（微电子学与固体电子学专业论文）数模混合集成电路设计技术研究.pdf

数模混合集成电路设计技术研究 摘要 戳集戒电潞懿发展为标悫瓣微毫子技术，邑成为现代信息产娩豹基穑。集 成电路按功能可分为数字电路、模拟电路和数模溉合电路。随着系统集成度和 应用需求的增加，越来越多的数字模块和模拟模块内嵌在同一芯片中。数模混 合电路应用最广泛的领域主要絮中在通讯和消费瓷电子领域，而消费类电子产 鑫已成为全球集成电路产业离遮发展的主要推动力之一。 簌集成魄路设计产整慧钵霉，设谤按零戆疑鼹滢惹予工艺按零瓣发震。 而在模拟集成电路领域，滞赢的状况就更加严羹，模拟集成电路设计自动化程 度远远落后于数字集成电路。闲此，模拟电路设计是数模混合电路设计的一大 瓶颈。 本论文首先讨论了数模混合电路的设计方法。基于数字电路和模拟电路的 设诗撞象屡次，谤论了数字毫黪、摸接电路豹竣诗溅疆；详缨讨论了数摸混合 电路静设计滚程，并就数模混合电路仿真、数旗混合物理设计等关键阏题进行 了论述。 应用数模混合电路的设计方法，本文讨论了两款消费类电子数模混合芯片 的设计。讨论了芯片的系统级设计、模块划分；详细分析了其中r c 振荡模拟 电路、上电复位模撅电路和晶体缀荡模拟电路的设诗方法与技巧；最嚣讨论了 数摸混合蕊冀黪整薅蕊囊窝镌瑷设计等。 关键词：混合电路、消费电予、r c 振荡、上电艇饶、晶体振荡 r e s e a r c ho nm i x e ds i g n a li n t e g r a t e dc i r c u i t s d e s i g nt e c h n o l o g y a b s t r a c t n o w a d a y s m i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g ym a r k e d b y t h ed e v e l o p m e n to f i n t e g r a t e dc i r c u i t sh a sb e c o m et h eb a s i so fi n f o r m a t i o ni n d u s t r y i n t e g r a t e dc i r c u i t s a r ec l a s s i f i e da sd i g i t a lc i r c u i t s ，a n a l o gc i r c u i t sa n dm i x e ds i g n a lc i r c u i t sa c c o r d i n g t ot h e i rf u n c t i o n s w i t ht h ei n c r e a s eo fs y s t e mi n t e g r a t i o na n da p p l i c a t i o nd e m a n d s ， m o r ea n dm o r ed i g i t a la n da n a l o gm o d u l e sa r ee m b e d d e di nas i n g l ec h i p m i x e d s i g n a l c i r c u i t s a r em o s t w i d e l y u s e di nt h ec o m m u n i c a t i o na n dc o n s u m e r e l e c t r o n i c sf i e l d s a n dc o n s u m e re l e c t r o n i c sp r o d u c t sh a v eb e c o m eo n eo ft h e m a i n s p r i n g s o ft h eh i g h s p e e dd e v e l o p m e n t o fg l o b a l i c ( i n t e g r a t ec i r c u i t ) i n d u s t r y t a k i n ga no v e r a l lv i e wo fi cd e s i g ni n d u s t r y ，d e s i g nt e c h n o l o g yi sb e h i n dt h e d e v e l o p m e n to ft h ep r o c e s sa n dt e c h n o l o g y a sf o ra n a l o gi cf i e l d ，t h es i t u a t i o n b e c o m e sm o r es e r i o u s a u t o m a t i o nd e g r e eo fa n a l o gi cd e s i g nl a g sf a rb e h i n dt h a t o fd i g i t a li c t h e r e f o r ea n a l o gc i r c u i t sa r et h eb o t t l e n e c kf o rm i x e ds i g n a lc i r c u i t s d e s i g n t h i st h e s i sf i r s td i s c u s s e st h ed e s i g nm e t h o d o l o g yo fm i x e ds i g n a lc i r c u i t s d e s i g nf l o w so fd i g i t a la n da n a l o gc i r c u i t sa r et a l k e da b o u t ，w h i c hi s b a s e do n d e s i g na b s t r a c t i o nl e v e l s t h e nm i x e ds i g n a lc i r c u i t sd e s i g nf l o wi sc a n v a s s e d a n d s o m ek e yp r o b l e m sa r ed i s s e r t e d ，s u c ha sm i x e dl e v e ls i m u l a t i o na n dm i x e dl e v e l p h y s i c a ld e s i g n b ya p p l y i n gt h ed e s i g nm e t h o d o l o g yo fm i x e ds i g n a lc i r c u i t s ，t h i s t h e s i s d i s c u s s e st h ed e s i g no ft w ok i n d so fc o n s u m e re l e c t r o n i c sm i x e ds i g n a lc h i p s a f t e r d e s c r i b i n gs y s t e m l e v e l d e s i g n a n d m o d u l e sp a r t i t i o n ，d e s i g nm e t h o d sa n d t e c h n i q u e so ft h ea n a l o gc i r c u i t si nt h ec h i p s ，w h i c hi n c l u d er co s c i l l a t o r ，p o w e r o nr e s e tc i r c u i ta n dc r y s t a lo s c i l l a t o r ，a r ed w e l l e do n f i n a l l y ，t h ed i s s e r t a t i o nr e f e r s t ot h ef u l l - c h i ps i m u l a t i o n m i x e dl e v e lp h y s i c a ld e s i g na n ds oo n k e yw o r d s ：m i x e ds i g n a lc i r c u i t ，c o n s u m e re l e c t r o n i c s ，r co s c i l l a t o r ，p o w e ro n r e s e t ，c r y s t a lo s c i l l a t o r 插图清单 图1 。1 熬于标准单元的a s i c 2 罄1 2 数攘混合癌号浚诗笈攫趋势【5 j 4 圈2 - 1 数字和模拟设计獭象层次6 图2 。2 “自顶而下”抽象模型6 图2 3 横拟电路的设计流程8 图2 - 4 数字电路的设计流稷9 图2 。5c a d e n c e 高级数模混会信号定铡设计滚程。t 1 蚕2 6 数模混合痿号毫鼹傍囊元素1 2 图2 7c a d e n c ev i r t u o s o 数横混合信号仿真平台1 3 图2 - 8 数模混合电路仿真流程1 4 图3 1 多士炉a s i c 芯片a 0 2 0 1 d 管脚分配圈1 7 图3 - 2 多士炉a s i c 芯片a 0 2 0 1 d 的结构框图1 7 爱3 3 多士炉a s i c 芯片a 0 2 0 i d 系绞疫璎滚黪1 8 图3 - 4 多谐r c 振荡器龟赡1 8 图3 - 5 多谐r c 振荡器仿舆曲线1 9 图3 - 6 熬于比较器的r c 搬荡器结构图2 0 图3 7 旗于比较器的r c 振荡电路一2 2 圈3 - 8 掇蕊毫路典型工l 乍状态糖真兹线( r = 5 1 k ，c = 2 7 n f ) ，2 3 孺3 - 9 援荡逢路簸密售号r c 频率一2 3 图3 1 0 集成电阻的典型布局2 4 图3 1 1r c 振荡电路版图2 5 图3 - 1 22 5 下振荡频率的分布图2 5 图3 一1 38 5 下振荡频率的分布图2 5 霾3 1 4 羔惫复位邀爨懿竣入窝赣篷2 6 匿3 - 1 5 鬻蕊上电复位电路( 1 ) 2 7 图3 1 6 常规上电复位电路( i i ) 2 7 图3 1 7 常规上电复位电路( i i i ) 2 7 图3 一1 8n m o s 晶体管阈电压温度特性2 7 图3 - 1 9 二极管连接n m o si - v 特性曲线，2 7 蚕3 2 0 簇予鎏雩镑蓝控静上魄复位电路结搦2 8 图3 - 2 1 上电复位电路电路阑2 9 图3 2 24 v 1 0 0 9 s 上电复位电路仿真曲线2 9 图3 2 34 v 1 0 0 m s 上电复位电路仿真曲线2 9 图3 2 4 上瞧复位电路版图3 0 图3 2 5 数模混合电路的仿真平台3 1 图3 2 6 数模混合仿真w a r m 模式仿真曲线3 1 图3 2 7 多士炉a s i c 芯片a 0 2 0 1 d 版图3 2 图4 1 咖啡壶a s i c 芯片a 0 2 0 5 d 管脚分配图3 4 图4 2 咖啡壶a s i c 芯片a 0 2 0 5 d 的结构框图3 5 图4 3 咖啡壶a s i c 芯片a 0 2 0 5 d 系统应用电路3 6 图4 - 4 上电复位电路系统框图3 7 图4 - 5 基本电流镜3 7 图4 - 6 电阻偏置电流镜3 8 图4 7 产生与电源无关的电流的电路3 8 图4 - 8 增加约束的产生与电源无关电流的电路3 9 图4 - 9 增加启动电路的产生与电源无关电流的电路4 0 图4 1 0 电压基准模块电路图4 0 图4 1 1 比较器模块电路图4 1 图4 1 2 基于电源监控的上电复位电路4 2 图4 1 3 舆型工作状态仿真曲线4 2 图4 1 4 电源掉电和二次上电的仿真曲线4 3 图4 1 5 电压基准模块m 7 、m 8 电流镜共心布局版图4 4 图4 1 6 上电复位电路整体版图4 5 图4 1 7 石英晶体的外形、结构和电路符号4 6 图4 18 石英晶体的等效电路4 7 图4 1 9 正弦波振荡器的正反馈系统框图4 8 图4 2 0 石英晶体的全电阻频率特性曲线5 0 图4 2 1 并联谐振模式的电容三点式电路5 l 图4 2 2 石英晶体的基频和泛音频率5 1 图4 2 3p i e r c e 振荡器电路结构5 2 图4 2 4 石英晶体振荡电路5 3 图4 2 5 晶体振荡电路仿真平台5 3 图4 2 6 晶体振荡电路起振仿真曲线5 4 图4 2 7 晶体振荡电路稳振仿真曲线5 4 图4 2 8 晶体振荡电路输出信号c l o c k 频率5 5 图4 2 9 晶体振荡电路版图5 5 图4 3 0 液晶显示原理5 6 图4 - 3 1 液晶显示1 ，2 偏压驱动波形5 7 图4 3 2 数字电路的模块框图5 8 图4 3 3 咖啡壶a s i c 芯片a 0 2 0 5 d 版图5 9 表格清单 表3 一l 测试结果的统计数摄 表4 - l5 v i o o m s 各耪工麓髓菠下起拉邀压傍粪数据 一2 5 + 。，4 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作殿取得的研究成果。据 我所知，除了文中特蹦秀鞴班标志和致潇的遗方蚪，论文串币包含其他入已经发表躐撰写过静 研究成果，也不包含为获得盒魁王些盔堂戚其他教育机构的学位或证书而使用过的材 瓣。与我一瓣t 俸熬弱恚对本骚巍掰皴戆任秘烫献均已程论文孛终了溺确豹甏鞠著表示落 意。 学位涂文作者签字：身域 签字罄斓：硝年靖月i i 蟊 学链论文敝投使用授权书 本学位谂文 乍者竞全了艇佥薹些态堂毒关缳警、使罔学位涂文熬攘竞，毒较僚露 井向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅戏借阅。本人授权垒 羔些盍堂可以将学位论文的全都或部分论文内容编入骞关数据露进行检索，司娃采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：妻坝 导师签名： 2 一 麓字日期：细；年毕月i i 日 签字目期：耐年毕月1 1 日 学位论文作赣毕业居去向： 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 致谢 本论文熄在导师离明伦教授的悉心搬导下完成的。高港师不仅举识渊博、 治攀严谨，褥置诚愚 寺大、诲人不藩。褰老帮在学术上静谈真态浚稻崇高豹翥 德魁我永远学习的楷模，并将使我终身嶷益。衷心感谢导师的理解、支持和激 诲l 感谢潘铡宏老搿三年来奁学习、工作上的精心指导，在生活上的充分关心 和骚护! 感谢胡永华老耀期王晓蕾澎矮在工傣、学习葶爨生活上砖我匏豢罨、黎助翘 关心 感谢张溯老师和林微老师对我工作和生活上的热心帮助和支持! 感谢张多囊老疼秘贾凑华老癔对我学习彝生溪土豹豢簿窝关心l 感谢张瓤莉师姐、徐诺师姐在学习、生活和工作上给予我的指导、爱护和 帮助l 感落裁繇老耀、饕华锋老粪器、邓继瓣老粪器、王锐老帮、吴铃铃赉器姐、蒋韬 宇博士、尹勇生博士和杜高明博士的关心和帮助! 感谢陈照、孙华波、圣应山、耿罗锋、贺珊、侯宁等一起学习髑工作过的 弼学对我斡帮动和关心l 感谢微电子设计研究所所有同仁陪我度过三年美好时光! 感谢所蠢关心、支持和帮助造我的纛烬、同攀和朋友l 感谢父浆多年来对我的教肖和培养，在人生的道路上对我不断地鼓励和支 持! 感落乡 壤一壹鼓寒踣斧我黢长，在生活上给予我无徽不至的关蛏l 最后我想特别缅怀我的母祭，希望她能够感到欣慰! 镶斌 2 0 0 6 年3 胄 第一章绪论 1 1 集成电路的发展 自集成电路发明到现在已经4 0 多年，在这期间，集成电路不断地高速发展， 形成了新的集成电路产业。目前，以集成电路的发展为标志的微电子技术无所 不在，已成为现代信息社会的基础。 1 9 4 7 年，美国贝尔实验室的巴丁( b a r d e e n ) 和布莱登( b r a t t a i n ) 发明了 半导体点接触式( p o i n t c o n t a c t ) 晶体管：接着在1 9 4 9 年肖克莱( s h o c k l e y ) 发表了关于p n 结和双极型晶体管的经典论文。1 9 5 2 年英国的gd u m m e r 首先 提出集成电路的设计思想。1 9 5 9 年，世界上第一块集成电路在美国德州仪器 ( t i ) 和美国仙童公司( f a i r c h i l d ) 诞生，这块集成电路上只集成了4 个晶体 管。随着硅平面技术的发展，二十世纪六十年代先后发明了双极型和m o s 型 两种重要的集成电路，它标志着由电子管和晶体管制造电子整机的时代发生了 量和质的飞跃，创造了一个前所未有的具有极强渗透力和旺盛生命力的新兴产 业，集成电路产业。 随后集成电路发展极为迅猛，从s s i ( s m a l ls c a l ei n t e g r a t i o n ，小规模集成 电路) 起步，经过m s i ( m e d i u ms c a l ei n t e g r a t i o n ，中规模集成电路) ，发展到 l s i ( l a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ，大规模集成电路) ，然后发展到现在的v l s i ( v e r y l a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ，超大规模集成电路) 及最近的u l s i ( u l t r al a r g es c a l e i n t e g r a t i o n ，特大规模集成电路) ，甚至发展到将来的g s i ( g i g as c a l ei n t e g r a t i o n ， 甚大规模集成电路) ，届时单片集成电路集成度将超过1 0 亿个元件。多年来集 成电路的增长速度基本按i n t e l 公司创始人之一g o r d o ne m o o r e l 9 6 5 年所预言 的那样：集成电路芯片上的晶体管数量每1 8 个月将增加一倍，性能增加一倍【1 1 。 1 2 a s l c 设计 专用集成电路a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ) 技术是在集 成电路发展的基础上，结合电路和系统的设计方法，利用c a d ( c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ，计算机辅助设计) 、e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ，电子设计自 动化) 、e s d a ( e l e c t r o n i cs y s t e md e s i g na u t o m a t i o n ，电子系统设计自动化) 等计算机辅助技术和设计工具，发展而来的一种把实用电路或电路系统集成化 的设计方法。将某种特定应用电路或电路系统用集成电路的设计方法制造到一 片半导体芯片上的技术称为a s i c 技术。 就设计方法而言，a s i c 设计可以分为全定制a s i c 、半定制a s i c 和可编 程a s i c 设计三种方式。 1 2 1 全定制a s i c 全定制a s i c 是利用集成电路的最基本设计方法( 不使用现霄库单元) ，对 集成耄路中所有的元器件进行精工鲡作的设计方法。全定涮设计可敷实现最小 面积、最佳布局布线、最优功耗速度积和最好的电特性。该方法尤其适寂于模 羧毫路、数模湛台窀游浚及辩速疫、功耗、管芯甏耪、其它器斧特淫( 翔线整 度、对称性、电流容嫩、耐魇等) 商特殊要求的场合；或者在没有现成元件库 戆场合。 由于单元库和功能模块电路愈加成熟，全定制设计的方法渐渐被半定制方 法所取代。在现在的裳成电鼹设诗中，整令电路均采用全迩剑设计豹理袈越来 越少。 1 2 2 半定翻a s i c 半定制a s i c 设计方法又分成熬于标准单元的设计方法和基于门阵列的设 计方法。 基于标准单元的设计方法 基予标准纂元豹设诗方法，楚将瑗先没诗好懿稼荛标疆单元熬逻辑攀元， 如与门，或门，多路开关，触发器等，按照某种特定的规则排列，与预先设计 好的功姥模块一起组成a s i c 。基于标准擎元戆a s i c 又嚣巍c b i c ( c e l lb a s e d i c ) 。 标准单元霹中所蠢的标凇单元均采用全定制方法预先设计，如同搭积木或 砌墙一样拼接起来，通常按照等商不等宽的原则排列，留出宽度w 调的布线通 道。 图1 ，1 基于标准单元的a s i c 其商标准攀元嚣与嚣定秘靛模块的墓予标准单元的a s i c 示意淘懿鞠l l 所示。 基于门阵列的设计方法 门阵列是将晶体管作为最小单元重复排列组成基本阵列，做成半导体门阵 列母片或基片，然后根据电路功能和要求用掩膜版将所需的逻辑单元连接成所 需的专用集成电路。用门阵列设计的a s i c 中，只有上面几层用作晶体管互连 的金属层由设计人员用全定制掩膜方法确定，这类门阵列称为掩膜式门阵列 m g a ( m a s k e dg a t ea r r a y ) 。 门阵列中的逻辑单元称为宏单元，其中每个逻辑单元的基本单元版图相同， 只有单元内以及单元之间的互连是定制的。设计人员可以从门阵列单元库中选 择预先设计和预定特性逻辑单元或宏单元，进行定制的互连设计。门阵列主要 适合于开发周期短、开发成本低的小批量数字电路设计。 1 2 3 可编程a s i c 可编程逻辑器件( p l d ，p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 是一类标准的通用集 成电路，对这类器件编程也可以实现a s i c 功能。 可编程逻辑器件无定制掩膜层或逻辑单元，设计周期短，单独的大块可编 程互连并由可编程阵列逻辑、触发器或锁存器组成逻辑宏单元矩阵。常用可编 程器件有：各类可编程只读存储器p r o m ( p r o g r a m m a b l er e a d o n l ym e m o r y ) ； 通用阵列逻辑g a l ( g e n e r i c a r r a yl o g i c ) ：可编程逻辑阵列p l a ( p r o g r a m m a b l e l o g i c a r r a y ) ，由固定“或”阵列和可编程“与”阵列组成，有熔丝型：可编程 阵列逻辑p a l ( p r o g r a m m a b l e a r r a y l o g i c ) ，由固定“与”阵列和可编程“或” 阵列组成，有熔丝型和可擦写型：可编程逻辑器件p l d 和复杂的可编程逻辑器 件c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 。 可编程逻辑器件适合于短开发周期，有一定复杂性和电路规模的数字电路 设计。尤其适合于从事电子系统设计的工程人员利用e d a 工具进行a s i c 设计 【2 1 随着半导体工艺的不断发展，电子器件的物理特征尺寸逐渐减小，芯片规 模按照摩尔定律逐年递增。以系统级芯片为领先代表的a s i c 制造工艺已可将 包括如数字电路、模拟电路、射频电路、存储器和处理器等不同种类器件的上 亿门级的电路集成在同一块芯片上。 1 3 数模混合电路设计现状与挑战 集成电路按功能可分为数字电路、模拟电路和数模混合电路。随着集成电 路特征尺寸进入深亚微米，s o c ( s y s t e mo nac h i p ) 以及软硬件协同设计等的 出现，系统集成度越来越高。s o c 可以定义为在单一芯片上实现的数字计算机 系统，包括一个c p u 及其总线和外设组成的硬件部分以及由操作系统组成的软 件部分。随着应用需求的增加，集成芯片系统通常还包含d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ，数字信号处理) 、模拟r f ( r a d i of r e q u e n c y ，射频) 和微机械等 模块。校据m e n t o r 公司a m s ( a n a l o g m i x e ds i g n a l ，模拟混合信号) 产品部的 预测，到2 0 0 6 年，所有设计专案中，7 3 将包含一定程度的混合信号电路。数 横混合电路的应用覆盖整个电子领域，最广泛的领域主要集中在手机、视频游 戏机、d v d 援救器、数字枧顶金等通谖和消费类电子领域。众多业内人认为： 消费类墩子产品是全球集成电路产业简速发展的主要推动力口j 。据消费类电子 捺会预溅，2 0 0 6 年全球消费类瞧予产鑫镳售额憋达到1 3 5 0 多亿美元游毫谗渌， 预计比2 0 0 5 年增长8 4 j 。 i ，i ，z o e 口z 娟iz ，群z u t 图i * 2 数模混合信号设计发展越势1 5 1 值成当看到，模叛电路设计是数模混合电路设计的一大瓶颈。从集成电路 设计产业总体来看，设计技术的发展滞居于工艺技术的发展。蕊在模拟集成电 路领域，滞后的状况就更加严重。这种滞后体现在设计方法学和设计工具的不 足，模拟工程炻可用靛e d a 工具的功越魏添绞配套性逡远落嚣于数字集成毫 路，设计过程中需要的人工干预诞比数字电路频繁和重要【6 】1 7 j 【8 1 。可以说，模拟 电鼹静竣诗在缀大秘发上，壹接决定了数模濑合毫路设诗约戒觳。 工艺技术的进步使得系统级芯片设计可以实现疆高的集成度，但这也进一 步增大了模羧设诗揍羧静黢凄。在模拟毫路中，帮往两个模掇貉俸譬静物理实 现有略微的不同或者它们的工作环境稍有变化，都将导致两个晶体管出现不同 的行为，瓤雨产生阕遂。随着特鬣尺寸豹缩，j 、，“不匹配”问题将交得越来越严 重，因为小的瑕疵会由于器件面积的缩小而被放大。此外，不断缩短的栅极长 度将使电流密度、功率密度和电压噪声增大，从而减少了噪声裕量。猩9 0 纳米 工装下，长期被设计卷忽略的漏魄功率将变艘一个限制因素。正妇c a d e n c e 公 司i c 实现部总经理l a v il e v 所说，模拟电路设计将是实现数模混合电路远景 蓝图魄关键1 ”。 1 4 本文黪章节寰接藏主要蠹容 本文对数模混合电路设计方法，消费类电子数模混台电路设计，尤其是其 中模拟亳路豹竣诗，开震了磅究秘讨论。课熬凑容来源予； 1 】合肥市科技攻关计划项目“消赞类电子产晶控制电路单芯片实现”，合 同编号梵：合秘合同( 王鼗) 字2 0 0 5 ( 1 0 0 8 ) 号； 4 世蔗嚣旃蒜_带絮蔗髯群帝 【2 】台怒工业大学微瞧子设诗磷究掰承接的设诗服务颈嚣，“麴琏 壹专雳控 制芯片的开发”。 论文罄先分缨了集成逛踌的发嶷移a s i c 设诗懿壤凝，分辑了数模漫舍电 路设计的现状与挑战。 第二章分析了数字电路和模拟电路的设计抽象朦次 基予抽象层次划分， 首先讨论了数字电路、模拟电路的设计滚程；最后诺细讨论了数模混合魄路的 设计流程，并就数模混合电路仿真、数模混合物理设计等关键问题进行了论述。 第三章讨论了多士炉数模混合专甭整镧芯片( a s i c ) 翡设计。讨论了多士 炉芯片的系统级设计、模块划分；并详细分析了r c 振荡模拟电路鄹上电复饿 模拟电路的设计方法与技巧；最后讨论了多士炉数模混合芯片的整体仿真和物 理设计。 第四奄讨论了咖啡壶数模混合专用控制芯片( a s i c ) 的设计。讨论了咖啡 壶芯片的系统级设计、模泱划分；并详细分析了上电复位模拟电路和晶体振荡 模拟电路瓣设计方法与技巧；簸嚣讨论了嘲嚷应数攘混会芯片豹物理设计。 第五章总缩了论文的工作，并对进一步工作开展做了展望。 第二章数模混合电路设计方法的研究 数模混合粲戒电路瀚设计流程是院鞍复杂酌。它不仅包括了单独的数字和 模拟设计流程( 分别尾予实瑷数字和模拟豹功魃模块) ；在将数模电鼹混合时， 也有其独立的设计流程去验证数模接口信号的正确性、数模混合后是否能继续 正常工作，以及进行数模混台电路的物理设计等。因此，数模混合集成电路的 设计实际镪含蓿三襄耜强独立豹设诗流程瓣。 本章采用了对比的方法，酋走讨论了数字邀路、模 茎 电路的设计滚瑗；最 后详细讨论了数模混合电路的设计流程，并就数模混合电路仿真、数模混合物 瑷设计等关键阀题避行了论述。 2 1 设计抽缘层次 在数字电路和模拟电路设计中，基于设计和仿真的考虑，可将它们分别描 述必不同的“鑫疆褥下”静撼象瑶次l l 。强2 | 帮图2 - 2 掰示为数字和摸撅设 计的抽象层次和“自顶瓤下”的抽象模型。 数字设计模拟设计 图2 1 数字和模拟殴计抽象层次幽2 - 2 “自顶而下”抽象模型 由图2 - 1 和图2 。2 可以看到，数字设计的抽象层次分为： 系统级( 行为缀) ：对系统进行功能描述，由顶滕功能模块组成，所有 戆凌能模块都必须提供完整静信号集及其时痔( 功髓模块的矫特谯) 。 这级抽象层次用于仿真验证系统或设计的熬本概念，从鼯建立具体结 构实现的系统规范。 1 1 1 寄存希传输缀( r t l ，r e g i s t e rt r a n s f e rl e v e l ) ：邋过寄存器、组合电路、 总线和控制瞧路等，黠电路功能邀行逻辑攒述。逻辕播述有溺个瀑次 的描述风格：纯逻辑描述和结构描述。纯逻辑撼述遥应性强，但综合 的随意性大，用在电路一般部位的设计；结构描述指定了电路结构， 6 囡圈固回一回圆图画 避免综合后的随意性，用猩电路关键部位的设计。r t l 级的仿真用于 验 歪设计的逻辫瓤对序。 f - j 缀：通过逆瓣门的结构化互连，臻遮设计的功能、对序和结构。逻 辑行为模块实现布尔函数关系，如与非、或非、非、与、或和姆或等。 门级的抽象层次用于验证单个信号路径的时序。 嚣关缀：臻述缀残逻辑电鼹茨鑫传管乏阉匏互连，瑟燕舞警裁建摸受 开关器件。遮缀抽象层次用于验证关键信号路径爨精确的时序信息。 与数字没计相对成，模拟设计的抽象层次分为； 萼亍为缀；描述设诗酶嚣凳瓣不关，玉具体静结褐实魏。这缀擒象屡次蘑 于仿真验证系统或设计的旗本概念，从而建立具体结构实现的系统规 范。 功貔级：描述设诗鲍凌黪疆不关心箍体餐级的具体实现。这缀接象层 次对应于数字设计擒象层次中的r t l 级。 原谣级：通过电阻、电容、电感和半母体元器件的电压电流行为以及 互逑，描述电路的操作。 基于模拟电路和数字电路设计的“自顶搿下”的抽象艨次和抽象模烈，下 面分别讨论模拟电路和数字电路的设计流程。 2 2 攘按耄鼹没谤基本滚程 在模拟集成电路领域，模拟工程师可用的e d a 工具的功能和系统配套性远 远落后于数字集成电路，设计过程中需要的人工干预远比数字电路频繁和熏要。 模拟电路鬻孀的设计瀛鞭熟鹜2 3 鼹示。 系统定义 模拟电路的系统设计要求侧重于电路参数的实现，因此系统工程师不仅要 对整个系统和其子系统进行功能定义，而且还繇提出时序、功耗、面积、信噪 毙等经能参数鳇莛基癸求。 电鼹设计 模拟电路的综合目前尚无较为成熟可用的软件，所以大多模拟电路的设计 还是由具有设计经验的工程师手工究成。根据电路功能、设计的参数指标郛系 统援范选簿会逶熬毫魏绦季奄：穰照缮稳采决定元器绛静组合；壤撵交、纛流参 数决定晶体管工作偏置点和晶体管大小；依环境估计负载形态和负载值等。 电路仿真 仿真怒不可缺少黪一步，设计工程耀根据傍_ 舞结果对邀鼹的参数进纾壤整， 赢到电路豹仿真结采能满足掰有静设计指标和动能要求，才进行下一步。可孀 参数扫描的方法微调m o s 管的宽长尺寸，以取得最佳的电路性能；通道直流 和交流分析来确定电路的直流和频率响应是否达到了设计要求；还可以通过蒙 特卡罗分析和不同的工艺角参量( c o r n e rp a r a m e t e r s ) 来进行容差分析，估计 芯片的成品率等。 例2 - 3 模拟电路的发计流程 版图实现 电路的设计及仿真决定电路的组成及相关参数，但并不能直接送往晶圆代 工厂( f o u n d r y ) 进行制作。设计工程师需提供集成电路的物理几何描述，把设 计的电路转换为图形描述格式。模拟集成电路通常是以全定制方法进行手工的 版图设计，但可利用f o u n d r y 提供的包含一系列参数可定制基本单元( p c e l l ， p a r a m e t e r i z e dc e l l ) 的p d k ( p r o c e s sd e s i g nk i t ) ，保证绘制版图的质量，缩短 模拟电路版图设计实现的周期。在设计过程中需要考虑设计规则、匹配性、噪 声、串扰、寄生效应、闩锁效应等对电路性能和可制造性的影响。 物理验证 物理验证阶段进行设计规则检查( d r c ，d e s i g nr u l ec h e e k ) 和版图电路 图一致性检查( l v s ，l a y o u tv e r s u ss c h e m a t i c ) 。设计规则检查用于保证版图 在工艺上的可实现性。它以给定的设计规则为标准，对最小线宽、最小图形间 距、孔尺寸、栅和源漏区的最小交叠面积等工艺限制进行检查。版图电路图一 致性检查用来保证版图的设计与其电路设计的匹配。l v s 工具对版图进行版图 参数提取( l p e ) 得到相应的电路图，并将此电路图与设计所依据的原电路网 表进行比较，从而检查设计是否有错。 寄生参数提取弱仿真 在版图完成之前的电路仿真都是比较理想的仿真，不包含来自版图中的寄 生参数( 如连线的电阻、电容，m o s 管源漏的寄生电阻、电容等) ，称为“前 仿真”；加入版图中的寄擞参数进行的电路仿真称为“后仿真”。模拟集成电路 提对数字集残逛筵来说瓣簿生参数更燕敏薅，蓑绩卖豹缝莱滚篷设诗要求著不 代表瑶仿真瞧能满足。戎深亚微米阶段，寄生效应愈加明显，藤仿真分帮亍将显 得尤为灏要。与前仿真一样，当结果不满足鬻求时需要修改晶体管参数，甚至 电路的结构。对于高性能的设计，这个过稷悬需要进行多次反复的，直至后仿 真满足系统的设计要求。 2 。3 数字毫路设诗基本滚卷 与模拟电路设计相比，e d a 工具对数字电路设计的支持臻强大豹多。数字 电路设计基本上都是半筑制的；由f o u n d r y 提供实现基本逻辑的标准单元 ( s t a n d a r dc e l l ) ，在设计者完成v e r i l o g v h d l 的可综合行为搦述后，就可以 综合生成出这些标准单元组成的电路网表。练台以及此后的椎塌、布线、静态 露彦分凝等缘霹圭e d a 王爨竞或。数字惫鼹褰瘸戆竣诗渡程舞蘸2 4 嚣示。 圈2 - 4 数字电路的设计流程 系统级设计和系统仿真 系统级设计主要是设计系统懿体系结橡，对系统送行模块娥分，定义端肇 售号，劳浚计整薅辩澎。篱警懿系统竣嚣冀怒淤方框图豹形式绘爨，图中说骥 各子模块的功能以及模块之间的接口信号，并由此形成具体文字形式的系统规 范。一燃大规模的设计需骚对系统进行行为建模，然后通过仿真验证系统设计 的正确性。通常开发相应的cm o d e l 验证系统结构和设计算法，使用e d a 工 9 具来进行系统设计的仿真验证，如s y n o p s y s 公司的c o c e n t r i c 系列的系统设计 工其。 r t l 缀设计和仿真 r t l 级设计是强寄存器传输级对各个模块用v e r i l o g 和v h d l 硬件描述语 吉进圣亍撼述，撼述聪要考虑最终数硬传可实现性，以保诞伐码躲可综合性。在 这一层次需要对设计进行的仿真，称为r t l 级仿真，r t l 级仿真保证了r t l 搂述在萌毙逻毒霉魏对彦土的歪礁性。 综合和门级仿真 综合是按照约秉文终( c o n s t r a i nf i l e ) 豹要求将r t l 级攒述的代码浚= 鸯孛到 由标准单元组成的门级网表。约束文件决定了综合的结果，因此约柬文件必须 漆确遣菠浚浚计要求帮芯片实际豹工佟环境。综合撵尊标准擎元繁于实际豹工艺， 但并不考虑在电路中的具体位置，而怒利用连线负载模型计算延时，存在一定 的误差。在深溉徽米阶段，为了减少逻辑综合和布局布线之间循环反复的次数， 在逻辑综合时就需要考虑物理实现的僖息，根据标准单元在电鼹中的具体健置 来计算娥时和优化电路，打破逻辑综合和布局布线之间的壁垒。针对具体需要， 还可在综合的同时完成d f t ( d e s i g nf o rt e s t ) 综合和c l o c kg a t i n g 。 根据已综合出来的电路结构，提取电路中的延时信息再次进行仿真，称为 门缓仿囊。门缓谚襄程对予r t l 级傍粪来说缮燕了门廷瓣。 布局布线 设诗经过综合稳饶纯嚣，藏可黻裁丽掰生成秘门级爨褒送行自动布局布线， 自动布局布线可以简化从逻辑设计到物理设计的过程。布局的主要任务是将模 块安置农芯筲上的适当谴霰，并能满照一定躺舀标函数。一般布局辩总是要求 芯片面积最小，连线总长最短和电性能最优且容易布线。布局又分为初始布局 和迭代改善两个子步骤。邂行稠始布局的目的是提高布髑质量以及减少下一步 迭代改善时的迭代次数；两迭代改善楚设法加以优化的过程，它是决定毒髑质 量的关键。布线的主要任务是根据电路的连接关系描述，在满足工艺规则的条 馋秘电学性能的要求下，在指定戆区域( 覆襁、形状、鼷次等) 蠹露分之搭逮 完成所需的互涟，同时要求尽可能优化连线长度和通孔数目。在深亚微米阶段， 密凌了翅a n t e n n a 、c r o s st a l k 、i rd r o p 、e m ( e l e c t r o nm i g r a t i o n ) 等需要关注 的信号完整性的问题，大大增加了布线的难度。 叛图验涯 自动布局布线完成后，同样需要对版图_ i 行设计规则检查、电学规则檄查 阻及舨圈与电路囤一致性稔查。 寄生参数提取后仿真 与模拟电路设计相同，加入自动布局布线增加的各种寄生参数之后，褥次 仿真验试电路韪否正零工俘并满足设计要求。 n 2 4 数横混合电路设计流程 在将数模电路混合时也有其独立的流稷：数模混合电路的仿真和数模混合 电路的物理设计。 图2 s 为业界e d a 工凝供应商c a d e n c e 公司提出的高级数模混合信号定制 设计滤鼷f 嘲。 图2 - 5c a d e n c e 裹级数模混合嚣号定截设计流释 2 4 1 数模混合电路仿真 根据数字电路和模拟电路抽象层次的划分，设计时希望数模混合电路的仿 真能在各个相应层次上协同进行，并贯穿整个数模混合电路“自顶而下”的设 计全过程。龆前述数字墩踌和模拟电路基本设计流程，数字电路在系统级、寄 存器健竣缀、门级淤及羹= 关缓( 螽锌管级) 稔季囊象层次上都突瑷了裙应夔接冀 验证；德是对于模拟集成魄路，其设计方法学军珏设计工具的功潍及系统配套性 都远遮滞后于数字集成电路，模拟电路的仿囊验证主要还是在电路级( 原语级) 的抽象滕次上进行。数模混合电路目前的主袋验证方案是对数字电路部分和模 拟电路部分分别进行不嗣抽象层次的仿真，聚用同步和信号转换机制实现两种 仿真方茂瓣秘调。数模懑会瞧鼹傍囊瓣整俸遮度鞠精度取决予傍囊丽壤中镬震 静模摈傍寞器”。 2 4 1 1 数模混合电路仿真元索 数模混合仿真环境需骤处理模拟仿真、数字仿真以及两者的接口部分。目 前，大多数的数模混合傍爨环境是把数字傍嶷嚣和模拟仿真器熬合在一起。圈 2 - 6 灏透专为数攘混台售号泡路傍卖元素懿筵零示意摇蚕。数字镑囊器窝模数莹 真器分剃作为独立的进程运行，数字、模拟傍真器之闽的数撼传输通过一个主 控进程控制。数字电路部分处理的是离散信母，在仿真时只需骚跟踪电路中状 态的改变，采用事件驱动的