ch01-模拟集成电路设计绪论课件.ppt

1、模拟模拟CMOS集成电路设计集成电路设计张博张博模拟模拟CMOS集成电路设计集成电路设计 美 理查德拉扎维 著西安交通大学出版社第一章模拟集成电路设计绪论自然界信号的处理（a）自然界信号的数字化）自然界信号的数字化 （b）增加放大器和滤波器以提高灵敏度）增加放大器和滤波器以提高灵敏度高速、高精度、低功耗高速、高精度、低功耗ADC的设的设计是模拟电路设计中的难题之一计是模拟电路设计中的难题之一高性能放大器和滤波器高性能放大器和滤波器设计也是热点研究课题设计也是热点研究课题数字通信数字信号通过有损电缆的衰减和失真数字信号通过有损电缆的衰减和失真失真信号需放大、滤波和数字化后才能处理失真信号需放大、

2、滤波和数字化后才能处理数字通信使用多电平信号以减小所需的带宽使用多电平信号以减小所需的带宽1011010010组合二进制数据组合二进制数据多电平信号多电平信号确定所传送电平确定所传送电平DACADC传送端传送端接收端接收端磁盘驱动电子学存储数据存储数据恢复数据恢复数据硬盘存储和读出后的数据硬盘存储和读出后的数据无线接收机无线接收天线接收到的信号无线接收天线接收到的信号(幅度只有几微伏幅度只有几微伏)和噪声频谱和噪声频谱接收机放大低电平信号时必须具有极小噪接收机放大低电平信号时必须具有极小噪声、工作在高频并能抑制大的有害成分。声、工作在高频并能抑制大的有害成分。光接收机光纤系统光纤系统转换为一个

3、小电流转换为一个小电流高速电流处理器高速电流处理器激光二极管激光二极管光敏二极管光敏二极管传感器(a)简单的加速度表简单的加速度表(b)差动加速度表差动加速度表汽车触发气囊的加速度检测原理图汽车触发气囊的加速度检测原理图为什么是模拟CMOS集成电路设计 首先，MOSFET的特征尺寸越来越小，本征速度越来越快（已可与双极器件相比较），现在几GHz几十GHz的CMOS模拟集成电路已经可批量生产。SOC芯片中同时包含有大量的模拟、数字电路，由于CMOS以其低成本、低功耗已成为现代大规模数字集成电路设计及制造的首选，与数字集成电路技术兼容的CMOS模拟集成电路技术可降低SOC芯片的制造及封装成本。因此

4、CMOS电路已成为当今SOC设计的主流制造技术。CMOS技术的发展及展望技术的发展及展望时间1980 1983 1982 1989 1995 2001 2004 2010L(m)3.02.01.20.50.350.180.130.07电源电压（电源电压（V）L模拟设计困难的原因A.模拟设计涉及到在速度、功耗、增益、精度、电源电压等多种因素间进行折衷，而数字电路只需在速度和功耗之间折衷。B.模拟电路对噪声、串扰和其它干扰比数字电路要敏感得多。C.器件的二级效应对模拟电路的影响比数字电路要严重得多。D.高性能模拟电路的设计很少能自动完成，而许多数字电路都是自动综合和布局的。模拟设计困难的原因E.模

5、拟电路许多效应的建模和仿真仍然存在问题，模拟设计需要设计者利用经验和直觉来分析仿真结果。F.现代集成电路制造的主流技术是为数字电路开发的，它不易被模拟电路设计所利用（如特征尺寸减小导致器件迁移率下降、沟道调制效应增大；电源电压的下降使以前的一些电路设计技术受到限制等），为了设计高性能的模拟电路，需不停开发新的电路和结构。模拟电路基础知识数字逻辑设计知识高频电路射频集成电路模拟集成电路模拟集成电路设计数字集成电路设计模拟数字混合信号集成电路高速数字集成电路.SOCCPU.DSP电路设计一般概念抽象级别鲁棒性鲁棒性(Robust)器件和电路的参数随工艺(Process)、电源电压(Supply V

6、oltage)和环境温度（ambient Temperature）（简称PVT）变化而变化。电路设计的目标是在指定的PVT范围之内电路性能变化在一个允许的范围之内。从电路到芯片从电路到芯片电 路 技 术 规 范 确 定结 构 选 择 电 路 设 计仿 真版 图 设 计物 理 验 证（DRC,ERC,LVS）参 数 提 取后 仿 真电 路 仿 真 工 具版 图 设 计 工 具器 件 模 型工 艺 参 数封 装 模 型设 计 规 则仿 真 激 励模拟集成电路设计流程模拟集成电路设计流程技术规范确定技术规范确定电气条件电气条件 极限工作条件：电源电压、输入电压范围、工作温度范围、存储温度范围 静态参

7、数：输入输出电压、电流、功耗 动态工作参数：工作频率、上升下降时间、建立保持时间功能：功能：真值表、状态图，输入输出曲线指标：指标：频率响应、电源抑制比、共模抑制比、稳定时间、增益、增益误差，其他：其他：ESD，I/O电容、测量条件、引脚对应、电路设计考虑：电路设计考虑：设计容限：设计容限：制造误差：Fast、Typical、Slow温度变化：0 25 70（商业）-55 25 125（军品）电源变化：VDD (110%)Desing ConnerVDD,T,fast PMOS,fast NMOSVDD,T,slow PMOS,slow NMOSTypical芯片封装影响：芯片封装影响：功能：

8、提供保护、散热和系统连接。影响因素：引脚数目管芯大小热阻安装方式电气特性DEBUGTrimming（调整）模拟模拟CMOS集成电路中的元件集成电路中的元件1 MOS晶体管晶体管模型参数晶体管模型参数晶体管模型参数随着工艺过程参数的变化会发生漂移根据特性漂移的范围确定模型参数的变化范围，一般划分成（fast,typical和slow）电路的模拟应当考虑模型参数的变化，一般是3或5Conner二极管二极管无源元件电阻无源元件电阻制造过程中没有专门制造电阻的步骤，使用导电层制作电阻单位电阻值：阱 扩散区多晶硅金属电阻值的计算：L/W无法制造精密电阻小电阻有较大的误差（50）面积和误差的折中考虑接触孔

9、和引脚上的电阻无源元件电容PN结电容非线性（与电压有关）单位面积电容量较大平板电容电容值固定构造简单误差100无源元件电感电感值小Q值低未能很好地建立模型电路模拟功能验证电路模拟功能验证模拟输入应当包含足够的初始化时间模拟输入应当使电路的每个节点都有变化（翻转）的机会模拟输入的数量应当能够覆盖电路的所有功能模拟结果不应该有错误尽量采用结构化模拟验证功能验证时不考虑模型参数变化电路模拟指标验证电路模拟指标验证评估电路性能指标时应当以最坏情况为主（包括VDD、温度和模型参数）并留有余地。电路模拟时应加上预先估计的负载在定时方面应当找出最长的延时路径和输入模式在功耗方面应当找出最大功耗的输入模式在电

10、路模拟时由于未考虑分布参数影响，应当在时间指标上留有余量或加上负载。不同的指标验证需要不同的模拟结构和输入Power：VDDmax，Tmin，FF Corner版图设计与验证版图设计与验证布局布局:安排模块位置安排模块位置(面积面积/速度速度/指标指标)电源分布电源分布信号耦合信号耦合天线效应天线效应电磁兼容性电磁兼容性可控硅效应可控硅效应静电保护静电保护焊盘位置、封装焊盘位置、封装测试探针测试探针版图设计过程中的注意事项：版图设计过程中的注意事项：保证元件参数的变化量在合适的范围保持元件之间的匹配（使相关元件有相似的变化趋势，如：温度、几何形状、隔离、接触孔）减小分布参数（缩短信号线长度、减

11、小耦合电容）提供足够的电流密度裕量注意噪声的消除（信号屏蔽、器件隔离）减小芯片面积设计规则检查（DRC）对版图进行几何规则检查，使得设计的电路可以被制造出来。电气规则检查（ERC）检查电源地的短路，开路，浮空的器件、浮空的网络一致性校验（LVS）检查版图和电路图的一致性RC分布参数提取版图最终设计结果版图最终设计结果一些应该掌握的基本概念、方法基本理论：KCL,KVL戴维南定理、诺顿定理电阻、电容基本特征信号、时域、频域分析小信号分析、模型及参数小信号分析、模型及参数0|(/)oovoiivAV Vvio电压放大器开路电压增益：理想放大器参数：R=;R=0放大器的四种模型放大器的四种模型 （1

12、）放大器的四种模型放大器的四种模型 （2）0|(/)0ooisviiAA Aiio电流放大器短路电流增益：理想放大器参数：R=;R=0 G|(/)oomviiA Vvio互导放大器短路互导：理想放大器参数：R=;R=放大器的四种模型放大器的四种模型 （3）0 R|(/)00oomiivVAiio互阻放大器开路互阻：理想放大器参数：R=;R=放大器的四种模型放大器的四种模型 （4）/ovo ioois iovoisiiiivA vRvA i RAARivR电压放大器开路输出电压电流放大器开路输出电压电流放大器输入电流AvoAisGmRmAvo=Ais=Gm=Rm=isoiARRmoGRmiRRm

13、iGRv oioARRmioRR RisiARv ooARv oiARisoARmioGR RmoRR各种放大器模型间的变换各种放大器模型间的变换vsig-+voRLviioiiRsig-+-+放大器信号源信号源内阻负载放大器及外围电路放大器及外围电路放大器固有参数：放大器固有参数：sigL:R=0&,R,=,iovoismR RAA G当时的参数放大器参数：放大器参数：sigL,:RRinoutvivRRA A G考虑和时的参数00,;|;|;LLLLiiniooviiiRioovoRisRiioiivmRioivRiviAAviiGvRiviAAviiGvv频率响应初步频率响应初步F F(

14、s s)Y Y(s s)X X(s s)()()()Y sF s X s1 系统传递函数系统传递函数F(s)2 极点和零点1101101212.().()().()()().()mmmmnnnmmna sasaF ssbsbsZsZsZasPsPsPZ1,Z2,Zm称为传递函数的零点P1,P2,Pn称为传递函数的极点am乘积系数（直流增益）3 幅频特性、相频特性、波特图121212121212 ()():();()()().()(1/)(1/).(1/)()=()().()(1/)(1/).(1/)(1/)(1/).(1/)()=(1/)(1/).mmmnnms jF sF jF jF jsZ

15、sZsZs Zs Zs ZF saKsPsPsPs Ps Ps PjZjZjZF jKjPjP令=幅频特性相频特性1221121212122121121(.)1212.(1/).1();1();.()=.zmzzpppnzmpnzzppjjjzzzmjjjnpppnzizipipiiiiizzzmpjzmzzpnppr er er eKjPr er er eKrtgrtgZZPPr rrF jKrr rrer rr =其中21212.()=.ppnzzzmpppnrrF j4 波特图10101020log()(),log(),logH jH j幅频曲线纵坐标为分贝 横坐标为相频曲线纵坐标为横坐

16、标为1212121212101012101011021010110210.()=.()=.20log()20log.20(logloglog.loglog log.log)zzzmpppnzzzmpppnzzzmpppnzzzmpppnr rrF jKr rrF jr rrF jKr rrKrrrrrr210100000001();()20log20log()0;(2)6;(10)20rrrrrr大信号分析及参数大信号分析及参数1 工作点 对于CMOS放大器其工作点（栅、源、漏极）的电压应当使得起放大作用的MOS管进入饱和区。从工作点分析可以得到栅、源、漏极电压的变化范围、输入信号和输出信号允许的变化范围。2 输入信号幅度输入小信号的变化范围应当小于放大管的过驱动电压的5分之一。3 输出信号幅度输出小信号的变化范围应当在工作点分析得到的允许变化范围之内4 功耗CMOS放大器的平均功耗为直流工作点的漏极电流导致的功耗。DDVDPI