CMOS集成電路設(shè)計

1、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 analo

2、g 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)

3、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、

4、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(jī)仿真驗證無法用電路試驗板驗證。計算機(jī)驗證的直觀性差，受仿

5、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

6、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(jī)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(jī)）、磁（磁盤驅(qū)動）探測器感知的信號很弱麥克

7、風(fēng)、地震儀的電壓：幾毫伏幾百毫伏視頻照相機(jī)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)

8、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(jìn)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

9、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。

10、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(jìn)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(jìn)行數(shù)字控制可編程對跨導(dǎo)gm進(jìn)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 磁盤