CMOS集成电路设计课件.ppt

1、模拟集成电路设计原理模拟集成电路设计原理课程摘要采用当今流行的CMOS工艺，讨论模拟集成电路的分析和设计原理。建立模拟集成电路设计的基础-工艺和器件模型模拟集成电路分析、设计和仿真的方法 层次化、自下而上的分析方法。直观的、基于简单分析模型的分析方法。电路设计步骤 模拟工具的正确使用课程摘要采用当今流行的C MO S 工艺，讨论模拟集成电路的分析和参考书 P.R.Gray“Analysis and Design of Analog Integrated Circuits”2.Behzad Razavi“模拟CMOS集成电路设计”3.Phillip E.Allen“CMOS 模拟集成电路设计”其

2、它参考书：Alan Hastings“The Art of Analog Layout”R.J.Baker“CMOS:混合信号电路设计”David A John、Ken Martin“Analog Integrated Circuits Design”HSPICE Users Manual”1.参考书 P.R.G r a y “A n a l y s i s a n d D考核标准和联系方式考核标准 平时作业 设计课题 期中练习 期末联系方式15%15%15%55%考核标准和联系方式考核标准1 5%导论1.1 模拟集成电路设计的特点层次化设计设计步骤鲁棒（robust）设计1.2 模拟集成电路

3、的应用1.3 模拟信号处理1.4 混合信号电路举例导论1.1 模拟集成电路设计的特点层次化设计1.2 模拟集成模拟集成电路的一般概念什么是模拟电路？模拟信号模拟信号的采样信号模拟集成电路的一般概念什么是模拟电路？模拟信号一般概念（续）什么是模拟集成电路设计？特定模拟电路、或系统的功能和性能设计选择合适的集成电路工艺成功的设计结果一般概念（续）什么是模拟集成电路设计？特定模拟电路、或系统设模拟集成电路设计步骤电路设计物理版图设计 根据工艺版图设计规则设计器件、器件之间的互联 电源和时钟线的分布 与外部的连接电路测试 电路制备后对电路功能和性能参数的测试验证产品开发模拟集成电路设计步骤电路设计物理

4、版图设计电路测试层次设计描述层次设计电路层次系统 系统说明/仿真Matlab、ADMS 电路性能 netlist/simulation版图布局 layout参数化模块/单元 layout行为模型物理模型电路 宏模型Matlab器件器件特性 版图描述design rule 器件模型spice model层次设计描述层次设计电路层次系统 系统说明/仿真 电路性能版层次设计结构开关电容电路、*VCO和PLL、*A/D D/A、复杂电路运算放大器、带隙基准、*比较器简单电路单级放大器、差动放大器、电路偏置、电流镜电路器件CMOS工艺、器件物理、器件Spice参数、*版图设计、*电路模拟层次设计结构开关

5、电容电路、*V C O 和P L L、*A/D D/模拟集成电路设计步骤设计要求描述设计定义电路设计与设计指标比较执行设计仿真物理层设计物理层设计物理层验证提取寄生参数芯片设计测试和产品开发芯片制造测试和验证产品生产与设计指标比较模拟集成电路设计步骤设计要求描述设计定义电路设计与设计指标比集成和分立模拟电路的区别器件制备在同一衬底上器件具有相似的性能参数，易于匹配。器件参数由几何尺寸决定。器件的品种和参数的限制无源器件的面积大、参数的范围小、精度差。MOS工艺中的Bipolar晶体管的品种少、性能差。采用计算机仿真验证无法用电路试验板验证。计算机验证的直观性差，受仿真方法和器件参数的影响大。集

6、成和分立模拟电路的区别器件制备在同一衬底上器件具有相似的性模拟和数字集成电路的区别电路的不同模拟信号数字信号；不规则的形状规则的形状设计层次电路级系统级设计方法全定制标准单元器件参数的影响器件参数的连续性固定；精确的模型时序模型；设计优化（trade-off/robusting）软件编程动态范围（Dynamic range）受电源/噪声限制没有限制CAD难以利用自动设计工具模拟和数字集成电路的区别电路的不同模拟信号数字信号；不规则模拟集成电路设计的特点直观的设计模拟设计的复杂性设计参数多速度、功耗、增益、精度、电源电压、线性度等参数不同参数间的折中设计难度大高性能电路设计难点噪声、串扰、电源电

7、压下降等温度对性能的影响大器件二级效应对性能的影响大模拟电路二级效益的建模和仿真存在难题。仿真不能发现所有设计问题解决方法：直观和经验设计模拟集成电路设计的特点直观的设计模拟设计的复杂性设计参数多速鲁棒设计鲁棒设计电路性能随工艺、电源电压、温度而变化器件模型参数的改变 阈值电压、二级效应参数 工艺角参数TT、FF、SS、FNSP、SNFP电源电压对器件工作区的影响电压变化范围：20%温度的范围室温：25度、或50度民品、军品计算机模拟易于仿真在最坏条件下的电路性能鲁棒设计鲁棒设计电路性能随工艺、电源电压、温度而变化器件模型模拟集成电路的应用模拟电路本质上是不可替代的自然界是“模拟”的声、光、电

8、等模拟量模数和数模转换模拟集成电路的应用模拟电路本质上是不可替代的自然界是“模拟”模拟集成电路的应用集成传感器系统传感器感知或探测模拟信号声音（麦克风、超声波系统）、力（地震仪、加速度计）、热（电子温度计）、光（数码相机）、磁（磁盘驱动）探测器感知的信号很弱麦克风、地震仪的电压：几毫伏几百毫伏视频照相机的电流：每毫秒几个电子探测器信号处理电路放大、滤波、数据转换、信号处理、信号传输模拟集成电路的应用集成传感器系统传感器感知或探测模拟信号麦克模拟集成电路的应用汽车电子应用加速度计探测可变电容器的改变量：1%探测单电容值的改变探测单电容之差的改变模拟集成电路的应用汽车电子应用加速度计探测可变电容器

9、的改模拟集成电路的应用数字通信应用数字信号经过传输后 模拟信号有线通讯电缆传输衰减、串扰、回波模拟集成电路的应用数字通信应用数字信号经过传输后 模拟信号衰模拟集成电路的应用采用多电平信号已降低所需的带宽降低了收发电路的带宽要求数据转换的精度提高模拟集成电路的应用采用多电平信号已降低所需的带宽降低了收发电模拟集成电路的应用无线接收接收信号很弱几毫伏、干扰大、中心频率高接收信号处理放大信号降低噪声抑制干扰高频工作功耗和成本模拟集成电路的应用无线接收接收信号很弱几毫伏、接收信号处理放模拟集成电路的应用磁盘驱动通过磁头将磁信号转换成电信号：几毫伏放大、滤波、数据转换高速数据转换：500兆赫兹模拟集成电

10、路的应用磁盘驱动通过磁头将磁信号转换成电信号：几毫模拟集成电路的应用光通信光缆传输极高带宽、极低损耗高速、远距离传输信号转换电信号光信号电信号：极小的电流低噪声、高速接收电路模拟集成电路的应用光通信光缆传输极高带宽、极低损耗高速、模拟集成电路的应用高速的数字信号 模拟信号微处理器高速的时钟高速的数据传输寄生效应对性能的影响SRAM、DRAM高速的数据读写巨大的储存单元阵列造成的寄生灵敏的读出电路模拟集成电路的应用高速的数字信号 模拟信号微处理器高速的时钟模拟集成电路的“蛋壳”模型模拟集成电路的“蛋壳”模型2019年世界模拟IC市场2 0 1 9 年世界模拟I C 市场模拟信号带宽的关系对模拟电

11、路而言，不同的应用对于不同的信号带宽模拟信号带宽的关系对模拟电路而言，不同的应用对于不同的信号带集成电路工艺的趋势集成电路工艺的趋势MOS和BIPOLAR器件性能MO S 和B I P O L A R 器件性能工艺进化对模拟电路的影响优势面积更小、寄生电容更小跨导更大、速度更快劣势沟道电阻下降（增益下降）阈值电压下降速度低于电源电压、信号幅度下降噪声上升、动态幅度下降更加非线性更加偏离MOS的平方律电流特性、建模更难工艺进化对模拟电路的影响优势面积更小、寄生电容更小劣势沟道电模拟信号处理首先确定系统中的模拟和数字部分的划分系统分成三个模块预处理模块：将模拟信号转变为数字信号数字处理模块：数字信

12、号处理(DSP)后加工模块：将数字信号转换为模拟信号模拟信号处理首先确定系统中的模拟和数字部分的划分预处理模块：系统中的模拟电路预处理模块：输入信号：传感器输出、语音信号、射频信号等滤波器(filter)：根据采样原理，限制输入模数转换器的信号带宽。自动增益控制电路(AGC)：控制模数转换器的输入信号的幅度，是一个可控增益放大器。模数转换器(ADC或 A/D)：将模拟信号转换为数字信号。频率综合器或锁相环(PLL)：提供信号采样的精确时钟。后处理模块：数模转换器：将数字信号转换为模拟信号。放大：功率放大，提高驱动能力。滤波器：平滑输出波形。系统中的模拟电路预处理模块：输入信号：传感器输出、语音

13、信号、举例磁盘驱动器数字读/写通道举例磁盘驱动器数字读/写通道磁盘驱动器中的模块电路(1)输入信号：信号由磁感应转换得到，经片外预放大器放大，为全差分模拟信号。可变增益放大器(VGA)：数字增益控制回路进行实时控制低通滤波器(low-pass filter)：Gm-C滤波器，具有2零点7极点。零极点的相对位置可编程。具有高频下增益提升功能。磁盘驱动器中的模块电路(1)输入信号：信号由磁感应转换得到，低通滤波器的频率响应调节Gm-C滤波器频率响应的方法对电容值C进行数字控制可编程对跨导Gm进行调节：单极点低通Gm-C滤波器Gm由偏置电流或电压确定，易受工艺、温度和电源电压变化的影响低通滤波器的频

14、率响应调节G m-C 滤波器频率响应的方法对电容值低通滤波器的频率响应利用PLL得到精确的控制电压PLL可得到精确的频率。PLL的频率和振荡器(VCO)的特征时间常数成反比。C/Gm低通滤波器中的电路和VCO的电路是匹配的。低通滤波器的频率响应利用P L L 得到精确的控制电压P L L 可得到磁盘驱动器中的模块电路（2）模数转换器(ADC)6位ADC，由VCO提供采样时钟。采样频率由数字时钟恢复电路控制。偏移控制：采集63个比较器的失调电压，反馈到输入端，抵消由此引起的失真。数字信号处理有限脉冲响应(FIR）滤波器或均衡器。峰值检测、定时控制和增益控制。时序检测和Viterbi解码、RLL解

15、码、解扰码。对于写（发送）：扰码、RLL编码、驱动/DAC/filter 磁盘驱动器中的模块电路（2）模数转换器(A D C)6 位A D C，磁盘驱动器中的模块电路（3）写（发送）扰码、RLL编码、驱动/DAC/filter 磁盘驱动器中的模块电路（3）写（发送）扰码、R L L 编码、驱动小结什么是模拟集成电路设计，模拟集成电路设计和分立模拟电路与数字电路设计的区别，设计的难点。设计步骤和直观的、层次的、鲁棒的设计。模拟集成电路的应用、不同的信号带宽和工艺对模拟电路的影响。模拟信号处理系统设计和各种典型的模拟电路模块VLSI混合模拟信号电路设计举例小结什么是模拟集成电路设计，模拟集成电路设计和分立模拟