能力，掌握电路设计的基本思想方法和流程，熟悉实际芯片中广泛采用的各种典型电路片结构。 对电路结构的提出及发展进行深入挖掘，掌握问题的来龙去脉，了解各种结构的优缺点和改进的思路。,参考书目,教材： Phillip E. Allen, Douglas R. Holberg, CMOS Analog Circuit Design(2nd), Oxford University Press,