中山學院-集成電路版圖識別與提取

1、學生實驗報告系別電子信息學院課程名稱集成電路設計實驗班級 10 電科實驗（六、七）集成電路版圖識別與提取集成運算放大器參數(shù)的測試姓名實驗時間2013年5月31日學號20100102010指導教師張華斌成績教師簽名批改時間2013年 月 日報 告 內(nèi) 容一、實驗目的和任務 版圖提取與識別是微電子IC逆向設計的關鍵技術，一方面可借鑒并消化吸收先進、富有創(chuàng)意的版圖設計思路、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提高。本實驗正是基于以上的技術應用背景和集成電路原理課程及其特點而設置，目的在于：（1）了解對塑封、陶瓷封裝等不同封裝形式的芯片解剖的方法及注意事項。

2、（2）學習并掌握集成電路版圖的圖形識別、電路拓撲結(jié)構(gòu)提取。（3）能對提取得到的電路進行功能分析、確定，并可運用PSPICE等EDA工具展開模擬仿真。通過該實驗，使學生了解IC內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其主要工藝特點，加深感性認識，增強學生的實驗與綜合分析能力，掌握學習、跟蹤先進電路設計與制造技術的基本方法，進而為今后從事科研、開發(fā)工作打下良好基礎。二、實驗原理介紹本實驗重點放在版圖識別、電路拓撲提取、電路功能分析三大模塊，實驗流程如下：電路拓撲提取版圖中元器件識別總體布局布線觀察 打印輸出電路功能分析復查，仿真驗證1. CMM-30E圖像金相顯微鏡使用與操作練習。2. 在芯片上找出劃線槽、分布在芯片邊緣的壓焊

3、點、對位標記和CD Bar（特征尺寸線條）并測出有關的圖形尺寸和間距。仔細觀察芯片圖形總體的布局布線，找出電源線、地線、輸入端、輸出端及其對應的壓焊點。3. 判定此IC采用P阱還是N阱工藝；進行版圖中元器件的辨認，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撲結(jié)構(gòu)；復查，加以修正；應用PSPICE等電路模擬器進行仿真驗證。三、關鍵的實驗步驟、實驗中出現(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，重點放在視野定位、焦距調(diào)整和連續(xù)變倍等功能掌握。2. 對于未切割封裝的裸圓片，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)

4、，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。3. 調(diào)節(jié)顯微鏡，在芯片內(nèi)查找出對位標記和CD Bar（特征尺寸線條），繪下圖形的形狀，測出有關的圖形尺寸和間距。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；再找出輸入端或輸出端，對于MOS電路，輸入端一般都加二極管保護電路，可先查到有二極管保護電路的部分，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，應是從MOS管漏/源極引出，不會與MOS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

5、加以確認。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：如果阱及其保護環(huán)與電源相接，而襯底與地或負電源（雙電源時）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，進行版圖中元器件的辨認。首先分清鋁線和多晶硅連線，電路中壓焊點、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散區(qū)，則為MOS電

6、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撲結(jié)構(gòu)，并測出各自的尺寸，確定MOS管的W/L，如能進行芯片的縱向解剖，測出層厚、結(jié)深等參數(shù)，還可算出R、C的值。8. 先根據(jù)所學的電路原理檢查所提取的電路是否有明顯的連接錯誤，或違背基本原理的地方，復查，加以修正。應用PSPICE等電路模擬器進行模擬仿真。四、實驗結(jié)論與心得實驗結(jié)論：通過這次實驗，學習并掌握了版圖的識別與提取，完成了提取電路的整理。通過該實驗，學習了解IC內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其主要工藝特點，加深感性認識，增強了實驗與綜合分析能力，掌握學習、跟蹤先進電路設計與制造技術的基本方法，進而為今后從事科研、開發(fā)工作打下良好基礎。一、

7、實驗目的和任務運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)絡后，就組成不同的運算功能。運算放大器除了可對輸入信號進行加、減、乘、除、微分、等數(shù)學運算外，還在自動控制、測量技術、儀器儀表等各個領域得到廣泛應用。為了更好地使用運算放大器，必須對它的各種參數(shù)有一個較為全面的了解。運算放大器結(jié)構(gòu)十分復雜，參數(shù)很多，測試方法各異，需要分別進行測量。本實驗正是基于如上的技術應用背景和集成電路原理與設計課程設置及其特點而設置，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。（2）學習集成運算放大器主要參數(shù)的測試原理，掌握這些主要參數(shù)的測試方法。通過該實驗，使學生了解運算放大器測

8、試結(jié)構(gòu)和方法，加深感性認識，增強學生的實驗與綜合分析能力，進而為今后從事科研、開發(fā)工作打下良好基礎。二、實驗原理介紹運算放大器符號如圖1所示，有兩個輸入端。一個是反相輸入端用“-”表示，另一個是同相輸入端用“+”表示。可以是單端輸入，也可是雙端輸入。若把輸入信號接在“-”輸入端，而“+”端接地，或通過電阻接地，則輸出信號與輸入信號反相，反之則同相。若兩個輸入端同時輸入信號電壓為V- 和V+ 時，其差動輸入信號為VID= V- - V+ 。開環(huán)輸出電壓Vo = AVOVID 。AVO為開環(huán)電壓放大倍數(shù)。運算放大器在實際使用中，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。通常是

9、接在輸出端和反相輸入端之間。圖1 運算放大器符號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的差模電壓增益，其值為輸出端電壓變化量DVo和輸入電壓變化量的比值。 （1）由于AVo很大，輸入信號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，實際測試中難以實現(xiàn)。測試開環(huán)電壓增益時，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。圖2 開環(huán)直流電壓增益測試原理圖直流通過RF實現(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，不需進行零點調(diào)節(jié)。取CF足夠大，以滿足RF >>l/w CF ，使放大器的反相端交流接地，以保證交流開環(huán)的目的。這樣只要測得交

10、流信號電壓vS和vo，就能得到 （2）在信號頻率固定的條件下，增加輸入信號電壓幅度，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，當輸出電壓的幅值降低到低頻率值的0.707倍，此時頻率為開環(huán)帶寬。2、輸入偏置電流IIB當運算放大器的輸出電壓為零（或規(guī)定值）時流入兩個輸入端偏置電流的平均值，為輸入偏置電流 IIB。設兩偏置電流為IIB1與IIB2，則 （3）用圖3 測試，若vS0， K3 斷開，當K1閉合， K2斷開，測得輸出電壓vo1。當K2閉合, K1斷開，又可測得輸出電壓 vo2 ： （4）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應

11、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。 AT+-CFK1R1RRFRosRidVoK3RL+R1RV1K2RGV圖3 開環(huán)差模輸入電阻和輸出電阻測試原理測試RID分兩步進行，將低頻正弦信號巧輸入電路，先將K1、K2閉合，測得輸出正弦信號v01=AVDv1，再將K1、K2斷開，測得輸出正弦信號v02，其值為 （5）由此求得 （6）輸入正弦信號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應的輸出電流變化之比。

12、仍用圖 3 的電路進行測試。測試分兩步進行，先將K1、K2閉合，K3斷開，送入低頻正弦信號vs，測得輸出v01=AVDv1， 這里v1為輸入端信號。閉合K3，接入負載阻抗RL，再次測得輸出電壓v02為 （7）5 輸入失調(diào)電壓VIO由于運放電路參數(shù)的不對稱，使得兩個輸入端都接地時，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糾偏電壓來補償這種失調(diào)，這個所加的糾偏電壓就叫運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

13、RI的取值不超過 100W , RF >>RI，這時若測得輸出電壓為Vo1，就可推算出輸入端的失調(diào)電壓為 （8）圖4 輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流測試原理圖6、輸入失調(diào)電流IIOIIO的定義為補償失調(diào)電壓后，使輸出電壓為零，而流入運算放大器兩輸入端的電流之差。即 （9）測試原理仍用圖4 ，分兩步進行。第一步將K1、K2閉合，測得輸出電壓為VO1，因這時的電路和測試輸入失調(diào)電壓完全一樣，故可得: 。第二步將K1、K2都斷開，此時運放的兩個輸入端，除了失調(diào)電壓VIO之外，還有輸入電流Ib1和Ib2在電阻上所產(chǎn)生的電壓，即。若這時測得輸出電壓為VO2，根據(jù)前面的計算公式可知 （10）由此可得

14、（11）7、共模抑制比kCMR 運放應對共模信號有很強的抑制能力。表征這種能力的參數(shù)叫共模抑制比，用kCMR表示。它定義為差模電壓增益 AVD 和共模電壓增益AVC之比，即。圖5 共模抑制比測試原理圖測試原理如圖 5 所示。由于 RF>>RI ,該閉環(huán)電路對差模信號的增益。共模信號的增益因此，只要從電路上測出VO和VS，即可求出共模抑制比 （12）kCMR的大小往往與頻率有關，同時也與輸入信號大小和波形有關。測量的頻率不宜太高，信號不宜太大。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

15、 由小到大逐漸增加，觀察到輸出波形剛出現(xiàn)失真時，記下這時輸入信號值，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。測試時可將兩種定義的測試結(jié)果進行比較。9、電壓轉(zhuǎn)換速率SR的測試電壓轉(zhuǎn)換速率SR定義為運放在單位增益狀態(tài)下，在運放輸入端送入規(guī)定的大信號階躍脈沖電壓時，輸出電壓隨時間的最大變化率。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)，取輸出電壓

16、幅度DVO和對應的時間Dt，然后由計算公式求出 （13）通常上升過程和下降過程不同，故應分別測出 SR+和SR-。 10、脈沖響應時間的測試（或稱為建立時間）圖7 讀取響應時間方法脈沖響應時間包括上升時間，下降時間、延遲時間、和脈動時間等，測試原現(xiàn)仍如圖 6（a）所示，取 RFRI，RI遠大于信號源內(nèi)阻、規(guī)定的誤差帶為2e。讀取響應時間方法如圖 7 所示。其中 tr 為上升時間， tf 為下降時間， td(r) 為上升延遲時間，td(f)為下降延遲時間。三、實驗內(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)輸出電阻測量。 5 輸入失調(diào)電壓測

17、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 脈沖響應時間測量。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)個人的進度而定，其他參數(shù)測試必做。以圖 8 所示的電路進行參數(shù)測試，步驟如下：(a)(b)圖8 運算放大器參數(shù)測試電路1.測試運放的開環(huán)特性參數(shù)用圖 8 ( a ）電路。測試時將K2接輸入信號， K1 接電容。 K3 、K4 根據(jù)需要可接入 RL 和CL。參照實驗原理進行各個參數(shù)的測試。2測試大信號脈沖參數(shù)也采用圖 8 ( a ）的電路。測試時將 K2 接電阻， K1接脈沖信號源，RI根據(jù)需要選取，從輸入和輸出脈沖波形中讀取各個有關脈沖的參數(shù)。測試時可利用 K3和 K4接入負載RL和 CL 以觀察 RL 和 CL 對脈沖參數(shù)的影響。 3測試失調(diào)特性參數(shù)和共模特性參數(shù)都采用圖8 ( b）的電路。圖中的AT 為被測電路， A 為輔助電路。若采用單電路測試方法，可將K6和 K7斷開， K5閉合。變換開關位置，即可測試各個參數(shù)。 4在圖 8 ( b）中將K4、 K8 接地，分別在 K1斷開， K2閉合和 K1閉合、 K2 斷開兩種情況下，測出輔助放大器的輸出電壓vo1 和vo2，代入式（4）中，即可計算出IIB。測VID和IID 時，都是將K4、 K8 接地，通過