模拟ic模块设计课件

模拟IC及其模块设计

浙大微电子学院·微纳电子研究所

韩雁2017年5月第三讲模拟IC及其模块设计

浙大微电子学院·微纳电子研究所内容IC制造工艺及模拟IC工艺流程模拟IC设计需要具备的条件模拟IC设计受非理想因素的影响带隙基准源的设计运算放大器的设计电压比较器的设计压控振荡器的设计过温保护电路的设计欠压保护电路的设计2023/7/31浙大微电子2/34内容IC制造工艺及模拟IC工艺流程2023/7/30浙大微电内容IC制造工艺及模拟IC工艺流程模拟IC设计需要具备的条件模拟IC设计受非理想因素的影响带隙基准源的设计运算放大器的设计电压比较器的设计压控振荡器的设计过温保护电路的设计欠压保护电路的设计2023/7/31浙大微电子3/34内容IC制造工艺及模拟IC工艺流程2023/7/30浙大微电1、IC制造工艺及模拟IC工艺流程IC制造工艺数字IC电路（CMOS工艺）模拟IC电路（Bipolar工艺、CMOS工艺）数模混合信号IC电路（CMOS、BiCMOS工艺）功率IC电路（BCD工艺，SOI工艺）ASIC制造常用工艺（um）标准CMOS工艺(0.5,0.35,0.18,0.13,65nm)2023/7/31浙大微电子4/341、IC制造工艺及模拟IC工艺流程IC制造工艺2023/7/Bipolar/CMOS/DMOS/SOI工艺

CMOSDMOSSOIBipolar2023/7/31浙大微电子5/34Bipolar/CMOS/DMOS/SOI工艺1、IC制造的基本工艺流程1、P阱(或N阱)2、有源区(制作MOS晶体管的区域)3、N-场注入(调整P型MOS管场区的杂质浓度,减小寄生效应)4、P-场注入(调整N型MOS管场区的杂质浓度,减小寄生效应)5、多晶硅栅(MOS管的栅极或称门极)6、N+注入(形成N型MOS管的源漏区)7、P+注入(形成P型MOS管的源漏区) 8、引线孔(金属铝与硅片的接触孔)9、一铝(第一层金属连线)10、通孔(两层金属铝线之间的接触孔)11、二铝(第二层金属连线)12、压焊块(输入、输出引线压焊盘)2023/7/31浙大微电子6/341、IC制造的基本工艺流程1、P阱(或N阱)2023/7/2、模拟IC设计需要具备的条件

电路设计软件及模型电路图绘制软件（SchematicCapture）电路仿真验证软件（SPICE）器件工艺模型（SPICEMODEL）************************

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****************2023/7/31浙大微电子7/342、模拟IC设计需要具备的条件电路设计软件及模型***某IC制造公司提供的SPICEModel（NMOS）*NMOS(NML7).MODEL&1NMOSLEVEL=1VTO=0.7KP=1.8E-5TOX=7E-8LD=1.0E-6XJ=1.0E-6UO=320&GAMMA=0.83PMI=0.695RD=27RS=27&CBD=7.8E-14CBS=7.8E-14PB=0.74CGSO=5.9E-10CGDO=5.9E-10&

CGBO=9.9E-9MJ=0.33LAMBDA=0.016TPG=-1IS=1.0E-15*END2023/7/31浙大微电子8/34某IC制造公司提供的SPICEModel（NMOS）*某IC制造公司提供的SPICEModel（NMOS）*NMOS(NML7).MODEL&1NMOSLEVEL=1VTO=0.7KP=1.8E-5TOX=7E-8LD=1.0E-6XJ=1.0E-6UO=320&GAMMA=0.83PMI=0.695RD=27RS=27&

CBD=7.8E-14CBS=7.8E-14PB=0.74CGSO=5.9E-10CGDO=5.9E-10&

CGBO=9.9E-9MJ=0.33LAMBDA=0.016TPG=-1IS=1.0E-15*END2023/7/31浙大微电子9/34某IC制造公司提供的SPICEModel（NMOS）*模拟IC设计需要具备的条件（续）

版图设计软件及验证文件版图绘制软件(Virtuso)设计规则检查软件(DRC)版图-电路图一致性检查(LVS)寄生参数提取软件(Extracter)后三项软件需要的规则文件************************

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****GND2023/7/31浙大微电子10/34模拟IC设计需要具备的条件（续）版图设计软件及验证文所需DRC规则文件(DesignRuleCheck)ivIf(switch("drc?")then

；条件转移语句，选择是否运行drcdrc(nwellwidth<4.8"1.a:Minnwellwidth=4.8")；检查N阱宽度是否小于4.8umdrc(nwellsep<1.8"1.b:Minnwelltonwellspacing=1.8")；检查N阱之间的最小间距是否小于1.8umdrc(nwellndiffenc<0.6"1.c:nwellenclosurendiff=0.6")；检查N阱过覆盖N扩散区是否大于0.6umdrc(nwellpdiffenc<1.8"1.d:nwellenclosurepdiff=1.8")；检查N阱过覆盖P扩散区是否大于1.8umsaveDerived(geomAndNot(pgatenwell)"1.e:pmosdevicemustbeinnwell"))；检查pmos是否在N阱内

2023/7/31浙大微电子11/34所需DRC规则文件(DesignRuleCheck)iv所需LVS验证文件(LayoutVersusSch.)lvsRules(procedure(compareMOS(layPlist,schPlist)；比较MOS管的属性prog(()if(layPlist->w!=nil&&schPlist->w!=nilthen

if(layPlist->w!=schPlist->wthensprintf(errorW,"Gatewidthmismatch:%gulayoutto%guschematic",float(layPlist->w),float(schPlist->w))return(errorW)))if(layPlist->l!=nil&&schPlist->l!=nilthen

if(layPlist->l!=schPlist->lthensprintf(errorL,"Gatelengthmismatch:%gulayoutto%guschematic",float(layPlist->l),float(schPlist->l))return(errorL)))return(nil)))2023/7/31浙大微电子12/34所需LVS验证文件(LayoutVersusSch.)l所需Extract（寄生）器件、参数提取文件drcExtractRules(ivIf(switch("extract?")then；定义识别层:

ngate=geomAnd(ndiffpoly)pgate=geomAnd(pdiffpoly)；提取器件:extractDevice(pgatepoly("G")psd("S""D")"pmosivpcell")extractDevice(ngatepoly("G")nsd("S""D")"nmosivpcell")2023/7/31浙大微电子13/34所需Extract（寄生）器件、参数提取文件drcExtr3、模拟IC设计受非理想因素的影响（1）PVT的影响P(制造工艺)ttffsssffs五个工艺角V(工作电压)偏差士10%T(环境温度)民品（0°-75°C）工业用品（-40°-85°C）军品（-55°-125°C）以上所有的情况都要进行仿真！N+N+P2023/7/31浙大微电子fssNMOSfPMOSttfffssssfVt1>Vt214/343、模拟IC设计受非理想因素的影响（1）PVT的模拟IC设计受非理想因素的影响（2）寄生电感电容电阻的影响连线寄生电阻互感结电容、连线电容（线间、对地）2023/7/31浙大微电子15/34模拟IC设计受非理想因素的影响（2）寄生电感电容电阻的影响2高性能模拟IC设计需要的步骤

后仿真（所有的PVT都要仿）版图设计完成及寄生参数提取后的电路仿真对电路的频率特性有影响对需要精细偏置的电路有影响GND2023/7/31浙大微电子16/34高性能模拟IC设计需要的步骤后仿真（所有的PVT都要内容模拟IC制造的工艺流程模拟IC设计需要具备的条件模拟IC设计受非理想因素的影响带隙基准源的设计运算放大器的设计电压比较器的设计压控振荡器的设计过温保护电路的设计欠压保护电路的设计2023/7/31浙大微电子17/34内容模拟IC制造的工艺流程2023/7/30浙大微电子17/4、带隙基准源的设计

推导公式如下：

令：I1=I2=I32023/7/31浙大微电子18/344、带隙基准源的设计推导公式如下：令：I1=I2带隙基准源温度特性2023/7/31浙大微电子19/34带隙基准源温度特性2023/7/30浙大微电子19/34带隙基准源输出与电源电压关系2023/7/31浙大微电子20/34带隙基准源输出与电源电压关系2023/7/30浙大微电子2带隙基准源电源抑制比2023/7/31浙大微电子21/34带隙基准源电源抑制比2023/7/30浙大微电子21/345、运算放大器的设计(差模输入输出)2023/7/31浙大微电子22/345、运算放大器的设计(差模输入输出)2023/7/30浙大微带有共模反馈的运算放大器两级放大，共源共栅输入，共模反馈，Miller电容零极点补偿2023/7/31浙大微电子23/34带有共模反馈的运算放大器两级放大，共源共栅输入，共模反馈，运放的直流增益、

单位增益带宽与相位裕度2023/7/31浙大微电子24/34运放的直流增益、

单位增益带宽与相位裕度2023/7/30浙6、电压比较器的设计要求有较高的灵敏度。通常把比较器能有效比较的最低电平值定义为灵敏度。要求有较高的响应速度。比较信号到位到比较结果输出的时间定义为响应时间，它和转换速率及增益带宽有关。要求有良好的参数一致性。受工艺涨落影响要小（每一批次的离散性要小）2023/7/31浙大微电子25/346、电压比较器的设计要求有较高的灵敏度。2023/7/30浙比较器的性能参数灵敏度输入失调电压输入共模范围输入偏置电流输出驱动电流输出电压工作电压静态电流（功耗）输出上升时间，输出下降时间，输出延迟时间芯片面积指标实例：<100nSdelaywith5mVoverdrive<1uAcurrentconsumptionoperatingvoltageof5VRailtoRailOutputsVDD

VSS2023/7/31浙大微电子26/34比较器的性能参数灵敏度指标实例：VDDVSS2023/7/比较器及脉宽调制（PWM）原理2023/7/31浙大微电子27/34比较器及脉宽调制（PWM）原理2023/7/30浙大微电子2PWM电路2023/7/31浙大微电子28/34PWM电路2023/7/30浙大微电子28/347、压控振荡器(VCO)的设计

电感L0和电容C0构成基本谐振腔M1、M2为谐振腔提供能量控制信号CW0和CW1（0/0.8V）控制开关电容阵列，提供频率粗调（频宽，150MHz）控制信号Vctrl(0-0.8V)控制变容管提供频率细调VDD=0.5V

2023/7/31浙大微电子29/347、压控振荡器(VCO)的设计电感L0和电容C0构成基本谐8、过温保护电路的设计

125℃对应的Q1的BE结导通电压为0.45V85℃对应的Q1的BE结导通电压为0.53V0.45V0.53VVBQ1=I1(R1+R2)=0.53VVBQ1=I1(R1+R2//RQ2)=0.45V高温:Q1通、Q2止，低温:Q1止、Q2通，0.45V0.53V2023/7/31浙大微电子30/348、过温保护电路的设计125℃对应的Q1的BE结导通电8、过温保护电路的设计(II)

2023/7/31浙大微电子31/348、过温保护电路的设计(II)2023/7/30浙大微电子9、欠压保护电路的设计（4.7-5.7V）

当电路初启时，Vc增大，当Vc>=5.7V时，Va大于基准电压，使比较器C2输出低电平。Vb也大于基准电压，使比较器C1输出高电平。经RS触发器等逻辑电路后输出高电平。电路进入正常工作状态。当Vc低于设定下限4.7V时，Vb小于基准电压。Va也小于基准电压，那么C2输出为高电平，C1输出为低电平。这时，RS触发器等逻辑电路输出低电平，关断内部供电电路以及输出电路，起到欠压保护作用。

2023/7/31浙大微电子电路一旦进入正常工作状态，将应该允许工作电压有一个适当的波动范围4.7-5.7V.32/34Vr9、欠压保护电路的设计（4.7-5.7V）当电路初启时，V求各电阻及Vr的设计值列方程：5.7R3/(R1+R2+R3)>Vr（1）

4.7（R2+R3）/(R1+R2+R3)<Vr（2）即4.7（R2+R3）/(R1+R2+R3)<Vr<5.7R3/(R1+R2+R3)（3）亦即4.7（R2+R3）<5.7R3得4.7R2<R3（或R3>4.7R2）（4）若令：R2=R1=1K,R3=5K,

则（3）式变为：（4.7*6）/7<Vr<（5.7*5）/7即4.03<Vr<4.07