CMOS集成电路设计.ppt

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,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.,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%,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 模拟集成电路的应用1.3 模拟信号处理1.4 混合信号电路举例,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,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,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,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,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,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,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。,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,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,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、电等模拟量模数和数模转换,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,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,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,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,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,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,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“蛋壳”模型,2002年世界模拟IC市场,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宽,集成电路工艺的趋势,MOS和BIPOLAR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,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：数字信号处理(DSP)后加工模块：将数字信号转换为模拟信号,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。,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。,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。,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（3）,写（发送）,扰码、RLL编码、驱动/DAC/filter,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,