中山學(xué)院集成電路版圖識(shí)別與提取

1、學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告系別電子信息學(xué)院課程名稱集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)班級(jí)10電科實(shí)驗(yàn)(六、七)集成電路版圖識(shí)別與提取集成運(yùn)算放大器參數(shù)的測試姓名實(shí)驗(yàn)時(shí)間2013年5月31日學(xué)號(hào)20100102010指導(dǎo)教師張華斌成績教師簽名批改時(shí)間 2013年 月 日?qǐng)?bào)告內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮腿蝿?wù)版圖提取與識(shí)別是微電子 IC逆向設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，一方面可借鑒并消化吸收先進(jìn)、富有創(chuàng)意的版圖設(shè)計(jì)思路、結(jié)構(gòu)，建立自己的版圖庫；另一方面通過分析、優(yōu)化已有版圖可將原有芯片的 性能加以改進(jìn)提高。本實(shí)驗(yàn)正是基于以上的技術(shù)應(yīng)用背景和集成電路原理課程及其特點(diǎn)而設(shè)置，目的在于：(1) 了解對(duì)塑封、陶瓷封裝等不同封裝形式的芯片解剖的方法及注意事項(xiàng)。(2)

2、學(xué)習(xí)并掌握集成電路版圖的圖形識(shí)別、電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提取。(3)能對(duì)提取得到的電路進(jìn)行功能分析、確定，并可運(yùn)用PSPICE等EDA工具展開模擬仿真。通過該實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生了解 IC內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其主要工藝特點(diǎn)，加深感性認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)與綜合分析能力，掌握學(xué)習(xí)、跟蹤先進(jìn)電路設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的基本方法，進(jìn)而為今后從事科研、開發(fā)工作打下良好基礎(chǔ)。二、實(shí)驗(yàn)原理介紹本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)放在版圖識(shí)別、電路拓?fù)涮崛?、電路功能分析三大模塊，實(shí)驗(yàn)流程如下：總體布局布線觀察=> 版圖中元器件識(shí)別 二> 電路拓?fù)涮崛〈蛴≥敵?<= 電路功能分析復(fù)查，仿真驗(yàn)證1 . CMM-30E圖像金相顯微鏡使用與操作練習(xí)。CD Ba

3、r (特征尺寸線條)2 .在芯片上找出劃線槽、分布在芯片邊緣的壓焊點(diǎn)、對(duì)位標(biāo)記和并測出有關(guān)的圖形尺寸和間距。仔細(xì)觀察芯片圖形總體的布局布線，找出電源線、地線、輸入 端、輸出端及其對(duì)應(yīng)的壓焊點(diǎn)。3 .判定此IC采用P阱還是N阱工藝；進(jìn)行版圖中元器件的辨認(rèn)，要求分出MOS管、多晶硅電阻和MOS電容。4 .根據(jù)以上的判別依據(jù)，提取芯片上圖形所表示的電路連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；復(fù)查，加以修正；應(yīng) 用PSPICE等電路模擬器進(jìn)行仿真驗(yàn)證。三、關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題和解決方案1 . CMM-30E圖像金相顯微鏡使用與操作練習(xí)，重點(diǎn)放在視野定位、 焦距調(diào)整和連續(xù)變倍等功能掌握。2 .對(duì)于未切割封裝的裸圓片，

4、先在低倍數(shù)放大狀態(tài)下觀察整體概貌；然后調(diào)高倍數(shù)，觀察其 中一塊芯片（Chip）,分清周圍的劃線槽和分布在芯片邊緣的壓焊點(diǎn)。3 .調(diào)節(jié)顯微鏡，在芯片內(nèi)查找出對(duì)位標(biāo)記和CD Bar （特征尺寸線條），繪下圖形的形狀，測出有關(guān)的圖形尺寸和間距。由此，可確定此IC電路采用工藝的最小線寬和工藝容差。4 .仔細(xì)觀察芯片圖形的布局布線，找出電源線和地線（一般線條寬度較寬，并有多條支路與 之相接）及其壓焊點(diǎn)；再找出輸入端或輸出端，對(duì)于 MOS電路，輸入端一般都加二極管保護(hù)電 路，可先查到有二極管保護(hù)電路的部分，分析與其相接的連線情況，確定輸入端；輸出端離輸入 端較遠(yuǎn)，應(yīng)是從 MOS管漏/源極引出，不會(huì)與 MO

5、S管柵極相接，由此初步確定為輸出端，再根 據(jù)附近的器件和布線情況加以確認(rèn)。5 .根據(jù)在襯底和阱中的器件與電源線、地線的連接情況，判定此 IC采用P阱還是N阱工藝: 如果阱及其保護(hù)環(huán)與電源相接， 而襯底與地或負(fù)電源 （雙電源時(shí)）相接，則為N阱工藝；如相反, 則為P阱工藝。（注意分辨某些電路可能有阱電位浮空的情況出現(xiàn)）6 .確定了采用的工藝之后，進(jìn)行版圖中元器件的辨認(rèn)。首先分清鋁線和多晶硅連線，電路中 壓焊點(diǎn)、電源線、地線以及較長的布線都是鋁線；其他與鋁線交叉“過橋”和作柵電極的為多晶 硅。多晶硅兩側(cè)是有源區(qū)，并有鋁線引出的為MOS管；一段多晶硅下面無其他圖形，兩端用鋁線分別引出的多晶硅或是為了解

6、決與鋁線交叉“過橋”，或是多晶硅電阻；如有大片的多晶硅覆蓋擴(kuò)散區(qū)，則為MOS電容。7 .根據(jù)以上的判別依據(jù)， 提取出芯片上圖形所表示的電路連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并測出各自的尺寸，確定MOS管的W/L ,如能進(jìn)行芯片的縱向解剖，測出層厚、結(jié)深等參數(shù)，還可算出R、C的值?；蜻`背基本原理的地方,8 .先根據(jù)所學(xué)的電路原理檢查所提取的電路是否有明顯的連接錯(cuò)誤, 復(fù)查，加以修正。應(yīng)用 PSPICE等電路模擬器進(jìn)行模擬仿真。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)論與心得實(shí)驗(yàn)結(jié)論：通過這次實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)并掌握了版圖的識(shí)別與提取，完成了提取電路的整理。通過該實(shí)驗(yàn), 學(xué)習(xí)了解IC內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其主要工藝特點(diǎn)，加深感性認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)與綜合分析能力， 掌握

7、學(xué)習(xí)、跟蹤先進(jìn)電路設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的基本方法，進(jìn)而為今后從事科研、開發(fā)工作 打下良好基礎(chǔ)。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮腿蝿?wù)運(yùn)算放大器是一種直接耦合的高增益放大器，在外接不同反饋網(wǎng)絡(luò)后，就組成不同的運(yùn)算功能。運(yùn)算放大器除了可對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行加、減、乘、除、微分、等數(shù)學(xué)運(yùn)算外，還在自動(dòng)控制、測量技 術(shù)、儀器儀表等各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。為了更好地使用運(yùn)算放大器，必須對(duì)它的各種參數(shù)有一個(gè)較為全面的了解。運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，參數(shù)很多，測試方法各異，需要分別進(jìn)行測量。本實(shí)驗(yàn)正是基于如上的技術(shù)應(yīng)用背景和集成電路原理與設(shè)計(jì)課程設(shè)置及其特點(diǎn)而設(shè)置，目 的在于：(1) 了解集成電路測試的常用儀器儀表使用方法及注意事項(xiàng)。(2)學(xué)

8、習(xí)集成運(yùn)算放大器主要參數(shù)的測試原理，掌握這些主要參數(shù)的測試方法。通過該實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生了解運(yùn)算放大器測試結(jié)構(gòu)和方法，加深感性認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)與綜合分析能力，進(jìn)而為今后從事科研、開發(fā)工作打下良好基礎(chǔ)。二、實(shí)驗(yàn)原理介紹運(yùn)算放大器符號(hào)如圖 1所示，有兩個(gè)輸入端。一個(gè)是反相輸入端用"”表示，另一個(gè)是同相輸入端用"+表示?？梢允菃味溯斎?，也可是雙端輸入。若把輸入信號(hào)接在“”輸入端，而“+端接地，或通過電阻接地，則輸出信號(hào)與輸入信號(hào)反相，反之則同相。若兩個(gè)輸入端同時(shí)輸入信號(hào)電壓為V和V+時(shí)，其差動(dòng)輸入信號(hào)為 VID= V V+。開環(huán)輸出電壓 Vo = AvoVid °Avo為

9、開環(huán)電壓放大倍數(shù)。運(yùn)算放大器在實(shí)際使用中，為了改善電路的性能，在輸入端和輸出端之間總是接有不同的反饋 網(wǎng)絡(luò)。通常是接在輸出端和反相輸入端之間。r同相輸入+)輸出反相輸入I _ /圖1運(yùn)算放大器符號(hào)1、開環(huán)電壓增益開環(huán)電壓增益是指放大器在無反饋時(shí)的差模電壓增益，其值為輸出端電壓變化量Vo和輸入電壓變化量的比值。(1)VoVI由于Avo很大，輸入信號(hào) VI很小，加之輸入電壓與輸出電壓之間有相位差，從而引入了較大的測試誤差，實(shí)際測試中難以實(shí)現(xiàn)。測試開環(huán)電壓增益時(shí)，都采用交流開環(huán)，直流閉環(huán)的方法。測試原理如圖2所示。調(diào)節(jié)。取Cf足夠大，以滿足 Rf >>l/這樣只要測得交流信號(hào)電壓VS和v

10、o ,就能得到AzovoViVoR/(Ri R2)VsWR2也RVs(2)在信號(hào)頻率固定的條件下，增加輸入信號(hào)電壓幅度，使輸出端獲得最大無失真的波形。保持輸入電壓不變，增加輸入電壓頻率，當(dāng)輸出電壓的幅值降低到低頻率值的0.707倍，此時(shí)頻率為開環(huán)帶寬。2、輸入偏置電流Iib當(dāng)運(yùn)算放大器的輸出電壓為零（或規(guī)定值）時(shí)流入兩個(gè)輸入端偏置電流的平均值，為輸入偏置電流IIB。設(shè)兩偏置電流為IIB1與I IB2 ,則I IB ( I IB1 I IB2 ) / 2(3)用圖3測試，若Vs=0, K3斷開，當(dāng)Ki閉合，K2斷開，測得輸出電壓Vol。當(dāng)K2閉合,Ki斷開，又可測得輸出電壓Vo2 :直流通過 R

11、f實(shí)現(xiàn)全反饋，放大器的直流增益很小，故輸入直流電平十分穩(wěn)定，不需進(jìn)行零點(diǎn)Cf ,使放大器的反相端交流接地，以保證交流開環(huán)的目的。A 0 Vol V02 2R I舊(1 Rf/Ri)iAo(4)I IB 2R(1 RF/RI)3、開環(huán)差模輸入電阻Rid開環(huán)差模輸入電阻 Rid是指差模輸入電壓變化與對(duì)應(yīng)的輸入電流變化之比。其測試原理如圖3所示。在該圖中，要取 Cf足夠大，使交流短路，構(gòu)成交流開環(huán)，而直流是閉環(huán)，穩(wěn)定直流輸出電壓。圖3開環(huán)差模輸入電阻和輸出電阻測試原理測試Rid分兩步進(jìn)行，將低頻正弦信號(hào)巧輸入電路，先將Ki、K2閉合，測得輸出正弦信號(hào)V01=A VDV1,再將Ki、K2斷開，測得輸出

12、正弦信號(hào)V02,其值為Vo2 A/dV1Rid/(Rd 2R) Vo1Rid/(Rid 2R)(5)由此求得Rid 02 2R(6)Vo1 Vo2輸入正弦信號(hào)vs的頻率一般不超過 1KHz ,以清除電容的影響。 R不宜太大，以減小噪聲的 影響。4 .開環(huán)輸出電阻 Ros開環(huán)輸出電阻 Ros是指輸出電壓變化與其對(duì)應(yīng)的輸出電流變化之比。仍用圖 3的電路進(jìn)行測 試。測試分兩步進(jìn)行，先將K1、K2閉合，K3斷開，送入低頻正弦信號(hào) Vs,測得輸出V01=AVDV1,這里V1為輸入端信號(hào)。閉合 K3,接入負(fù)載阻抗 RL,再次測得輸出電壓 V02為A/dViRl /(RosRl)V°iR/(Ros

13、Rl)Ros(Vol Vo2)RlVo2(7)5 .輸入失調(diào)電壓Vio由于運(yùn)放電路參數(shù)的不對(duì)稱，使得兩個(gè)輸入端都接地時(shí)，輸出電壓不為零，稱為放大器的失調(diào)。為了使輸出電壓回到零，就必須在輸入端加上一個(gè)糾偏電壓來補(bǔ)償這種失調(diào)，這個(gè)所加的糾偏電壓就叫運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓，用Vio表示。故Vio的定義為使輸出電壓為零在兩輸入端之間需加有的直流補(bǔ)償電壓。輸入失調(diào)電壓的測量原理如圖4所示。圖中直流電路通過Ri和Rf接成閉合環(huán)路。通常 Ri的取值不超過100 , RfRi,這時(shí)若測得輸出電壓為Vol,就可推算出輸入端的失調(diào)電壓為Vio(8)6、輸入失調(diào)電流IioIio的定義為補(bǔ)償失調(diào)電壓后，使輸出電壓為

14、零，而流入運(yùn)算放大器兩輸入端的電流之差。即110 11b11b 2I(9)測試原理仍用圖4 ,分兩步進(jìn)行。第一步將Ki、K2閉合，測得輸出電壓為 Voi,因這時(shí)的電路和測試輸入失調(diào)電壓完全一樣，故可得：Voi Vio (RiRf)/Ri。第二步將Ki、K2都斷開，此時(shí)運(yùn)放的兩個(gè)輸入端，除了失調(diào)電壓Vio之外，還有輸入電流 Ibi和Ib2在電阻上所產(chǎn)生的電壓，即 IbiRIb2R(Ib1 1b2)RIIO R。若這時(shí)測得輸出電壓為Vo2 ,根據(jù)前面的計(jì)算公式可知Vo 2(VioIioR) (RiRf)/Ri(10)由此可得I IORiRiRfVo 2 VoiR(11)7、共模抑制比kCMRkCM

15、R表不它定運(yùn)放應(yīng)對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)的抑制能力。表征這種能力的參數(shù)叫共模抑制比，用義為差模電壓增益Avd和共模電壓增益 Avc之比，即kcMR |Avd/Avc|。測試原理如圖5所示。由于RfRi,該閉環(huán)電路對(duì)差模信號(hào)的增益AvdRf/ Ri。共模信號(hào)的增益Avc Vo/Vs因此，只要從電路上測出 Vo和Vs,即可求出共模抑制比kCMRIAVD / AVCRf VsRiVo(kCMR的大小往往與頻率有關(guān)，同時(shí)也與輸入信號(hào)大小和波形有關(guān)。測量的頻率不宜太高，信號(hào)8、最大共模輸入電壓Vivm最大共模輸入電壓是指最大不失真共模輸出正弦波電壓時(shí)的共模輸入電壓。其側(cè)試原理仍用圖 5的電路。測試方法是將 Vs

16、由小到大逐漸增加，觀察到輸出波形剛出現(xiàn)失真時(shí)，記下這時(shí)輸入信號(hào)值，就是最大共模輸入電壓。由于輸入電壓加大后，kcMR將下降，故也有將 VIVM定義為使kCMR下降6分貝的輸入電壓。測試時(shí)可將兩種定義的測試結(jié)果進(jìn)行比較。9、電壓轉(zhuǎn)換速率Sr的測試電壓轉(zhuǎn)換速率Sr定義為運(yùn)放在單位增益狀態(tài)下，在運(yùn)放輸入端送入規(guī)定的大信號(hào)階躍脈沖電壓時(shí)，輸出電壓隨時(shí)間的最大變化率。(八( 6)圖6電壓轉(zhuǎn)換速率測試原理圖Sr的測試原理如圖 6 (a )所示。測試時(shí)取 Ri = Rf ,在輸入端送入脈沖電壓，從輸出端見到 輸出波形，如圖 6 (b)所示。這時(shí)可以規(guī)定過沖量的輸出脈沖電壓上升沿(下降沿)的恒定變化率 區(qū)間內(nèi)

17、，取輸出電壓幅度Vo和對(duì)應(yīng)的時(shí)間 t,然后由計(jì)算公式求出Sr - (V / m)(13) t通常上升過程和下降過程不同，故應(yīng)分別測出Sr+和Sr-。10、脈沖響應(yīng)時(shí)間的測試(或稱為建立時(shí)間)圖7讀取響應(yīng)時(shí)間方法脈沖響應(yīng)時(shí)間包括上升時(shí)間，下降時(shí)間、延遲時(shí)間、和脈動(dòng)時(shí)間等，測試原現(xiàn)仍如圖6 (a)所示，取Rf> Ri, Ri遠(yuǎn)大于信號(hào)源內(nèi)阻、 規(guī)定的誤差帶為2 。讀取響應(yīng)時(shí)間方法如圖 7所示。其中tr 為上升時(shí)間，tf為下降時(shí)間，td(r)為上升延遲時(shí)間，td(f)為下降延遲時(shí)間。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟1 .開環(huán)電壓增益測量；* 2 .輸入偏置電流測量；* 3 .開環(huán)差模輸入電阻測量。4 .開環(huán)

18、輸出電阻測量。5 .輸入失調(diào)電壓測量。* 6 .輸入失調(diào)電流測量。7 .共模抑制比測量；8 .電壓轉(zhuǎn)換速率測量。9 .脈沖響應(yīng)時(shí)間測量。10 .開環(huán)差模放大倍數(shù)。注：前面加*的參數(shù)測試為選作內(nèi)容，根據(jù)個(gè)人的進(jìn)度而定，其他參數(shù)測試必做。以圖8所示的電路進(jìn)行參數(shù)測試，步驟如下：100kQ一A'.一+ 15VKi10kQ100 QVK3K2100kQ-15V3mA73kQG 100 Q10k QAT4K5K6 3kQ3k Q ；Vd,IG(b)圖8 運(yùn)算放大器參數(shù)測試電路1 .測試運(yùn)放的開環(huán)特性參數(shù)用圖8 ( a )電路。測試時(shí)將 K2接輸入信號(hào)，K1接電容。K3、K4根據(jù)需要可接入 Rl和Cl。參照實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行各個(gè)參數(shù)的測試。2 .測試大信號(hào)脈沖參數(shù)也采用圖8 ( a )的電路。測試時(shí)將 K2接電阻，K1接脈沖信號(hào)源，Ri根