模拟集成电路基本模块的分析方法以及设计过程

1、模拟集成电路基本模块的分析方法以及设计过程课程概况专业核心课程之一 4学分 4624学时目标培养学生具有初步的CMOS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方法和设计过程与其他课程的关系模拟电路的分析与设计集成电路的特点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

2、正向设计过程逆向电路提取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layoutCMOS集成电路的版图作用芯片加工：从版图到裸片制版加工是一种多层平面“印刷”和叠加过程。教材和参考书P.Allen, D.Holberg, “CMOS Analog Circuit Design”B.Razavi, “Design of Analog Integrated Circuit Design” 电子工业出版社清华大学出版社西安交通大学出版社P.Gray, “Analysis and Design of Analog Integrated Cir

3、cuits”高等教育出版社D.Johns, K.Martin, “Analog Integrated Circuit Design 机械工业出版社教材和参考书电路设计与仿真-CMOS电路模拟与设计-基于Hspice 科学出版社其他搜集整理的资料考核方式总原则学到东西、相对公平考核方式闭卷考试授课内容绪论重要性、一般概念单级放大器无源/有源电流镜差动放大器放大器的频率特性噪声运算放大器反馈稳定性和频率补偿共源、共漏、共栅、共源共栅定性分析、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、各类单级放大器频率特性分析统计特性、类型、电路表示、各类单级放大器噪声分析、噪声带宽特性、四种反馈结

4、构、负载影响、对噪声的影响性能参数、一级运放、两级运放、各指标分析多极点系统、相位裕度、频率补偿器件物理基础MOSFET结构、IV特性、二级效应、器件模型带隙基准源与电源无关、与温度无关、PTAT电流、恒Gm、速度与噪声基本/共源共栅/有源电流镜本讲研究模拟电路的重要性模拟电路设计的难点研究AIC的重要性研究CMOS AIC的重要性电路设计一般概念抽象级别健壮性设计符号约定为什么要研究模拟电路？现代电路系统不可或缺的一部分数字电路的信号处理能力不断增强再强大也无法完全取代模拟电路在电路系统中的角色RF、ESD、ADC、DAC、PLL应用实例自然界信号的处理数字通信磁盘驱动电路无线接收器光接收器

5、传感器微处理器和存储器自然界信号的处理自然界信号是模拟量声音、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器输出数字通信电缆数据传输长距离、高速时有限带宽，大衰减，不适于高速远距离传输解决办法？信号衰减、失真数字通信用下图示接收电路数字通信采用多电平传输以降低信号带宽降低了发送和接收电路的带宽要求发送端增加DAC，接收端用ADC识别磁盘驱动电路磁盘数据读取磁性信号数据磁头电信号数据读取方法：放大滤波数字化幅度仅几mV；有较大噪声和失真无线接收器RF接收器天线接收的信号幅度仅几V，有很大干扰信号，中心频率1GHz以上对接收电路要求放大小信号，极低噪声抑制干扰信号

6、高频工作功耗，成本等光接收器光纤数据传输极高带宽，很低损耗，适用于高速、远距离传输电信号数据光信号数据电信号数据（小电流）接收电路要低噪宽带，以高速检出小信号1040Gb/s传感器信号的处理电路传感器系统遍布生活各角落力（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），高能粒子（安检X光机）等探测器信号的处理电路放大、滤波、ADC、DSP、数据传输等传感器信号的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微处理器和存储器微处理器典型的数字电路高端CPU的设计离不开资

7、深AIC设计师的参与寄生电容/电阻/电感、封装等对电路性能指标（速度等）的影响高速数据线、时钟线的时序正确必须把很多数字信号当作模拟信号来考虑、处理存储器存储单元、灵敏放大器等都必须由AIC设计师设计。高速、大规模存储器更是如此结论模拟电路是现代电路系统中必不可少的一部分数字电路无法完全取代模拟电路电子产业需要大量优秀的模拟电路设计师本讲研究模拟电路的重要性模拟电路设计的难点研究AIC的重要性研究CMOS AIC的重要性电路设计一般概念抽象级别健壮性设计符号模拟电路设计的难点在哪里？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、功耗高精度模拟电路对低噪声、低串扰、抗

8、干扰等要求很高；数字电路在这方面要求低很多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针对DIC加工工艺设计、加工的AIC会增加设计难度数模混合会增大AIC的设计难度本讲研究模拟电路的重要性模拟电路设计的难点研究AIC的重要性研究CMOS AIC的重要性电路设计一般概念抽象级别健壮性设计符号模拟电路为什么要走向IC？模拟电路的实现方式在PCB板上，用分离元件搭建电路系统在一个衬底上加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AIC集成度在逐年增加

9、，特征尺寸逐年下降（Moore定律），能集成的电路规模在增大AIC的优点高集成度高速度高精度低功耗大批量时成本低AIC的实现工艺基于Si材料双极工艺核心元件为NPN、PNP晶体管MOS工艺核心元件为NMOS、PMOS晶体管体硅工艺、SOI工艺等基于其他材料GaAs（极高迁移率，超高速）、锗等本讲研究模拟电路的重要性模拟电路设计的难点研究AIC的重要性研究CMOS AIC的重要性电路设计一般概念抽象级别健壮性设计符号用CMOS工艺实现AIC的优势？CMOS工艺的核心元件MOSFET金属-氧化物-半导体场效应晶体管发明早（1930），在IC上实用晚（1960s初期）CMOS工艺发明于60年代中期特

10、点：低功耗、高集成度、制造成本低首先用于DIC，再用于AIC用CMOS工艺实现AIC的优势？与双极工艺比优点输入阻抗大，加工成本低，低功耗，易于实现数模混合电路（是实现SOC较佳选择），设计自由度大（小信号特性依赖于器件尺寸和直流偏量，双极只依赖于直流偏量）缺点低增益，速度慢（在改善，几十GHz），噪声大（也在改善）本讲研究模拟电路的重要性模拟电路设计的难点研究AIC的重要性研究CMOS AIC的重要性电路设计一般概念抽象级别健壮性设计符号抽象级别抽象从不同高度（角度）“观察”同一个事物为什么要抽象？我们关心的对象或感兴趣的程度是变化的把复杂度控制在一定范围内抽象级别器件级晶体管级（电路级）结构级系统级AIC设计师应能在不同抽象级间自由切换成功的高性能IC都是分工协作、优势汇总的结果，IC设计师需要学会协作抽象级别健壮性AIC设计设计过程设计要求确定工艺线设计、仿真流片加工测试分析电路性能会随工艺、电源电压、温度变化而改变PVT健壮性AIC对PVT的变化敏感度低符号信号直流偏置信号交流小信号总信号=直流偏置+交流小信号教材上一般用大写字母表示信号量根据上下文很容易