第7章-晶體管與模擬集成電路基本單元設(shè)計(jì)-pp課件

集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)與工具第7章

模擬集成電路晶體管級(jí)設(shè)計(jì)1PPT課件基本要求掌握模擬集成電路晶體管級(jí)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)流程和電路仿真類(lèi)型，掌握工藝角仿真的概念。2PPT課件內(nèi)容提要7.1模擬集成電路晶體管級(jí)的設(shè)計(jì)概論

7.2模擬集成電路晶體管級(jí)的設(shè)計(jì)流程

7.3模擬集成電路的電路仿真

7.4模擬集成電路的版圖設(shè)計(jì)要點(diǎn)3PPT課件7.1模擬集成電路晶體管級(jí)

的設(shè)計(jì)概論模擬集成電路的定義：模擬信號(hào)是在時(shí)間和幅度上都連續(xù)變化的信號(hào)。在客觀世界中，多數(shù)物理量都是以模擬形式存在的，因此分析和設(shè)計(jì)模擬集成電路對(duì)于模擬信號(hào)的處理具有重要的實(shí)際意義模擬集成電路是處理模擬信號(hào)的集成電路，其主要特點(diǎn)是，電路的輸入和輸出是一個(gè)或一些連續(xù)變化的模擬信號(hào)。電源，放大器，濾波器，ADC/DAC,PLL開(kāi)關(guān)電容電路？Transceiver:RF,ANALOG,DIGITAL數(shù)字化的趨勢(shì)4PPT課件802.11atransceiver5PPT課件RFIDTransceiverPekingUniversity,2010,JSSC6PPT課件分?jǐn)?shù)頻率綜合器PekingUniversity,2010,JSSC7PPT課件802.11atransceiver版圖PekingUniversity,2010,JSSC8PPT課件模擬集成電路與數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)的區(qū)別：要求電路的每一個(gè)組成單元必須是精確的，其性能與版圖設(shè)計(jì)的相關(guān)性比數(shù)字集成電路強(qiáng)得多。手工設(shè)計(jì)版圖其版圖設(shè)計(jì)從平面布局到各器件的幾何圖形的設(shè)計(jì)都要十分的“講究”，需要考慮的問(wèn)題往往比數(shù)字集成電路多得多。如果在電路級(jí)上而不是在邏輯級(jí)上來(lái)考慮和優(yōu)化一個(gè)數(shù)字集成電路的性能，這將與模擬集成電路有許多共同點(diǎn)，對(duì)高速數(shù)字集成電路的設(shè)計(jì)尤其如此。StandardCell9PPT課件

7.2模擬集成電路晶體管級(jí)的設(shè)計(jì)流程模擬集成電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)：涉及到速度、功耗、增益、精度、工作頻率帶寬等諸多因素，要根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求進(jìn)行適度的折中。模擬電路對(duì)噪聲、串?dāng)_和其他干擾信號(hào)比數(shù)字電路敏感得多。器件的二階效應(yīng)對(duì)模擬電路性能的影響比對(duì)數(shù)字電路的影響嚴(yán)重的多。（精度、噪聲、輸出阻抗等）（LOGIC,ANALOG和RF的模型精度）10PPT課件高性能模擬電路的設(shè)計(jì)：通常每一個(gè)器件都需要“手工設(shè)計(jì)”；而數(shù)字電路通常用自動(dòng)綜合和自動(dòng)布局布線的方法來(lái)完成。相對(duì)于數(shù)字IC設(shè)計(jì)，模擬IC設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)者的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)要求要高的多。模擬電路中許多效應(yīng)的建模和仿真仍然存在難題。11PPT課件前端設(shè)計(jì)后端設(shè)計(jì)集成電路設(shè)計(jì)流程設(shè)計(jì)目標(biāo)芯片系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)電路原理圖設(shè)計(jì)行為級(jí)/寄存器級(jí)/門(mén)級(jí)/晶體管級(jí)電路設(shè)計(jì)與仿真劃分功能模塊，系統(tǒng)級(jí)仿真功能與性能指標(biāo)電路版圖設(shè)計(jì)后仿真布局布線，規(guī)則驗(yàn)證寄生參數(shù)測(cè)試模擬集成電路設(shè)計(jì)數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)12PPT課件電路設(shè)計(jì)抽象級(jí)別結(jié)構(gòu)級(jí)系統(tǒng)級(jí)晶體管級(jí)器件物理級(jí)13PPT課件模擬集成電路設(shè)計(jì)模擬電路設(shè)計(jì)晶體管級(jí)原理圖設(shè)計(jì)SPICE仿真布局布線(Layout)物理規(guī)則驗(yàn)證(DRC:DesignRuleCheck)與電路圖一致性驗(yàn)證(LVS:Layoutvs.Schematic)寄生參數(shù)提取(PE:ParasiticalExtraction)后仿真GDSII文件CMOS、雙極(Bipolar)、Bi-CMOS14PPT課件

模擬集成電路設(shè)計(jì)流程圖見(jiàn)右圖,設(shè)計(jì)方法可稱(chēng)為自上至下的設(shè)計(jì)方法。該設(shè)計(jì)流程可分為前端設(shè)計(jì)和后端設(shè)計(jì)。通常，前端設(shè)計(jì)包括這個(gè)流程圖中由上至下的五個(gè)方框，即從性能指標(biāo)明細(xì)表到電路仿真以及判斷仿真是否通過(guò)；后端設(shè)計(jì)是從版圖設(shè)計(jì)開(kāi)始到芯片測(cè)試過(guò)程。

15PPT課件模擬集成電路的設(shè)計(jì)流程（1）性能指標(biāo)要求明細(xì)表詳細(xì)給出設(shè)計(jì)的模擬集成電路的指標(biāo)。（2）選擇合適的電路結(jié)構(gòu)

根據(jù)性能指標(biāo)從經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)出發(fā)，選擇合適的電路結(jié)構(gòu)。（3）手工計(jì)算電路元器件參數(shù)

根據(jù)模擬電路的理論,估算電路能夠?qū)崿F(xiàn)的性能指標(biāo)。（4）電路圖（或SPICE網(wǎng)表）編輯和修改采用某種電路編輯軟件,完成畫(huà)電路圖的任務(wù)，并通過(guò)仿真結(jié)果對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行修改。(HSPICE,SPECTRE,ADS)16PPT課件模擬集成電路的設(shè)計(jì)流程(續(xù))（5）電路仿真

(前仿真）對(duì)電路進(jìn)行仿真并反復(fù)修改其電路中元件參數(shù)以達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。（6）版圖設(shè)計(jì)和驗(yàn)證（Layout,DRC,LVS等）采用版圖設(shè)計(jì)軟件在指定的工藝規(guī)則下進(jìn)行該電路的版圖設(shè)計(jì)。（7）流片和測(cè)試（tapeout)

版圖形成GDS-II文件送到芯片制造公司流片,流片后做測(cè)試。（在片測(cè)試VS.封裝測(cè)試）17PPT課件7.3模擬集成電路的電路仿真模擬集成電路仿真的重要性：模擬集成電路晶體管級(jí)的電路仿真是確保模擬集成電路芯片設(shè)計(jì)成功的重要措施之一。（前提：器件精確的建模）集成電路的投片生產(chǎn)成本高。對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行全面而深入的電路仿真，找出設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，優(yōu)化電路中的器件參數(shù)，使電路的仿真結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求并留有較寬的余量。18PPT課件模擬集成電路仿真的類(lèi)型（1）直流工作點(diǎn)分析

仿真電路中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的直流工作電壓、流過(guò)電源的電流以及電路每個(gè)器件的直流參數(shù)。

（2）交流頻率分析

對(duì)電路中各待測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行頻率分析，得到該節(jié)點(diǎn)的幅頻和相頻特性曲線。（3）瞬態(tài)分析

電路中節(jié)點(diǎn)電壓和支路電流等相關(guān)變量的時(shí)域分析，即節(jié)點(diǎn)電壓或支路電流對(duì)時(shí)間變量的響應(yīng)。19PPT課件模擬集成電路仿真的類(lèi)型(續(xù))（4）傅立葉分析仿真電路中節(jié)點(diǎn)電壓或支路電流時(shí)域信號(hào)的直流分量、基波分量和諧波分量的幅度和相位，該分析用于電路的頻譜分析。（5）噪聲分析 仿真電路中節(jié)點(diǎn)電壓或支路電流的噪聲功率密度，分析計(jì)算電路中各種無(wú)源器件或有源器件產(chǎn)生的噪聲。（6）失真分析用于仿真電路中的諧波失真和內(nèi)部調(diào)制失真。20PPT課件模擬集成電路仿真的類(lèi)型(續(xù))（7）參數(shù)掃描分析

仿真電路中某個(gè)元件的參數(shù)在一定取值范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)電路直流工作點(diǎn)、瞬態(tài)特性、交流頻率特性的影響。（8）溫度掃描分析研究不同溫度下的電路特性。（9）極-零點(diǎn)分析用于求解交流小信號(hào)電路傳遞函數(shù)中極點(diǎn)和零點(diǎn)的個(gè)數(shù)及其數(shù)值。21PPT課件模擬集成電路仿真的類(lèi)型(續(xù))（10）傳遞函數(shù)分析求解電路的輸入源和電路的輸出電壓之間的傳遞函數(shù).

（11）直流和交流靈敏度分析研究元件參數(shù)變化對(duì)電路中節(jié)點(diǎn)電壓、支路電流的大小和頻響特性指標(biāo)的影響。（12）最壞情況分析通過(guò)仿真得到電路中元件參數(shù)在給定的誤差條件下，電路特性變化的最壞可能結(jié)果。22PPT課件模擬集成電路的工藝角仿真集成電路工藝制造過(guò)程中，由于環(huán)境溫度、摻雜濃度、曝光時(shí)間等各種制造條件的變化，會(huì)造成不同的晶片之間以及不同的批次之間模型參數(shù)的變化。為了在一定程度上保證芯片的性能和成品率，工藝工程師們以“工藝角”的形式給出了器件的模型參數(shù)。23PPT課件模擬集成電路的工藝角仿真(續(xù))將NMOS和PMOS晶體管的速度波動(dòng)范圍限制在由四個(gè)角所確定的矩形內(nèi)。這四個(gè)角分別是：快NMOS與快PMOS、慢NMOS與慢PMOS、快NMOS與慢PMOS、慢NMOS與快PMOS，如右圖所示。24PPT課件模擬集成電路的工藝角仿真(續(xù))CMOS工藝角的仿真模型文件:*MOSmodel*Themosmodelhas5cornersandeachnameasbelow:*.libtt:typicalnmos,typicalpmos

*.libff:fastnmos,fastpmos*.libfs:fastnmos,slowpmos*.libsf:slownmos,fastpmos*.libss:slownmos,slowpmos25PPT課件模擬集成電路的工藝角仿真(續(xù))這段注釋指明了該仿真模型文件包含了MOS器件參數(shù)的典型值和4個(gè)工藝角參數(shù)值，并分別以tt、ff、fs、sf和ss為標(biāo)識(shí)。在電路的Spice網(wǎng)表中，通過(guò).lib語(yǔ)句就可以選擇不同情況下的器件參數(shù)進(jìn)行電路仿真。26PPT課件7.4模擬集成電路的版圖設(shè)計(jì)要點(diǎn)版圖設(shè)計(jì)基本要求:

在整個(gè)集成電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，版圖設(shè)計(jì)是其中重要的一環(huán)，它將每個(gè)元件的電路表示轉(zhuǎn)換成物理設(shè)計(jì)。同時(shí)，元件間連接的線網(wǎng)也被轉(zhuǎn)換成幾何連線圖形。對(duì)于復(fù)雜的版圖設(shè)計(jì)，一般把版圖設(shè)計(jì)分成若干個(gè)子步驟進(jìn)行。1）版圖模塊分劃 為了將處理問(wèn)題的規(guī)?？s小，通常把整個(gè)電路劃分成若干個(gè)模塊，分別設(shè)計(jì)子單元模塊的版圖，然后再組合起來(lái)。27PPT課件2）版圖規(guī)劃和布局（Floor-planningandlayout） 其目的在于為每個(gè)模塊在整個(gè)芯片中選擇一個(gè)好的布圖方案，從而使得傳輸信號(hào)通路與非相關(guān)信號(hào)通路分隔開(kāi)，降低有用信號(hào)受干擾的程度。3）布線 布線是指根據(jù)一定的規(guī)則和電路的限制把布好局的各個(gè)模塊用互連線連接起來(lái)，并進(jìn)一步優(yōu)化布線結(jié)果。4）壓縮 壓縮是指布線完成后的優(yōu)化處理過(guò)程，其目的是為了進(jìn)一步的減小芯片的面積。28PPT課件版圖匹配設(shè)計(jì)

匹配設(shè)計(jì)，主要是晶體管匹配設(shè)計(jì)和電阻電容匹配設(shè)計(jì)。晶體管匹配設(shè)計(jì)是為了減小模擬電路的共模漂移電流和失調(diào)，電阻電容匹配設(shè)計(jì)是為了保證一定的匹配精度。還可抑制共模噪聲和偶次諧波。29PPT課件1）使用相同尺寸的