1、模拟CMOS集成电路设计：时 间：2009年12月10日韩 可电子工程学院Email:Tel:61198659第第1章章 模拟集成电路设计绪论模拟集成电路设计绪论 1.1 学习要求 1.2 集成电路的发展概况 1.3 模拟集成电路设计重要性课程安排课程安排课程划分n总学分：3n总学时：48n理论课:32学时,2学分(第4周-第20周)，教材1-10章n实验课:16学时,1学分(13周以后)成绩评定:n 作业及平时成绩、开卷考试:50%n实验成绩:50%第第1章章 模拟集成电路设计绪论模拟集成电路设计绪论 1.1 学习要求 1.2 集成电路的发展概况 1.3 模拟集成电路设计重要性6集成电路的发
2、展集成电路的发展-ENIAC（埃尼阿克）（埃尼阿克）1946年诞生第一台计算机2.4x0.9x30.4818000个电子管占地170平方米重30吨耗电150千瓦每秒执行5000次加法或400次乘法总投资48万美元SIM2.0（2006移动酷卡）移动酷卡）25.2mm x 15.0 mmARM7TDMI处理器（40MIPS）64k SRAM64M Flash相当于1台486电脑 SIM2.0是具备基础驱动、操作系统、文件管理、应用程序开发等功能的、强大的实时操作系统的智能卡。高度：高度：123.8 毫米毫米宽度：宽度：58.6 毫米毫米厚度：厚度：7.67.6毫米毫米重量：重量：112 克克尺寸
3、和重量尺寸和重量IPHONE5（2012）7.6 毫米毫米1123.8 毫米毫米58.6 毫米毫米处理器处理器nApple A4的die尺寸为7.3x7.3mmn采用45nm工艺n面积53平方毫米nA6运算速度两倍于运算速度两倍于iPhone 4S采用的采用的A5处理器，处理器尺寸处理器，处理器尺寸缩小了缩小了22%集成电路发展趋势：处理器工艺的发展（集成度增高）集成电路发展趋势：处理器工艺的发展（集成度增高）低功耗技术低功耗技术时间时间1980 1983 1982 1989 1995 2001 2004 2010L(m)3.02.01.20.50.350.180.130.07电源电压（电源电
4、压（V）L集成电路技术发展带来的变化集成电路技术发展带来的变化2010年我国集成电路市场应用结构年我国集成电路市场应用结构2000-2010年我国集成电路进年我国集成电路进出口额出口额15电路设计分类电路设计分类n分立电路设计n集成电路设计l混合集成电路设计l单片集成电路设计n数字电路：处理数字信号，即在离散的幅度值上有定义的信号。n模拟电路：处理模拟信号，在连续时间范围内具有连续幅度变化的信号。GaAs、InP工艺 Si工艺：CMOS、Bipolar、BiCMOS集成电路设计方法的改变集成电路设计方法的改变数字集成电路设计流程数字集成电路设计流程数字集成电路设计数字集成电路设计 集成电路制造
5、概述集成电路制造概述Used with permission from Advanced Micro DevicesOxidation(Field oxide)Silicon substrateSilicon dioxideoxygenPhotoresistDevelopoxidePhotoresistCoatingphotoresistMask-WaferAlignment and ExposureMaskUV lightExposed PhotoresistexposedphotoresistSDActive RegionsSDsilicon nitrideNitrideDepositio
6、nContact holesSDGContactEtchIon ImplantationDGScanning ion beamSMetal Deposition and EtchdrainSDGMetal contacts PolysiliconDepositionpolysiliconSilane gasDopant gasOxidation(Gate oxide)gate oxideoxygenPhotoresistStripoxideRF PowerIonized oxygen gasOxideEtchphotoresistoxideRF Power Ionized CF4 gasPol
7、ysiliconMask and EtchRF PowerIonized CCl4 gaspoly gateRF Power第第1章章 模拟集成电路设计绪论模拟集成电路设计绪论 1.1 学习要求 1.2 集成电路的发展概况 1.3 模拟集成电路设计重要性 在数字集成电路高度发展的在数字集成电路高度发展的今天，为什么还要学模拟集成今天，为什么还要学模拟集成电路设计？特别是电路设计？特别是CMOS模拟模拟集成电路设计？集成电路设计？自然界信号的处理自然界信号的处理（a）自然界信号的数字化自然界信号的数字化 （b）增加放大器和滤波器以提高灵敏度增加放大器和滤波器以提高灵敏度高速、高精度、低功耗高速、
8、高精度、低功耗ADC的设的设计是模拟电路设计中的难题之一计是模拟电路设计中的难题之一高性能放大器和滤波器高性能放大器和滤波器设计也是热点研究课题设计也是热点研究课题数字通信数字通信数字信号通过有损电缆的衰减和失真数字信号通过有损电缆的衰减和失真失真信号需放大、滤波和数字化后才再处理失真信号需放大、滤波和数字化后才再处理数字通信数字通信使用多电平信号以减小所需的带宽使用多电平信号以减小所需的带宽1011010010组合二进制数据组合二进制数据多电平信号多电平信号确定所传送电平确定所传送电平DACADC传送端传送端接收端接收端磁盘驱动电子学磁盘驱动电子学存储数据存储数据恢复数据恢复数据硬盘存储和读
9、出后的数据硬盘存储和读出后的数据无线接收机无线接收机无线接收天线接收到的信号无线接收天线接收到的信号(幅度只有几微伏幅度只有几微伏)和噪声频谱和噪声频谱接收机放大低电平信号时必须具有极小噪接收机放大低电平信号时必须具有极小噪声、工作在高频并能抑制大的有害成分。声、工作在高频并能抑制大的有害成分。光接收机光接收机光纤系统光纤系统转换为一个小电流转换为一个小电流高速电流处理器高速电流处理器激光二极管激光二极管光敏二极管光敏二极管传感器传感器(a)简单的加速度表简单的加速度表(b)差动加速度表差动加速度表汽车触发气囊的加速度检测原理图汽车触发气囊的加速度检测原理图三轴陀螺仪三轴陀螺仪iphone4中
10、的陀螺仪芯片中的陀螺仪芯片主板主板苹果苹果Apple A4处处理器理器三星三星AGD1 三轴三轴陀螺仪，意陀螺仪，意法半导体法半导体3mmx3mm意法半导意法半导体体33DH三轴加速传感三轴加速传感器：器：BG7AXSkyworks SKY77541 GSM/GPRS前前端模块端模块338S0626 英英飞凌飞凌 GSM/WCDMA 收发器收发器TriQuint TQM676091/2功放器功放器Skyworks SKY77542双频双频GSM/GPRS前端前端模块模块三星三星K9PFG08闪存闪存Cirrus Logic 338S0589音频音频Codec德州仪器德州仪器343S0499触触
11、摸屏控制器摸屏控制器Numonyx 36MY1EE，集成，集成NOR闪存和闪存和Mobile DDR内存内存l毫米波提供大于5GHz带宽，满足高清视频传输通信、雷达、广播电视网络、航天、船舶、电力、能源、交通、医疗、通信、雷达、广播电视网络、航天、船舶、电力、能源、交通、医疗、生物生物、军事、军事等的电子设备和系统等的电子设备和系统。l毫米波探测，如车辆防撞雷毫米波探测，如车辆防撞雷达及飞机跑道障碍探测达及飞机跑道障碍探测l毫米波实现高速互联、通信毫米波实现高速互联、通信，实现无线，实现无线USBUSB、无线光纤、无线光纤等等l毫米波安检，对全身进行扫毫米波安检，对全身进行扫描成像，提供有力安
12、全保障描成像，提供有力安全保障车载碰撞雷达车载碰撞雷达收发收发芯片芯片结构结构(富士富士)Multi-technology IntegrationExisting and predicted first integration of SoC technologies with standard CMOS processSource:2003 Technology Roadmap for Semiconductors,IEEE Computer Society,January 2004 2010年我国集成电路市场结构年我国集成电路市场结构为什么要学模拟为什么要学模拟CMOS集成电路设计？集成电路
13、设计？n首先，MOSFET的特征尺寸越来越小，本征速度越来越快（已可与双极器件相比较），现在几GHz几十GHz的CMOS模拟集成电路已经可批量生产。nSOC芯片中同时包含有大量的模拟、数字电路，由于CMOS以其低成本、低功耗已成为现代大规模数字集成电路设计及制造的首选，与数字集成电路技术兼容的CMOS模拟集成电路技术可降低SOC芯片的制造及封装成本。因此CMOS电路已成为当今SOC设计的主流制造技术。模拟设计困难的原因是什么（模拟设计困难的原因是什么（1）？）？A.模拟设计涉及到在速度、功耗、增益、精度、电源电压等多种因素间进行折衷，而数字电路只需在速度和功耗之间折衷。B.模拟电路对噪声、串扰
14、和其它干扰比数字电路要敏感得多。C.器件的二级效应对模拟电路的影响比数字电路要严重得多。D.高性能模拟电路的设计很少能自动完成，而许多数字电路都是自动综合和布局的。模拟设计困难的原因是什么？模拟设计困难的原因是什么？E.模拟电路许多效应的建模和仿真仍然存在问题，模拟设计需要设计者利用经验和直觉来分析仿真结果。F.现代集成电路制造的主流技术是为数字电路开发的，它不易被模拟电路设计所利用（如特征尺寸减小导致器件迁移率下降、沟道调制效应增大；电源电压的下降使以前的一些电路设计技术受到限制等），为了设计高性能的模拟电路，需不停开发新的电路和结构。模拟与数字电路的比较模拟与数字电路的比较模拟集成电路模拟
15、集成电路数字集成电路数字集成电路信号在幅值和时间上连续信号在幅值和时间上连续信号在时间上离散，幅值上量化信号在时间上离散，幅值上量化电路级设计电路级设计系统级设计系统级设计基本基本器件尺度连续器件尺度连续基本器件尺度固定基本器件尺度固定定制化设计定制化设计标准化设计标准化设计较难应用较难应用CAD工具工具成熟的成熟的CAD设计软件设计软件需要精确建模需要精确建模可使用时序模型可使用时序模型性能需要优化性能需要优化可由软件编程可由软件编程模块非通用模块非通用模块通用模块通用难以自动布线难以自动布线容易自动布线容易自动布线动态范围由电源和噪声及线性度决定动态范围由电源和噪声及线性度决定没有动态范围
16、的限制没有动态范围的限制“如果能用数字电路比较经济的完成，不要使用模拟电路如果能用数字电路比较经济的完成，不要使用模拟电路”模拟集成电路设计流程模拟集成电路设计流程模拟电路设计模拟电路设计晶体管级原理图设计晶体管级原理图设计仿真工具仿真仿真工具仿真按照规格要求，选用已用于工按照规格要求，选用已用于工业的业的成熟模块成熟模块，略微修改、组，略微修改、组合成满足规格要求的电路。合成满足规格要求的电路。布局布线布局布线(Layout)物理规则验证物理规则验证(DRC:Design Rule Check)与电路图一致性验证与电路图一致性验证(LVS:Layout vs.Schematic)寄生参数提取
17、寄生参数提取(PE:Parasitical Extraction)后仿真后仿真GDSII文件文件CMOS、双极、双极(Bipolar)、Bi-CMOS长沟器件长沟器件模型模型（2）单级放大器单级放大器（3）差动放大器差动放大器（4）噪声噪声（7）反馈稳定性反馈稳定性（10）非线性非线性（13）振荡器振荡器（14）反馈反馈（8）运算放大器运算放大器（9）带隙基准带隙基准（11）开关电容开关电容（12）直流分析直流分析交流分析交流分析瞬态分析瞬态分析基本分析方法基本分析方法基本电路结构基本电路结构基本电路指标基本电路指标短沟器件短沟器件模型模型（16）电流镜电流镜（5）频率特性频率特性（6）锁相环
18、锁相环（15）CMOS工艺工艺（17）失配和失调失配和失调（13）工作点低频增益低频阻抗低频噪声高频零极点时域响应谐波失真模拟模拟CMOS集成集成电路电路设计主要内容设计主要内容2010年中国十大集成电路设计企业年中国十大集成电路设计企业名次名次公司公司收入（百万美元）收入（百万美元）1展讯3432海思*3403锐迪科1924格科1265国民技术1056泰景1047中星微998大唐微电子939福州瑞芯8210华大电子81华大九天杯北京大学生集成电路设计大赛华大九天杯北京大学生集成电路设计大赛2012年年丛浩林、佟馨等获得一等奖丛浩林、佟馨等获得一等奖职业规划职业规划n数字集成电路工程师 前端设计工程师 后端设计工程师n模拟集成电路设计工程师n验证工程师n系统测试工程师n软件工程师
