模拟cmos集成电路设计(拉扎维)第1章绪论课件

1、1西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 模拟集成电路设计模拟集成电路设计第第1章章 绪论绪论董刚董刚微电子学院2西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 模拟集成电路设计模拟集成电路设计q任课教师任课教师董刚董刚 办公地点：老校区科技楼办公地点：老校区科技楼A710B电话：电话：88202562Email：3西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 课程概况课程概况q专业核心课程之一专业核心课程之一 4学分学分 4624学时学时q目标目标培养学生具有初步的培养学生具有初步的CMOS模拟集成电路模拟集成电路分析能力，了解模拟集成电路基本模块的分析能力，了解模拟集成电路基本模块的分析方法和设计过程分析方法和设计

2、过程q答疑：课间或答疑：课间或Email4西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 与其他课程的关系与其他课程的关系5西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 模拟电路的分析与设计模拟电路的分析与设计6西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 集成电路的特点集成电路的特点7西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 集成电路设计的基本流程集成电路设计的基本流程电路输入电路仿真版图编辑DRC和LVS寄生提取LPEGDSII源码输入逻辑仿真逻辑综合布局布线composerdraculadraculaHspiceVerilogVerilog-xlDesign CompilerSilicon Ensemble解剖照相拼图电路提

3、取分析与仿真电原理图schematic版图layout芯片die后仿真制版和加工正向设计过程正向设计过程逆向电路提取逆向电路提取8西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 集成电路制造过程集成电路制造过程集成电路设计制版流水加工划片封装封装后的芯片裸片die硅圆片Wafer掩膜版MASK版图layout9西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 CMOS集成电路的版图作用集成电路的版图作用q芯片加工：从版图到裸片芯片加工：从版图到裸片制版加工是一种多层平面“印刷”和叠加过程。10西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 教材和参考书教材和参考书P.Allen, D.Holberg, “CMOS Analog C

4、ircuit Design”B.Razavi, “Design of Analog Integrated Circuit Design” 电子工业出版社电子工业出版社清华大学出版社清华大学出版社西安交通大学出版社西安交通大学出版社P.Gray, “Analysis and Design of Analog Integrated Circuits”高等教育出版社高等教育出版社D.Johns, K.Martin, “Analog Integrated Circuit Design 机械工业出版社机械工业出版社11西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 教材和参考书教材和参考书电路设计与仿真电路设计与仿

5、真-CMOS电路模拟与设计电路模拟与设计-基于基于Hspice 科学出版社科学出版社其他搜集整理的资料其他搜集整理的资料12西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 考核方式考核方式q总原则总原则学到东西、相对公平学到东西、相对公平q考核方式考核方式闭卷考试闭卷考试13西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 授课内容授课内容绪论绪论重要性、一般概念重要性、一般概念单级放大器单级放大器无源无源/有源电流镜有源电流镜差动放大器差动放大器放大器的频率特性放大器的频率特性噪声噪声运算放大器运算放大器反馈反馈稳定性和频率补偿稳定性和频率补偿共源、共漏、共栅、共源共栅共源、共漏、共栅、共源共栅定性分析、定量分析、共

6、模响应、吉尔伯特单元定性分析、定量分析、共模响应、吉尔伯特单元弥勒效应、极点与节点关系、各类单级放大弥勒效应、极点与节点关系、各类单级放大器频率特性分析器频率特性分析统计特性、类型、电路表示、各类单级放统计特性、类型、电路表示、各类单级放大器噪声分析、噪声带宽大器噪声分析、噪声带宽特性、四种反馈结构、负载影响、对噪声的影响特性、四种反馈结构、负载影响、对噪声的影响性能参数、一级运放、两级运放、各指标分析性能参数、一级运放、两级运放、各指标分析多极点系统、相位裕度、频率补偿多极点系统、相位裕度、频率补偿器件物理基础器件物理基础MOSFET结构、结构、IV特性、二级效应、器件模型特性、二级效应、器

7、件模型带隙基准源带隙基准源与电源无关、与温度无关、与电源无关、与温度无关、PTAT电流、电流、恒恒Gm、速度与噪声、速度与噪声基本基本/共源共栅共源共栅/有源电流镜有源电流镜14西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 本讲本讲q研究模拟电路的重要性研究模拟电路的重要性q模拟电路设计的难点模拟电路设计的难点q研究研究AIC的重要性的重要性q研究研究CMOS AIC的重要性的重要性q电路设计一般概念电路设计一般概念v抽象级别抽象级别v健壮性设计健壮性设计v符号约定符号约定15西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 为什么要研究模拟电路？为什么要研究模拟电路？q现代电路系统不可或缺的一部分现代电路系统不可或

8、缺的一部分v数字电路的信号处理能力不断增强数字电路的信号处理能力不断增强v再强大也无法完全取代模拟电路在电路系统中的角再强大也无法完全取代模拟电路在电路系统中的角色色 RF、ESD、ADC、DAC、PLLq应用实例应用实例v自然界信号的处理自然界信号的处理v数字通信数字通信v磁盘驱动电路磁盘驱动电路v无线接收器无线接收器v光接收器光接收器v传感器传感器v微处理器和存储器微处理器和存储器16西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 自然界信号的处理自然界信号的处理q自然界信号是模拟量自然界信号是模拟量v声音、光、震动等声音、光、震动等速度、精度、功耗信号处理信号太小时需要先放大滤除信号频带外的干扰探测

9、器输出17西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 数字通信数字通信q电缆数据传输电缆数据传输v长距离、高速时长距离、高速时 有限带宽，大衰减，不适于高速远距离传输有限带宽，大衰减，不适于高速远距离传输v解决办法？解决办法？信号衰减、失真18西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 数字通信数字通信q用下图示接收电路用下图示接收电路19西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 数字通信数字通信q采用多电平传输以降低信号带宽采用多电平传输以降低信号带宽v降低了发送和接收电路的带宽要求降低了发送和接收电路的带宽要求v发送端增加发送端增加DAC，接收端用，接收端用ADC识别识别20西电微电子学院董刚模拟集成电路设计

10、磁盘驱动电路磁盘驱动电路q磁盘数据读取磁盘数据读取v磁性信号数据磁性信号数据磁头磁头电信号数据电信号数据v读取方法：放大读取方法：放大滤波滤波数字化数字化幅度仅几幅度仅几mV；有较大噪声和失真；有较大噪声和失真21西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 无线接收器无线接收器qRF接收器天线接收的信号接收器天线接收的信号v幅度仅几幅度仅几 V，有很大干扰信号，中心频率，有很大干扰信号，中心频率1GHz以上以上对接收电路要求对接收电路要求放大小信号，极放大小信号，极低噪声低噪声抑制干扰信号抑制干扰信号高频工作高频工作功耗，成本等功耗，成本等22西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 光接收器光接收器q光纤

11、数据传输光纤数据传输v极高带宽，很低损耗，适用于高速、远距离极高带宽，很低损耗，适用于高速、远距离传输传输v电信号数据电信号数据光信号数据光信号数据电信号数据电信号数据（小电流）（小电流）v接收电路要低噪宽带，以高速检出小信号接收电路要低噪宽带，以高速检出小信号1040Gb/s23西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 传感器信号的处理电路传感器信号的处理电路q传感器系统传感器系统v遍布生活各角落遍布生活各角落v力（加速度计），热（电子温度计），声（麦克风，力（加速度计），热（电子温度计），声（麦克风，超声系统），光（数码相机），磁（磁头），高能超声系统），光（数码相机），磁（磁头），高能粒子（安

12、检粒子（安检X光机）等光机）等q探测器信号的处理电路探测器信号的处理电路v放大、滤波、放大、滤波、ADC、DSP、数据传输等、数据传输等24西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 传感器信号的处理电路传感器信号的处理电路q加速度计探测器信号处理电路加速度计探测器信号处理电路检测该电容绝对值的变化量1的改变量，高精度信号检出电路很难设计检测两个电容的差值降低信号检出电路的设计难度25西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 微处理器和存储器微处理器和存储器q微处理器微处理器v典型的数字电路典型的数字电路v高端高端CPU的设计离不开资深的设计离不开资深AIC设计师的参设计师的参与与 寄生电容寄生电容/电阻电

13、阻/电感、封装等对电路性能指标电感、封装等对电路性能指标（速度等）的影响（速度等）的影响 高速数据线、时钟线的时序正确高速数据线、时钟线的时序正确v必须把很多数字信号当作模拟信号来考虑、必须把很多数字信号当作模拟信号来考虑、处理处理q存储器存储器v存储单元、灵敏放大器等都必须由存储单元、灵敏放大器等都必须由AIC设计设计师设计。高速、大规模存储器更是如此师设计。高速、大规模存储器更是如此26西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 结论结论q模拟电路是现代电路系统中必不可少的模拟电路是现代电路系统中必不可少的一部分一部分q数字电路无法完全取代模拟电路数字电路无法完全取代模拟电路q电子产业需要大量优秀

14、的模拟电路设计电子产业需要大量优秀的模拟电路设计师师27西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 本讲本讲q研究模拟电路的重要性研究模拟电路的重要性q模拟电路设计的难点模拟电路设计的难点q研究研究AIC的重要性的重要性q研究研究CMOS AIC的重要性的重要性q电路设计一般概念电路设计一般概念v抽象级别抽象级别v健壮性设计健壮性设计v符号符号28西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 模拟电路设计的难点在哪里？模拟电路设计的难点在哪里？q设计关注点多：包括速度、功耗、增益、精度、设计关注点多：包括速度、功耗、增益、精度、电源电压等；数字电路主要是速度、功耗电源电压等；数字电路主要是速度、功耗q高精度模拟

15、电路对低噪声、低串扰、抗干扰等高精度模拟电路对低噪声、低串扰、抗干扰等要求很高；数字电路在这方面要求低很多要求很高；数字电路在这方面要求低很多q器件的二阶效应对电路性能影响大；对工艺参器件的二阶效应对电路性能影响大；对工艺参数变化的敏感度比数字电路高很多数变化的敏感度比数字电路高很多q设计的自动化程度低，很多靠手工设计；数字设计的自动化程度低，很多靠手工设计；数字电路设计自动化程度高电路设计自动化程度高q模拟电路的建模和仿真难度大，对设计者经验模拟电路的建模和仿真难度大，对设计者经验和直觉的要求高和直觉的要求高q针对针对DIC加工工艺设计、加工的加工工艺设计、加工的AIC会增加设会增加设计难度

16、计难度q数模混合会增大数模混合会增大AIC的设计难度的设计难度29西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 本讲本讲q研究模拟电路的重要性研究模拟电路的重要性q模拟电路设计的难点模拟电路设计的难点q研究研究AIC的重要性的重要性q研究研究CMOS AIC的重要性的重要性q电路设计一般概念电路设计一般概念v抽象级别抽象级别v健壮性设计健壮性设计v符号符号30西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 模拟电路为什么要走向模拟电路为什么要走向IC？q模拟电路的实现方式模拟电路的实现方式v在在PCB板上，用分离元件搭建电路系统板上，用分离元件搭建电路系统v在一个衬底上加工出各类基本元件并实现元件间的在一个衬底上加

17、工出各类基本元件并实现元件间的互连，构成整个电路系统互连，构成整个电路系统AIC 集成度在逐年增加，特征尺寸逐年下降（集成度在逐年增加，特征尺寸逐年下降（Moore定律），定律），能集成的电路规模在增大能集成的电路规模在增大qAIC的优点的优点v高集成度高集成度v高速度高速度v高精度高精度v低功耗低功耗v大批量时成本低大批量时成本低31西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 AIC的实现工艺的实现工艺q基于基于Si材料材料v双极工艺双极工艺 核心元件为核心元件为NPN、PNP晶体管晶体管vMOS工艺工艺 核心元件为核心元件为NMOS、PMOS晶体管晶体管 体硅工艺、体硅工艺、SOI工艺等工艺等q基

18、于其他材料基于其他材料vGaAs（极高迁移率，超高速）、锗等（极高迁移率，超高速）、锗等32西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 本讲本讲q研究模拟电路的重要性研究模拟电路的重要性q模拟电路设计的难点模拟电路设计的难点q研究研究AIC的重要性的重要性q研究研究CMOS AIC的重要性的重要性q电路设计一般概念电路设计一般概念v抽象级别抽象级别v健壮性设计健壮性设计v符号符号33西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 用用CMOS工艺实现工艺实现AIC的优势？的优势？qCMOS工艺的核心元件工艺的核心元件MOSFETv金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管v发明早（发明早（193

19、0），在），在IC上实用晚（上实用晚（1960s初初期）期）qCMOS工艺工艺v发明于发明于60年代中期年代中期v特点：低功耗、高集成度、制造成本低特点：低功耗、高集成度、制造成本低v首先用于首先用于DIC，再用于，再用于AIC34西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 用用CMOS工艺实现工艺实现AIC的优势？的优势？q与双极工艺比与双极工艺比q优点优点v输入阻抗大，加工成本低，低功耗，易于实输入阻抗大，加工成本低，低功耗，易于实现数模混合电路（是实现现数模混合电路（是实现SOC较佳选择），较佳选择），设计自由度大（小信号特性依赖于器件尺寸设计自由度大（小信号特性依赖于器件尺寸和直流偏量，双极只

20、依赖于直流偏量）和直流偏量，双极只依赖于直流偏量）q缺点缺点v低增益，速度慢（在改善，几十低增益，速度慢（在改善，几十GHz），噪），噪声大（也在改善）声大（也在改善）35西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 本讲本讲q研究模拟电路的重要性研究模拟电路的重要性q模拟电路设计的难点模拟电路设计的难点q研究研究AIC的重要性的重要性q研究研究CMOS AIC的重要性的重要性q电路设计一般概念电路设计一般概念v抽象级别抽象级别v健壮性设计健壮性设计v符号符号36西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 抽象级别抽象级别q抽象抽象v从不同高度（角度）从不同高度（角度）“观察观察”同一个事物同一个事物q为什么要

21、抽象？为什么要抽象？v我们关心的对象或感兴趣的程度是变化的我们关心的对象或感兴趣的程度是变化的v把复杂度控制在一定范围内把复杂度控制在一定范围内q抽象级别抽象级别v器件级器件级v晶体管级（电路级）晶体管级（电路级）v结构级结构级v系统级系统级qAIC设计师应能在不同抽象级间自由切换设计师应能在不同抽象级间自由切换q成功的高性能成功的高性能IC都是分工协作、优势汇总的结都是分工协作、优势汇总的结果，果，IC设计师需要学会协作设计师需要学会协作37西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 抽象级别抽象级别38西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 健壮性健壮性AIC设计设计q设计过程设计过程v设计要求设计要

22、求确定工艺线确定工艺线设计、仿真设计、仿真流片加工流片加工测试分析测试分析q电路性能会随工艺、电源电压、温度变电路性能会随工艺、电源电压、温度变化而改变化而改变vPVTq健壮性健壮性AIC对对PVT的变化敏感度低的变化敏感度低39西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 符号符号q信号信号v直流偏置信号直流偏置信号v交流小信号交流小信号v总信号总信号=直流偏置直流偏置+交流小信号交流小信号q教材上教材上v一般用大写字母表示信号量一般用大写字母表示信号量v根据上下文很容易判断出它属于哪一类信号根据上下文很容易判断出它属于哪一类信号40西电微电子学院董刚模拟集成电路设计 总结总结q数字电路无法完全取代模拟电路，模拟数字电路无法完全取代模拟电路，模拟电路是现代电路系统中必不可少的一部电路是现代电路系统中必不可少的一部分分q模拟电路设计的难点比数字电路不同模拟电路设计的难点比数字电路不同v关注点、噪声和干扰