精選模擬電路圖講義

（優(yōu)選）模擬電路版圖課件當(dāng)前第1頁\共有104頁\編于星期一\11點主要內(nèi)容概述寄生參數(shù)匹配噪聲問題當(dāng)前第2頁\共有104頁\編于星期一\11點6.1概述在模擬電路的版圖設(shè)計中，設(shè)計規(guī)則不象數(shù)字電路一樣重要，但是也可以使用。在高質(zhì)量的數(shù)字電路中，其設(shè)計方法通常類似于模擬電路，即所謂的全定制設(shè)計方法。當(dāng)前第3頁\共有104頁\編于星期一\11點數(shù)字技巧和模擬技巧的對比一、規(guī)模不同二、主要目標(biāo)不同數(shù)字電路的目標(biāo)：優(yōu)化芯片的尺寸和提高集成度模擬電路的目標(biāo)：優(yōu)化電路的性能、匹配程度、速度和各種功能方面的問題。在模擬電路版圖設(shè)計中，性能比尺寸更重要。當(dāng)前第4頁\共有104頁\編于星期一\11點數(shù)字技巧和模擬技巧的對比三、團(tuán)隊工作方式不同在模擬集成電路的版圖設(shè)計中，團(tuán)隊溝通更加重要，例如，需要從電路設(shè)計者了解電路需要的匹配、屏蔽、特定的器件防止方向等信息。在整個的設(shè)計流程中，都要不斷溝通，以保證所設(shè)計的版圖不僅功能正確，且性能最優(yōu)。當(dāng)前第5頁\共有104頁\編于星期一\11點數(shù)字技巧和模擬技巧的對比四、完成進(jìn)度不同在數(shù)字電路設(shè)計中，芯片的絕大部分電路往往在開始版圖工作時，就已經(jīng)完成。而模擬電路則不同，電路設(shè)計和版圖設(shè)計可能會同時進(jìn)行。當(dāng)前第6頁\共有104頁\編于星期一\11點數(shù)字技巧和模擬技巧的對比五、創(chuàng)新要求不同與數(shù)字電路不同，模擬電路的版圖設(shè)計重復(fù)性不多，創(chuàng)新很重要。六、約束條件不同在模擬電路中，版圖設(shè)計幾乎沒有什么規(guī)則，最終的目標(biāo)就是電路的性能。數(shù)字版圖設(shè)計中的規(guī)則可以選擇，也可以不選擇。當(dāng)前第7頁\共有104頁\編于星期一\11點數(shù)字技巧和模擬技巧的對比七、對電路技術(shù)理解程度的要求不同模擬電路版圖設(shè)計比數(shù)字電路版圖設(shè)計更需要了解電路技術(shù)。如：電壓、電流及相互關(guān)系差分對需要匹配等當(dāng)前第8頁\共有104頁\編于星期一\11點三個關(guān)鍵問題一、問題1：這個電路是做什么用的電路的功能決定了下面的一些關(guān)鍵問題：絕緣匹配布局均衡覆蓋保護(hù)方法I/O導(dǎo)線的位置器件分割平面布置當(dāng)前第9頁\共有104頁\編于星期一\11點三個關(guān)鍵問題二、問題2a：它需要多大的電流所影響的問題：器件的選擇金屬線尺寸的選擇布置方案當(dāng)前第10頁\共有104頁\編于星期一\11點三個關(guān)鍵問題例如，最小導(dǎo)線寬度的確定：根據(jù)工藝手冊（認(rèn)識工藝規(guī)則）中查到的金屬線的所能承受的最大電流，計算某個器件中所需要的最小線寬。當(dāng)前第11頁\共有104頁\編于星期一\11點三個關(guān)鍵問題三、問題2b：大電流路徑和小電流路徑在哪電路中的各個部分所需要的電流大小是不同的，因此導(dǎo)線寬度的要求也不同，要根據(jù)實際需要進(jìn)行設(shè)計。四、問題3：有哪些匹配要求當(dāng)前第12頁\共有104頁\編于星期一\11點雙極性模擬電路其規(guī)則比CMOS版圖設(shè)計要簡單，主要是器件簡單。對模擬版圖設(shè)計者的期望：不要太相信電路設(shè)計者。當(dāng)前第13頁\共有104頁\編于星期一\11點6.2寄生參數(shù)三種主要的寄生參數(shù)：寄生電容寄生電阻寄生電感當(dāng)前第14頁\共有104頁\編于星期一\11點寄生電容各層金屬線之間，以及金屬線與襯底之間，都會產(chǎn)生寄生電容。對于高頻電路，由于要求版圖的電路速度高，電容就會變得越加重要。一、導(dǎo)線長度如果知道某些部分的布線寄生參數(shù)要小，實現(xiàn)方法之一就是讓那一部分導(dǎo)線盡量短，以減少重疊。當(dāng)前第15頁\共有104頁\編于星期一\11點寄生電容當(dāng)前第16頁\共有104頁\編于星期一\11點寄生電容二、選擇金屬層一般來說，最關(guān)心的寄生電容來自金屬層與襯底之間，因此，一般的經(jīng)驗是選擇遠(yuǎn)離襯底的金屬層走線。但是這個經(jīng)驗也要與實際情況相結(jié)合來使用。還與工藝規(guī)則有關(guān)系，比如工藝規(guī)則所規(guī)定的最小線寬，可能會使得高層金屬的電容更大。例子當(dāng)前第17頁\共有104頁\編于星期一\11點寄生電容當(dāng)前第18頁\共有104頁\編于星期一\11點寄生電容當(dāng)前第19頁\共有104頁\編于星期一\11點寄生電容不能僅僅采用普遍適用的方法，也并不是簡單地提倡讓每一樣?xùn)|西都盡可能短和盡可能小，應(yīng)該根據(jù)電路的功能和可用的工藝來進(jìn)行選擇。當(dāng)前第20頁\共有104頁\編于星期一\11點寄生電容三、金屬疊著金屬在數(shù)字電路中，有一些關(guān)鍵導(dǎo)線對噪聲非常敏感，如果僅僅依賴工具自動布線，而不加干預(yù)，會產(chǎn)生很嚴(yán)重的后果。在布線時最好繞過電路模塊，而不是僅僅簡單的在它上面走線。應(yīng)該讓敏感的信號遠(yuǎn)離。因此再次說明了，版圖設(shè)計人員在設(shè)計版圖時，必須與電路設(shè)計人員進(jìn)行足夠的溝通。當(dāng)前第21頁\共有104頁\編于星期一\11點寄生電容當(dāng)前第22頁\共有104頁\編于星期一\11點寄生電容當(dāng)前第23頁\共有104頁\編于星期一\11點寄生電容當(dāng)前第24頁\共有104頁\編于星期一\11點寄生電阻一、計算IR壓降當(dāng)根據(jù)電流計算出來所需要的導(dǎo)線寬度后，還有一項任務(wù)就是計算導(dǎo)線的電阻。如果導(dǎo)線電阻過大，會導(dǎo)致過多的電壓損失，在模擬電路中，會產(chǎn)生很嚴(yán)重的后果。降低電阻的方法：導(dǎo)線加寬。當(dāng)前第25頁\共有104頁\編于星期一\11點寄生電阻當(dāng)前第26頁\共有104頁\編于星期一\11點寄生電阻二、布線方案針對某一種要求，會有不同的布線方案進(jìn)行選擇。P88~89的一個例子。經(jīng)驗：如果一段導(dǎo)線的壓降大于10mv，就應(yīng)該與電路設(shè)計人員進(jìn)行溝通。為了降低寄生電阻，可以選擇較厚的金屬，其方塊電阻較小。當(dāng)前第27頁\共有104頁\編于星期一\11點方塊電阻ohmspersquare，薄層電阻又稱方塊電阻，其定義為正方形的半導(dǎo)體薄層，在電流方向所呈現(xiàn)的電阻，單位為歐姆每方。簡單來說，方塊電阻（SheetResistance）就是指導(dǎo)電材料單位厚度單位面積上的電阻值。簡稱方阻，理想情況下它等于該材料的電阻率除以厚度。方塊電阻有一個特性，即任意大小的正方形邊到邊的電阻都是一樣的，不管邊長是1m還是0.1m，它們的方阻都是一樣，這樣方阻僅與導(dǎo)電膜的厚度和電阻率有關(guān)。方塊電阻計算公式：R=ρL/S，ρ為物質(zhì)的電阻率，單位為歐姆米(Ω.m)，L為長度，單位為米(m)，S為截面積，單位為平方米（m2），長寬相等時，R=ρ/h，h為薄膜厚度。材料的方阻越大，器件的本征電阻越大，從而損耗越大。當(dāng)前第28頁\共有104頁\編于星期一\11點寄生電阻當(dāng)前第29頁\共有104頁\編于星期一\11點寄生電阻當(dāng)前第30頁\共有104頁\編于星期一\11點寄生電阻當(dāng)前第31頁\共有104頁\編于星期一\11點寄生電阻當(dāng)前第32頁\共有104頁\編于星期一\11點寄生電阻并聯(lián)布線：將上下層金屬線重疊起來，形成疊層結(jié)構(gòu)，實際上是幾層金屬線的并聯(lián)，相當(dāng)于加寬了導(dǎo)線。當(dāng)前第33頁\共有104頁\編于星期一\11點寄生電阻當(dāng)前第34頁\共有104頁\編于星期一\11點寄生電感在高頻電路中，寄生電感不可忽略。利用寄生參數(shù)不能依賴寄生參數(shù)作為電路的一個成分，因為無法很好的控制它們，通常的誤差可以是正負(fù)50%。但是在不關(guān)心電路參數(shù)的大小，例如只想要一個大電容，可以利用寄生參數(shù)來滿足。當(dāng)前第35頁\共有104頁\編于星期一\11點器件的寄生參數(shù)一、CMOS晶體管由阱至襯底的電容由柵極至阱的電容這些寄生參數(shù)會使得電路的工作速度變慢。當(dāng)前第36頁\共有104頁\編于星期一\11點器件的寄生參數(shù)當(dāng)前第37頁\共有104頁\編于星期一\11點器件的寄生參數(shù)一種技術(shù)：減少多晶硅的串聯(lián)電阻?？梢酝ㄟ^將多晶硅分成多個“指形”的結(jié)構(gòu)，然后用導(dǎo)線將它們并聯(lián)起來以降低電阻。通過分成多個器件以及源漏共享可以大大減小CMOS晶體管上的寄生參數(shù)。當(dāng)前第38頁\共有104頁\編于星期一\11點器件的寄生參數(shù)二、雙極型晶體管沒有太好的辦法減小參數(shù)，因為寄生電容與器件的尺寸關(guān)系固定，只能依靠模擬對它們的作用進(jìn)行掌握。兩個該晶體管不能靠的太近，會引起一個大的電阻。當(dāng)前第39頁\共有104頁\編于星期一\11點器件的寄生參數(shù)當(dāng)前第40頁\共有104頁\編于星期一\11點器件的寄生參數(shù)三、全定制方案采用某些全定制技術(shù)可以將器件做的很小。通常的做法式把幾個較小的器件組合成一個較大的器件，一般都在一個公共的N阱中，可以使得N阱的總面積較小，從而縮小了至襯底的電容。當(dāng)前第41頁\共有104頁\編于星期一\11點6.3匹配什么叫做匹配？——平衡我們希望無論是cd播放器還是其它音響,它們相搭檔的器件反應(yīng)完全一樣。也就是說，其中一個放大器的頻率和幅值能完全符合并跟蹤另一個運(yùn)放的頻率和幅值響應(yīng)，達(dá)到這一目標(biāo)的方法之一就是匹配。實現(xiàn)匹配過程中，版圖設(shè)計是一個非常重要的環(huán)節(jié)。一個優(yōu)秀的版圖可以大大提升一個設(shè)計。當(dāng)前第42頁\共有104頁\編于星期一\11點版圖的重要性匹配與版圖的關(guān)系相當(dāng)密切，對電路的成敗至關(guān)重要。匹配規(guī)則之一：把需要匹配的器件相互靠近放置。避免由于周圍器件環(huán)境的不同而導(dǎo)致匹配器件的工作差異。當(dāng)前第43頁\共有104頁\編于星期一\11點版圖的重要性不重復(fù)性：兩個完全相同的CAD版圖在被生產(chǎn)出來后，它們的作用和工作可能會差別很大。雖然版圖上的每一樣?xùn)|西看上去都一樣，但是由于某些原因，就是無法在兩個器件中重復(fù)同樣的性質(zhì)。良好的習(xí)慣可以免除某些費(fèi)力的匹配工作。將版圖設(shè)計規(guī)則形成一種習(xí)慣。當(dāng)前第44頁\共有104頁\編于星期一\11點交流的重要性要了解電路設(shè)計者的意圖，知道在什么時候應(yīng)當(dāng)在版圖中運(yùn)用匹配技術(shù)。當(dāng)前第45頁\共有104頁\編于星期一\11點簡單匹配匹配規(guī)則之二：注意周圍器件。（如周圍器件的發(fā)熱等）由于不同方向上制造工藝的誤差，在屏幕上看似相同的圖形可能會有不同的實際尺寸。匹配規(guī)則之三：保持器件的方向一致。當(dāng)前第46頁\共有104頁\編于星期一\11點簡單匹配當(dāng)前第47頁\共有104頁\編于星期一\11點簡單匹配當(dāng)把所有的器件都保持同一方向時，可能由于器件尺寸的原因，使版圖很難實現(xiàn)，此時就應(yīng)該與電路設(shè)計人員交流，找出最不重要的器件，將其轉(zhuǎn)向或做其他的處理。當(dāng)前第48頁\共有104頁\編于星期一\11點簡單匹配匹配規(guī)則之四：與電路設(shè)計者交流匹配規(guī)則之五：掩膜設(shè)計者不會心靈感應(yīng)。電路設(shè)計者應(yīng)該清楚他們需要哪些匹配，并讓版圖設(shè)計者知道這一點。當(dāng)前第49頁\共有104頁\編于星期一\11點根器件方法例如電阻在這里，根部件指的是這樣一個電阻，可以根據(jù)這個電阻設(shè)計出所有其他的電阻。這樣在工藝過程中，所有電阻的工藝差別將會保持一致。當(dāng)前第50頁\共有104頁\編于星期一\11點根器件方法當(dāng)前第51頁\共有104頁\編于星期一\11點根器件方法例如圖5.2，通常許多人會選擇一個最小的電阻作為根部件，形成圖5.3所示的情況。另外一種做法是采用一個中間值作為根部件，其他的電阻由串聯(lián)和并聯(lián)實現(xiàn)，如圖5.4。這樣做節(jié)省了接觸電阻的總數(shù)，而根電阻又較大，所以接觸電阻在總電阻中所占的比例就較小。當(dāng)前第52頁\共有104頁\編于星期一\11點根器件方法當(dāng)前第53頁\共有104頁\編于星期一\11點根器件方法當(dāng)前第54頁\共有104頁\編于星期一\11點根器件方法匹配規(guī)則之六：選擇一個中間值作為根部件。根部件方法不禁適用于電阻，也適用于任何其他類型的器件。當(dāng)前第55頁\共有104頁\編于星期一\11點指狀交叉器件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。把根部件圍起來，使它處于中間，是解決上述匹配問題的一個非常好的解決方法，也稱為簡單匹配，或者指狀交叉匹配。匹配規(guī)則之七：采用指狀交叉方式當(dāng)前第56頁\共有104頁\編于星期一\11點指狀交叉器件當(dāng)前第57頁\共有104頁\編于星期一\11點指狀交叉器件例子：如圖5.6的兩串電阻需要匹配，解決方案是圖5.7，注意其排列方式A1，B3，A2，B2，A3，B1。指狀交叉部件的布線方式可以采用蛇形線，如圖5.8.這種交叉排列技術(shù)不僅適用于電阻，也適用于其他任何器件。當(dāng)前第58頁\共有104頁\編于星期一\11點指狀交叉器件當(dāng)前第59頁\共有104頁\編于星期一\11點指狀交叉器件當(dāng)前第60頁\共有104頁\編于星期一\11點指狀交叉器件當(dāng)前第61頁\共有104頁\編于星期一\11點虛設(shè)器件在圖5.8中，邊上的期間A1和B1的外邊不再有器件，這也會造成不一致，因為在進(jìn)行刻蝕時，邊上的器件會被刻蝕的重一些，從而使它們比中間的器件要窄。如圖5.9。當(dāng)前第62頁\共有104頁\編于星期一\11點虛設(shè)器件當(dāng)前第63頁\共有104頁\編于星期一\11點虛設(shè)器件解決方法：在邊上加虛設(shè)器件。如圖5.10和5.11。匹配規(guī)則之八：用虛設(shè)器件圍起來。當(dāng)前第64頁\共有104頁\編于星期一\11點虛設(shè)器件當(dāng)前第65頁\共有104頁\編于星期一\11點虛設(shè)器件當(dāng)前第66頁\共有104頁\編于星期一\11點共心將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做是共心技術(shù)。共心技術(shù)對減少在集成電路中存在的熱或工藝的線性梯度影響非常有效。圖5.12和圖5.13：共心布置的一些例子當(dāng)前第67頁\共有104頁\編于星期一\11點共心一、四方交叉把一個器件分為兩半，然后把他們成對角線放置。這種特殊的工薪技術(shù)稱為四方交叉。如電路圖5.14中的兩個晶體管需要高度匹配，可以講它們采用四方交叉技術(shù)，設(shè)計成如圖5.15所示的模式。當(dāng)前第68頁\共有104頁\編于星期一\11點共心當(dāng)前第69頁\共有104頁\編于星期一\11點共心當(dāng)前第70頁\共有104頁\編于星期一\11點共心匹配規(guī)則之九：將成對器件四方交叉當(dāng)需要匹配時，需要記住，要讓每一樣?xùn)|西看起來都完全一樣，可能會有一些不必要的重疊，如圖5.16當(dāng)前第71頁\共有104頁\編于星期一\11點共心當(dāng)前第72頁\共有104頁\編于星期一\11點共心經(jīng)濟(jì)性四方交叉，或稱為A-B-B-A線性形式。如圖5.17，其中也有一些不必要的重疊，是為了使布線上的寄生參數(shù)相匹配。當(dāng)前第73頁\共有104頁\編于星期一\11點共心當(dāng)前第74頁\共有104頁\編于星期一\11點共心匹配規(guī)則之十：使布線上的寄生參數(shù)匹配對稱性是器件匹配中要考慮的問題。尤其在高頻電路版圖中，如果希望使寄生參數(shù)匹配，就必須在一條對稱軸的兩邊布置功能塊。如圖5.18和圖5.19匹配規(guī)則之十一：使每一樣?xùn)|西都對稱當(dāng)前第75頁\共有104頁\編于星期一\11點共心當(dāng)前第76頁\共有104頁\編于星期一\11點共心當(dāng)前第77頁\共有104頁\編于星期一\11點匹配信號路徑一種需要高度匹配的電路技術(shù)就是所謂的差分邏輯。只要涉及到差分問題，就要特別注意匹配問題。兩條導(dǎo)線并排排列，每條導(dǎo)線傳遞同樣的信息，但信息的狀態(tài)相反。在差分邏輯中，每個信號由兩條導(dǎo)線，這兩條導(dǎo)線上的兩個信號之間的差別就是邏輯狀態(tài)。如圖5.21，A和B分別是差分邏輯中的兩個信號，B-A決定了差分邏輯狀態(tài)。當(dāng)前第78頁\共有104頁\編于星期一\11點匹配信號路徑當(dāng)前第79頁\共有104頁\編于星期一\11點匹配信號路徑因此，為了使差分邏輯能很好的工作，必須使版圖中的兩個信號線長度匹配，其寄生參數(shù)也匹配，時間常數(shù)一致，這樣才能在圖5.22中的B端看到兩個輸入信號在同一時間上升和下降。差分邏輯依賴于完全一致的布線。圖5.24差的匹配，所導(dǎo)致的的信號波形如圖5.25所示。匹配規(guī)則之十二：使差分布線一致當(dāng)前第80頁\共有104頁\編于星期一\11點匹配信號路徑當(dāng)前第81頁\共有104頁\編于星期一\11點匹配信號路徑當(dāng)前第82頁\共有104頁\編于星期一\11點匹配信號路徑當(dāng)前第83頁\共有104頁\編于星期一\11點器件尺寸的選擇匹配規(guī)則之十三：使器件的寬度一致，比如電阻。需要匹配的器件選擇一個統(tǒng)一的合理的尺寸，使電阻的寬度一致，只改變長度。匹配規(guī)則之十四：采用較大的器件。這樣可以減少工藝偏差的影響。經(jīng)驗之談：電阻的最小寬度為5um，最小長度為10um當(dāng)前第84頁\共有104頁\編于星期一\11點6.4噪聲問題由于模擬電路和數(shù)字電路是在非常不同的噪聲電平上工作，所以混合信號電路的噪聲問題最多。在數(shù)字電路中，每當(dāng)邏輯狀態(tài)改變時，F(xiàn)ET門的電容就充電或放點一次。這一充放電電流通過晶體管流至軌線就會引起另一個電流脈沖。在模擬電路中，有時需要接收一個非常小的信號，然后用很多放大器對其進(jìn)行放大，但同時也放大了一些不必要的噪聲。模擬電路的輸出也會對輸入信號形成噪聲干擾。當(dāng)前第85頁\共有104頁\編于星期一\11點利用常識解決噪聲的方法一、調(diào)小音量（減小信號擺幅）使得觸發(fā)器發(fā)生切換時，具有較小的能量交換。混合芯片中，最主要的噪聲來源是數(shù)字信號。二、讓搖滾樂隊搬進(jìn)他們自己的屋里將產(chǎn)生噪聲的電路部分隔離起來。當(dāng)前第86頁\共有104頁\編于星期一\11點利用常識解決噪聲的方法隔離的方法有很多種，其中之一是用一大圈接地的襯底接觸把整個模塊圍起來。而襯底接觸的尺寸要選擇較大的。接地的導(dǎo)線也應(yīng)該選擇導(dǎo)電良好的粗大導(dǎo)線，不要使用很細(xì)的導(dǎo)線。保護(hù)環(huán)或保護(hù)帶，作用都是為了屏蔽噪聲。當(dāng)前第87頁\共有104頁\編于星期一\11點利用常識解決噪聲的方法當(dāng)前第88頁\共有104頁\編于星期一\11點利用常識解決噪聲的方法三、回到自己的屋里將受保護(hù)的電路模塊也放到保護(hù)環(huán)之內(nèi)，所謂的雙重隔離。保護(hù)帶應(yīng)該嚴(yán)密（把窗子關(guān)好）當(dāng)前第89頁\共有104頁\編于星期一\11點利用常識解決噪聲的方法四、安排時序?qū)⒃肼曤娐泛褪鼙Ｗo(hù)電路的操作時間錯開。這是電路設(shè)計的一個手段，但是版圖設(shè)計人員可以在必要的時候提出建議。如圖6.6當(dāng)前第90頁\共有104頁\編于星期一\11點利用常識解決噪聲的方法當(dāng)前