集成電路版圖設(shè)計基礎(chǔ)第五章：匹配課件

第五章匹配匹配規(guī)則

簡單匹配

匹配方法schoolofphyebasicsoficlayoutdesign1第五章匹配schoolofphyebasicso1schoolofphyebasicsoficlayoutdesign2之一：把匹配器件相互靠近放置。

placematcheddevicesclosetoeachother.之二：使器件保持同一方向。

keepdevicesinthesameorientation.之三：選擇一個中間值作為根部件。

chooseamiddlevalueforarootcomponent.匹配規(guī)則schoolofphyebasicsoficlay2schoolofphyebasicsoficlayoutdesign3之四：采用指狀交叉方式。

interdigitate.之五：用虛設(shè)器件包圍起來。

surroundyourselfwithdummies.之六：四方交叉成對器件。

cross-guadyourdevicepairs.匹配規(guī)則schoolofphyebasicsoficlay3schoolofphyebasicsoficlayoutdesign4之七：使布線上的寄生參數(shù)匹配。

matchtheparasiticsonyourwiring.之八：使每一樣?xùn)|西都對稱。

keepeverythinginsymmetry.之九：使差分布線一致。

makedifferentiallogicidentical.匹配規(guī)則schoolofphyebasicsoficlay4schoolofphyebasicsoficlayoutdesign5之十：使器件寬度一致。

matchdevicewidths.之十一：采用尺寸較大的器件。

golarge.之十二：總是與電路設(shè)計者交流。

alwayscommunicatewithyourcircuitdesigner.匹配規(guī)則schoolofphyebasicsoficlay5schoolofphyebasicsoficlayoutdesign6之十三：掩模設(shè)計者不會心靈感應(yīng)。

maskdesignerarenotphychic.之十四：注意臨近的器件。

watchtheneighbors.匹配規(guī)則schoolofphyebasicsoficlay6schoolofphyebasicsoficlayoutdesign7regular(rectangularshape)parallelelementsPossibly,thecurrentflowinginthesamedirection.簡單匹配

-matchingsingletransistorschoolofphyebasicsoficlay7schoolofphyebasicsoficlayoutdesign8就CMOS晶體管而言，對其特性影響最大的參數(shù)是柵長和柵寬。在工藝中采用的某些刻蝕方法常常在一個方向上刻蝕得快些。這樣發(fā)生在一個晶體管寬度上的刻蝕誤差將出現(xiàn)在另一個晶體管的長度上。簡單匹配

-asymmetryduetofabrication20X2畫版圖時匹配20X219.8X2.5制造時不匹配20.5X1.82019.821.822.52020.5schoolofphyebasicsoficlay8schoolofphyebasicsoficlayoutdesign9當集成電路產(chǎn)業(yè)剛剛起步的時候,制造工業(yè)仍然相對落后。即使你將兩個需要匹配的器件放的很近,我們也仍然無法保證它們的一致性?，F(xiàn)在雖然制造工藝越來越精確,但是匹配問題的研究從來就沒有停止過,相反地,匹配問題顯得日益突出和重要。匹配分為橫向匹配、縱向匹配和中心匹配。實現(xiàn)匹配有三個要點需要考慮:

需要匹配的器件彼此靠近

注意周圍器件保持匹配器件方向一致

遵守這3條基本原則,就可以很好的實現(xiàn)匹配。匹配方法schoolofphyebasicsoficlay9schoolofphyebasicsoficlayoutdesign10之一：根器件方法rootdevicemethod根部件，在這里指這樣一個電阻，可以根據(jù)這一個電阻設(shè)計出所有其他的電阻。用最小的電阻作為根器件,這樣的選擇當然也可以實現(xiàn)我們需要的匹配,但同時我們卻忽略了另外一個問題,那就是像2KΩ這樣的電阻如果用250Ω做根器件,那么就需要8個根器件串聯(lián)起來實現(xiàn),這就導(dǎo)致了這8個電阻之間接觸電阻也同時加大了,這是我們不希望看到的。匹配方法schoolofphyebasicsoficlay10schoolofphyebasicsoficlayoutdesign11之一：根器件方法rootdevicemethod采用根部件的最好方法是找出一個中間值,例如用1KΩ的電阻作為值將電阻串聯(lián)和并聯(lián)起來。這種方法節(jié)省了接觸電阻的總數(shù)使其所占的比例減少,面積也許會減少，因為電阻之間的間隙數(shù)少了，現(xiàn)在占主導(dǎo)地位的是電阻器件本身的薄層電阻，而非接觸電阻。利用根部件時,如果所有的電阻尺寸一樣,形狀一樣,方向一致而且相互靠近,那么就可以得到一個很好的匹配。匹配方法schoolofphyebasicsoficlay11schoolofphyebasicsoficlayoutdesign12之二：交叉法interdigitatingdevice通常在電路中有些大堆部件都必須與一個給定的器件匹配，這個器件稱為定義部件（圖5-5，P104）。匹配方法schoolofphyebasicsoficlay12schoolofphyebasicsoficlayoutdesign13之二：交叉法interdigitatingdevice匹配方法將其指狀交叉匹配兩組電阻指狀交叉排列指狀交叉部件的布線schoolofphyebasicsoficlay13schoolofphyebasicsoficlayoutdesign14之二：交叉法interdigitatingdeviceInterdigitizelargeaspectratiodevicestoreducesource/draindepletioncapacitance.Usinganevennumber(n)ofgatefingerscanreduceCdb,Csbtoone-halfor(n+2)/2ndependingonsource/draindesignation.Typicallyitispreferredtoreducedraincapacitancemoresothansourcecapacitance.Alsousedummypolystripstominimizemismatchinducedbyetchundercuttingduringfab.Andthesewidthsofdummygatescanbeshorterthantheactualgates.

匹配方法schoolofphyebasicsoficlay14schoolofphyebasicsoficlayoutdesign15之二：交叉法interdigitatingdevice匹配方法schoolofphyebasicsoficlay15schoolofphyebasicsoficlayoutdesign16之二：交叉法interdigitatingdeviceanalogtransistorsoftenhavealargeW/Lratio.Interdigitizationcanbeusedinamultipletransistorcircuitlayouttodistributeprocessgradientsacrossthecircuit.Thisimprovesmatching.

twomatchedtransistorswithonenodeincommon:

★

splittheminanequalpartoffingers(forexample4)

★

interdigitatethe8elements:AABBAABBorABBAABBA匹配方法schoolofphyebasicsoficlay16schoolofphyebasicsoficlayoutdesign17之二：交叉法interdigitatingdevice匹配方法123AABBAABBpatternABBAABBApatternschoolofphyebasicsoficlay17schoolofphyebasicsoficlayoutdesign18之二：交叉法interdigitatingdeviceAxisofSymmetries:匹配方法schoolofphyebasicsoficlay18schoolofphyebasicsoficlayoutdesign19之二：交叉法interdigitatingdeviceInterdigitationPatterns:匹配方法schoolofphyebasicsoficlay19schoolofphyebasicsoficlayoutdesign20之三：虛設(shè)器件dummydevice當這些電阻被刻蝕的時候,位于中間的器件所處的環(huán)境肯定與兩邊的不同,位于兩邊的器件所受的腐蝕會比中間的器件多一些,這一點點的區(qū)別也許會對匹配產(chǎn)生非常不可預(yù)知的結(jié)果。為了使上述電阻在加工上面也保持一致,最簡單的辦法就是在兩邊分別放置一個“虛擬電阻”(“dummyresistor”),而實際上它們在電路連線上沒有與其它任何器件連接,它們只是提供了一些所謂的“靠墊”,以避免在兩端過度刻蝕。這就是虛擬器件,保證所有器件刻蝕一致。匹配方法etchdummyrealresistorsschoolofphyebasicsoficlay20schoolofphyebasicsoficlayoutdesign21之三：虛設(shè)器件dummydeviceEndingelementshavedifferentboundaryconditionsthantheinnerelements=>usedummy匹配方法Herethedummiesareshortedtransistors.Remembertheirparasiticcontribution!?schoolofphyebasicsoficlay21schoolofphyebasicsoficlayoutdesign22之三：虛設(shè)器件dummydevice另外一種情況就是當你需要這些器件高度匹配的時候,,也可以在四周都布滿虛擬器件,防止在四邊的過度腐蝕,以保證每個器件的周圍環(huán)境都一致。其缺點就是這種方法會占用很大的面積,采用時應(yīng)多多考慮實際項目的需要。匹配方法therealresistors,encasedbydummydevices,areprotectedfromover-etchingonallfoursides.schoolofphyebasicsoficlay22schoolofphyebasicsoficlayoutdesign23之四：共心commoncentroid把器件圍繞一個公共的中心點放置稱為共心布置，甚至把器件在一條直線上對稱放置也可以看作共心技術(shù)?，F(xiàn)有的集成工藝中,共心技術(shù)可以降低熱梯度或工藝存在的線性梯度。熱梯度是由芯片上面的一個發(fā)熱點產(chǎn)生的,它會引起其周圍的器件的電氣特性發(fā)生變化。離發(fā)熱點遠的器件要比離發(fā)熱點近的器件影響要小。共心技術(shù)使熱的梯度影響在器件之間的分布比較均衡。匹配方法placementaroundacommoncentralpointschoolofphyebasicsoficlay23schoolofphyebasicsoficlayoutdesign24之四：共心–四方交叉crossquading四方交叉法是將需要匹配的兩個器件一分為二,交叉放置,尤其適用于兩個MOS器件。采用四方交叉法可以進一步發(fā)揮共心的技術(shù)優(yōu)勢。成對角線放置的兩半必須總是形成一個通過中心點的單個器件才是真正的四方交叉，一個或者四個器件不能進行四方交叉。匹配方法Cross-quadingtechnique.Splitdevicesinhalfandplacecross-cornertoeachother.Onlyworksforexactlytwodevices.schoolofphyebasicsoficlay24schoolofphyebasicsoficlayoutdesign25之四：共心–四方交叉crossquading匹配方法metalandpolyinterconnectionsaremorecomplexschoolofphyebasicsoficlay25schoolofphyebasicsoficlayoutdesign26之四：共心–四方交叉crossquading匹配方法crosscouplingtiling(moresensitivetohigh-ordergradients)schoolofphyebasicsoficlay26schoolofphyebasicsoficlayoutdesign27之四：共心–四方交叉crossquading四方交叉里面包含了一種叫做經(jīng)濟型四方交叉,這一方案可以采用A-B-B-A的共心技術(shù)?？梢员ＷC導(dǎo)線的寄生參數(shù)一致。并且有良好的匹配、節(jié)省時間和空間。(P110)匹配方法schoolofphyebasicsoficlay27schoolofphyebasicsoficlayoutdesign28之四：共心–四方交叉crossquading下面再介紹一種四個需要匹配的電阻

(或其它器件)的設(shè)計方法,也同樣是采用共心法原理。匹配方法Common-centroidlayoutoffourmatchedresistors(orelements)schoolofphyebasicsoficlay28schoolofphyebasicsoficlayoutdesign29之四：共心–四方交叉crossquadingCommonCentroidPatterns:匹配方法schoolofphyebasicsoficlay29schoolofphyebasicsoficlayoutdesign30之五：差分布線一致Matchedinterconnections:SpecificresistanceofmetallinesSpecificresistanceofpolyResistanceofmetal-contactResistanceofviaMinimizetheinterconnectionimpedanceAchievethesameimpedanceindifferentialpathsKeepshortthewidthoffingersforhighspeedapplications匹配方法IRdrop:V=IRschoolofphyebasicsoficlay30schoolofphyebasicsoficlayoutdesign31之五：差分布線一致MatchedMetalConnection:匹配方法schoolofphyebasicsoficlay31schoolofphyebasicsoficlayoutdesign32之五：差分布線一致

makedifferentiallogicidentical差分邏輯是AIC中常見的結(jié)構(gòu),是一種需要高度匹配的邏輯電路。真正要實現(xiàn)電路的匹配效果好,不但要保證器件的匹配,也要充分考慮信號線上面的相互匹配。無論是信號線的長度寬度還是產(chǎn)生的寄生參數(shù)都是我們必須認真考量的。匹配方法schoolofphyebasicsoficlay32schoolofphyebasicsoficlayoutdesign33之五：差分布線一致

makedifferentiallogicidentical差分對主要使VGS匹配，而電流鏡主要使ID匹配。在差分邏輯中,具有高度匹配的路徑長度和連線導(dǎo)線是關(guān)鍵,能合為一條線的連線就要合。我們經(jīng)常在設(shè)計版圖過程中發(fā)現(xiàn)其中的一條需要與另外一條匹配的信號線被其它的器件或連線擋住了,從而造成兩條線路的長度不同,因此破壞了匹配的要求。通過波形分析我們也可以清晰的看到異樣,所以我們要盡可能保證需要匹配的導(dǎo)線長度也要一致。（圖5-23，P113）匹配方法schoolofphyebasicsoficlay33schoolofphyebasicsoficlayoutdesign34之五：差分布線一致

makedifferentiallogicidentical差分結(jié)構(gòu)的電路，比如運放的輸入管，畫圖的時候不管畫得多對稱，生產(chǎn)出來還是會有一些不匹配的。這種工藝上的不匹配可以通過電路上的設(shè)計來減小或避免。CHOP技術(shù)是一種方法。其思路是通過交替切換不同位置的MOS管充當相同的職能，使用得差分管輪換使用相同的管子。這樣，工藝上造成的不匹配，對于被切換的支路來說都是公平的，能達到高精度的匹配效果。缺點是引入了切換時鐘，增加了噪聲來源，增加了布局復(fù)雜度，增加芯片面積。匹配方法schoolofphyebasicsoficlay34schoolofphyebasicsoficlayoutdesign35之六：器件寬度一致

matchdevicewidth.

采用大的器件

golarge!

電阻最小寬度5um，最小長度10um。

minimumresistorwidthis5microns.minimumresistorlengthis10microns.匹配方法schoolofphyebasicsoficlay35schoolofphyebasicsoficlayoutdesign36之六：采用大的器件

golarge!大多數(shù)情況下我們都會采用溝道長度較大的模擬器件,但與此同時也會帶來另外一個問題,那就是寄生參數(shù)也會隨之變大,通常我們會盡可能多打一些孔以減少電阻,還有一種方法就是將W/L較大的器件拆分成幾個器件,再加入兩個DUMMYPOLY,保證器件在光刻時的程度一致,如圖所示:匹配方法需要匹配的鏡像電流源的兩器件及其版圖schoolofphyebasicsoficlay36schoolofphyebasicsoficlayoutdesign37基本要求：電流成比例關(guān)系的MOS管，應(yīng)使電流方向一致，版圖中晶體管盡量同向，開關(guān)管可以忽略。配置dummy器件，使版圖周邊條件一致，結(jié)構(gòu)更加對稱。在處理匹配性要求高的對管（如差分輸入對管）時，采用交叉對稱的結(jié)構(gòu)比較好。專題：