CMOS集成電路設(shè)計.ppt

模擬集成電路設(shè)計原理,課程摘要,采用當(dāng)今流行的CMOS工藝，討論模擬集成電路的分析和 設(shè)計原理。 建立模擬集成電路設(shè)計的基礎(chǔ)-工藝和器件模型 模擬集成電路分析、設(shè)計和仿真的方法 層次化、自下而上的分析方法。 直觀的、基于簡單分析模型的分析方法。 電路設(shè)計步驟 模擬工具的正確使用,參考書,P.R.Gray “Analysis and Design of Analog Integrated Circuits” 2.Behzad Razavi “模擬CMOS集成電路設(shè)計” 3.Phillip E. Allen “CMOS 模擬集成電路設(shè)計” 其它參考書： Alan Hastings “The Art of Analog Layout” R.J.Baker “CMOS: 混合信號電路設(shè)計” David A John、Ken Martin “Analog Integrated Circuits Design” HSPICE Users Manual”,1.,考核標(biāo)準(zhǔn)和聯(lián)系方式,考核標(biāo)準(zhǔn) 平時作業(yè) 設(shè)計課題 期中練習(xí) 期末 聯(lián)系方式,15% 15% 15% 55%,導(dǎo)論,1.1 模擬集成電路設(shè)計的特點,層次化設(shè)計 設(shè)計步驟 魯棒（robust）設(shè)計,1.2 模擬集成電路的應(yīng)用 1.3 模擬信號處理 1.4 混合信號電路舉例,模擬集成電路的一般概念,什么是模擬電路？,模擬信號 模擬信號的采樣信號,一般概念（續(xù)）,什么是模擬集成電路設(shè)計？,特定模擬電路、或系統(tǒng) 的功能和性能,設(shè)計,選擇合適的集成電路 工藝,成功的設(shè)計結(jié)果,模擬集成電路設(shè)計步驟,電路設(shè)計,物理版圖設(shè)計 根據(jù)工藝版圖設(shè)計規(guī)則設(shè)計器件、器件之間的互聯(lián) 電源和時鐘線的分布 與外部的連接,電路測試 電路制備后對電路功能和性能參數(shù)的測試驗證 產(chǎn)品開發(fā),層次設(shè)計,描述層次,設(shè)計,電路層次,系統(tǒng),系統(tǒng)說明/仿真 Matlab、ADMS,電路性能 netlist /simulation,版圖布局 layout,參數(shù)化模塊/單元 layout,行為模型,物理,模型,電路,宏模型 Matlab,器件,器件特性,版圖描述 design rule,器件模型 spice model,層次設(shè)計,結(jié)構(gòu),開關(guān)電容電路、*VCO和PLL、 *A/D D/A、,復(fù)雜電路,運算放大器、帶隙基準(zhǔn)、*比較器,簡單電路,單級放大器、差動放大器、電路偏置、電流鏡電路,器件,CMOS工藝、器件物理、器件Spice參數(shù)、 *版圖設(shè)計、*電路模擬,模擬集成電路設(shè)計步驟,設(shè)計要求描述,設(shè)計定義,電路設(shè)計,與設(shè)計指標(biāo)比較,執(zhí)行設(shè)計,仿真,物理層設(shè)計,物理層設(shè)計,物理層驗證,提取寄生參數(shù),芯片設(shè)計,測試和產(chǎn)品開發(fā),芯片制造,測試和驗證,產(chǎn)品生產(chǎn),與設(shè)計指標(biāo)比較,集成和分立模擬電路的區(qū)別,器件制備在同一襯底上,器件具有相似的性能參數(shù)，易于匹配。 器件參數(shù)由幾何尺寸決定。,器件的品種和參數(shù)的限制,無源器件的面積大、參數(shù)的范圍小、精度差。 MOS工藝中的Bipolar晶體管的品種少、性能差。,采用計算機仿真驗證,無法用電路試驗板驗證。 計算機驗證的直觀性差，受仿真方法和器件參數(shù)的影響大。,模擬和數(shù)字集成電路的區(qū)別,電路的不同,模擬信號數(shù)字信號；不規(guī)則的形狀規(guī)則的形狀,設(shè)計層次,電路級系統(tǒng)級,設(shè)計方法,全定制標(biāo)準(zhǔn)單元,器件參數(shù)的影響,器件參數(shù)的連續(xù)性固定；精確的模型時序模型； 設(shè)計優(yōu)化（trade-off / robusting） 軟件編程 動態(tài)范圍（Dynamic range ）受電源/噪聲限制沒有限制,CAD,難以利用自動設(shè)計工具,模擬集成電路設(shè)計的特點,直觀的設(shè)計,模擬設(shè)計的復(fù)雜性,設(shè)計參數(shù)多,速度、功耗、增益、精度、電源電壓、線性度等參數(shù) 不同參數(shù)間的折中,設(shè)計難度大,高性能電路設(shè)計難點 噪聲、串?dāng)_、電源電壓下降等 溫度對性能的影響大,器件二級效應(yīng)對性能的影響大,模擬電路二級效益的建模和仿真存在難題。 仿真不能發(fā)現(xiàn)所有設(shè)計問題,解決方法：直觀和經(jīng)驗設(shè)計,魯棒設(shè)計,魯棒設(shè)計,電路性能隨工藝、電源電壓、溫度而變化,器件模型參數(shù)的改變,閾值電壓、二級效應(yīng)參數(shù) 工藝角參數(shù) TT、FF、SS、FNSP、SNFP,電源電壓對器件工作區(qū)的影響,電壓變化范圍：20%,溫度的范圍,室溫：25度、或50度 民品、軍品,計算機模擬易于仿真在最壞條件下的電路性能,模擬集成電路的應(yīng)用,模擬電路本質(zhì)上是不可替代的,自然界是“模擬”的,聲、光、電等模擬量 模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換,模擬集成電路的應(yīng)用,集成傳感器系統(tǒng),傳感器感知或探測模擬信號 聲音（麥克風(fēng)、超聲波系統(tǒng)）、力（地震儀、加速度計）、熱 （電子溫度計）、光（數(shù)碼相機）、磁（磁盤驅(qū)動） 探測器感知的信號很弱,麥克風(fēng)、地震儀的電壓：幾毫伏幾百毫伏 視頻照相機的電流：每毫秒幾個電子,探測器信號處理電路,放大、濾波、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、信號處理、信號傳輸,模擬集成電路的應(yīng)用,汽車電子應(yīng)用加速度計,探測可變電容器的改變量：1% 探測單電容值的改變 探測單電容之差的改變,模擬集成電路的應(yīng)用,數(shù)字通信應(yīng)用,數(shù)字信號經(jīng)過傳輸后 模擬信號 有線通訊電纜傳輸,衰減、串?dāng)_、回波,模擬集成電路的應(yīng)用,采用多電平信號已降低所需的帶寬,降低了收發(fā)電路的帶寬要求 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的精度提高,模擬集成電路的應(yīng)用,無線接收,接收信號很弱,幾毫伏、 干擾大、 中心頻率高,接收信號處理,放大信號 降低噪聲 抑制干擾 高頻工作 功耗和成本,模擬集成電路的應(yīng)用,磁盤驅(qū)動,通過磁頭將磁信號轉(zhuǎn)換成電信號：幾毫伏 放大、濾波、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：500兆赫茲,模擬集成電路的應(yīng)用,光通信,光纜傳輸,極高帶寬、極低損耗高速、遠(yuǎn)距離傳輸,信號轉(zhuǎn)換,電信號光信號電信號：極小的電流 低噪聲、高速接收電路,模擬集成電路的應(yīng)用,高速的數(shù)字信號 模擬信號,微處理器,高速的時鐘 高速的數(shù)據(jù)傳輸 寄生效應(yīng)對性能的影響,SRAM、DRAM,高速的數(shù)據(jù)讀寫 巨大的儲存單元陣列造成的寄生 靈敏的讀出電路,模擬集成電路的“蛋殼”模型,2002年世界模擬IC市場,模擬信號帶寬的關(guān)系,對模擬電路而言，不同的應(yīng)用對于不同的信號帶寬,集成電路工藝的趨勢,MOS和BIPOLAR器件性能,工藝進化對模擬電路的影響,優(yōu)勢,面積更小、寄生電容更小 跨導(dǎo)更大、速度更快,劣勢,溝道電阻下降（增益下降） 閾值電壓下降速度低于電源電壓、信號幅度下降 噪聲上升、動態(tài)幅度下降 更加非線性 更加偏離MOS的平方律電流特性、建模更難,模擬信號處理,首先確定系統(tǒng)中的模擬和數(shù)字部分的劃分 系統(tǒng)分成三個模塊,預(yù)處理模塊：將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號 數(shù)字處理模塊：數(shù)字信號處理(DSP) 后加工模塊：將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號,系統(tǒng)中的模擬電路,預(yù)處理模塊：,輸入信號：傳感器輸出、語音信號、射頻信號等 濾波器(filter)：根據(jù)采樣原理，限制輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信號帶寬。 自動增益控制電路(AGC)：控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入信號的幅度，是 一個可控增益放大器。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC或 A/D)：將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。 頻率綜合器或鎖相環(huán)(PLL)：提供信號采樣的精確時鐘。,后處理模塊：,數(shù)模轉(zhuǎn)換器：將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。 放大：功率放大，提高驅(qū)動能力。 濾波器：平滑輸出波形。,舉例磁盤驅(qū)動器數(shù)字讀/寫通道,磁盤驅(qū)動器中的模塊電路(1),輸入信號：,信號由磁感應(yīng)轉(zhuǎn)換得到，經(jīng)片外預(yù)放大器放大，為全差分模擬信 號。,可變增益放大器(VGA)：,數(shù)字增益控制回路進行實時控制,低通濾波器(low-pass filter)：,Gm-C濾波器，具有2零點7極點。 零極點的相對位置可編程。 具有高頻下增益提升功能。,低通濾波器的頻率響應(yīng),調(diào)節(jié)Gm-C濾波器頻率響應(yīng)的方法,對電容值C進行數(shù)字控制可編程 對跨導(dǎo)Gm進行調(diào)節(jié)：,單極點低通Gm-C濾波器,Gm由偏置電流或電壓確定，易受工藝、溫度和電源電壓變化的影響,低通濾波器的頻率響應(yīng),利用PLL得到精確的控制電壓,PLL可得到精確的頻率。 PLL的頻率和振蕩器(VCO)的特征時間常數(shù)成反比。C/Gm 低通濾波器中的電路和VCO的電路是匹配的。,磁盤驅(qū)動器中的模塊電路（2）,模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),6位ADC， 由VCO提供采樣時鐘。采樣頻率由數(shù)字時鐘恢復(fù)電路控制。 偏移控制：采集63個比較器的失調(diào)電壓，反饋到輸入端，抵消由 此引起的失真。,數(shù)字信號處理,有限脈沖響應(yīng)(FIR）濾波器或均衡器。峰值檢測、定時控制和增 益控制。 時序檢測和Viterbi解碼、RLL解碼、解擾碼。 對于寫（發(fā)送）：擾碼、RLL編碼、驅(qū)動/DAC/filter