CMOS模拟集成电路设计

CMOS模拟集成电路设计

CMOSAnalogCircuitDesign专业拓展课主讲：尹玉军讲师/工程师电话：85842192Email:yinyj@课程介绍本课程主要介绍集成电路（IC）的基本知识、CMOS技术与器件模型、CMOS子电路与放大器、SmartSpice软件使用，并能设计简单电路，通过SmartSpice软件进行仿真验证。

先修课程：电路基础、模拟电子技术参考教材：CMOS模拟集成电路设计

[美]PhillipE.Allen,DouglasR.Holberg

电子工业出版社课程介绍（续）总课时：45周学时：3学分：3

考核方式：基本知识+电路仿真设计成绩总评：平时（40%）+考核（60%）成绩等级：优（≥90）、良（80~89）、中（70~79）、及格（60~69）、不及格（＜60）

缺勤1/3总课时，成绩评定为不及格！课时分配第一讲集成电路介绍（3课时）第二讲CMOS技术与器件模型（3课时）第三讲CMOS子电路与放大器（3课时）第四讲SmartSpice软件介绍（6课时）第五讲NMOS与PMOS的仿真（6课时）第六讲CMOS反相放大器的设计（18课时）复习考核（6课时）第一讲集成电路介绍第一讲主要内容集成电路的定义及分类集成电路的特点及发展集成电路的封装集成电路的EDA工具集成电路的设计流程集成电路的定义及分类1、集成电路（IC）IC：IntegratedCircuit集成电路是电路的单芯片实现集成电路是微电子技术的核心定义：采用一定工艺，把电阻、电感、电容、晶体管等元件及布线互连，一起制作在一块半导体基片上，然后封装在一个管壳内，成为具备一定电路功能的微型结构。集成电路的定义及分类2、分类⑴按功能结构分为模拟集成电路：AnalogIntegratedCircuit应用举例：收音机、录放机、电视机等数字集成电路：DigitalIntegratedCircuit应用举例：3G手机、数码相机、计算机、数字电视等混合集成电路：HybridIntegratedCircuit

集成电路及分类2、分类模拟集成电路按频率分为低频：LF，LowFrequency中频：MF，MediumFrequency高频：HF，HighFrequency射频：RF，RadioFrequency集成电路的定义及分类2、分类⑵按集成度分为小规模集成电路SSI（Small）中规模集成电路MSI（Medium）大规模集成电路LSI（Large）超大规模集成电路VLSI（VeryLarge）特大规模集成电路ULSI（UltraLarge）巨大规模集成电路GSI（Giga）SI：ScaleIntegratedcircuits

集成电路的定义及分类2、分类⑶按导电类型分为双极型集成电路制作工艺复杂，功耗较大，代表集成电路有TTL、ECL、HTL、LST-TL、STTL等类型。单极型集成电路制作工艺简单，功耗也较低，易于制成大规模集成电路，代表集成电路有CMOS、NMOS、PMOS等类型。集成电路的定义及分类2、分类⑷按制作工艺分为半导体集成电路膜集成电路（可分为厚膜集成电路和薄膜集成电路）⑸按应用领域分为通用集成电路专用集成电路⑹按外形分为圆形(金属外壳晶体管封装型,一般适合用于大功率)、扁平型(稳定性好,体积小)和双列直插型。

集成电路的特点及发展1、集成电路的特点体积小、重量轻、引出线和焊接点少、寿命长、可靠性高、性能好、成本低、便于大规模生产不仅广泛应用于工用、民用电子设备，同时在军事、通讯、遥控等方面也得到广泛应用。集成电路的特点及发展2、集成电路的发展⑴发明者杰克·基尔比（JackKilby）1958年9月12日，美国德州仪器公司工程师杰克.基尔比发明了世界上第一个【集成电路IC】。揭开了人类二十世纪电子革命的序幕，同时宣告了数字信息时代的来临。2000年他获得了诺贝尔物理学奖，这是一个迟来了四十二年的诺贝尔物理学奖。

集成电路的特点及发展2、集成电路的发展⑵世界集成电路发展历史1947年：贝尔实验室肖特莱等人发明了晶体管，这是微电子技术发展中第一个里程碑；1950年：结型晶体管诞生；ROhl和肖特莱发明了离子注入工艺；1951年：场效应晶体管发明；1956年：CSFuller发明了扩散工艺；集成电路的特点及发展2、集成电路的发展⑵世界集成电路发展历史1958年：仙童公司RobertNoyce与德州仪器公司基尔比间隔数月分别发明了集成电路，开创了世界微电子学的历史；1960年：HHLoor和ECastellani发明了光刻工艺；1962年：美国RCA公司研制出MOS场效应晶体管；1963年：F.M.Wanlass和C.T.Sah首次提出CMOS技术，今天95%以上集成电路芯片都基于CMOS工艺；集成电路的特点及发展2、集成电路的发展⑵世界集成电路发展历史1964年：Intel公司摩尔提出摩尔定律，预测晶体管集成度将会每18个月增加1倍；1966年：美国RCA公司研制出CMOS集成电路，并研制出第一块门阵列（50门）；1967年：应用材料公司（AppliedMaterials）成立，现已成为全球最大的半导体设备制造公司；1971年：Intel推出1kb动态随机存储器（DRAM），标志着大规模集成电路出现；集成电路的特点及发展2、集成电路的发展⑵世界集成电路发展历史1971年：全球第一个微处理器4004由Intel公司推出，采用的是MOS工艺，这是一个里程碑式的发明；1974年：RCA公司推出第一个CMOS微处理器1802；1976年：16kbDRAM和4kbSRAM问世；1978年：64kb动态随机存储器诞生，不足0.5平方厘米的硅片上集成了14万个晶体管，标志着超大规模集成电路（VLSI）时代的来临；集成电路的特点及发展2、集成电路的发展⑵世界集成电路发展历史1979年：Intel推出5MHz8088微处理器，之后，IBM基于8088推出全球第一台PC；1981年：256kbDRAM和64kbCMOSSRAM问世；1984年：日本宣布推出1MbDRAM和256kbSRAM；1985年：80386微处理器问世，20MHz；1988年：16MDRAM问世，1平方厘米大小的硅片上集成有3500万个晶体管，标志着进入超大规模集成电路（VLSI）阶段；集成电路的特点及发展2、集成电路的发展⑵世界集成电路发展历史1989年：1MbDRAM进入市场；1989年：486微处理器推出，25MHz，1μm工艺，后来50MHz芯片采用0.8μm工艺；1992年：64M位随机存储器问世；1993年：66MHz奔腾处理器推出，采用0.6μｍ工艺；1995年：PentiumPro,133MHz，0.6-0.35μｍ工艺；1997年：300MHz奔腾Ⅱ问世，采用0.25μｍ工艺；集成电路的特点及发展2、集成电路的发展⑵世界集成电路发展历史1999年：奔腾Ⅲ问世，450MHz，采用0.25μｍ工艺，后采用0.18μm工艺；2000年：1GbRAM投放市场；2000年：奔腾4问世，1.5GHz，采用0.18μｍ工艺；2001年：Intel宣布2001年下半年采用0.13μｍ工艺。2003年：奔腾4E系列推出，采用90nm工艺。

集成电路的特点及发展2、集成电路的发展⑵世界集成电路发展历史2005年：intel

酷睿2系列上市，采用65nm工艺。2007年：基于全新45纳米High-K工艺的intel酷睿2E7/E8/E9上市。2009年：intel酷睿i系列全新推出，创纪录采用了领先的32纳米工艺，并且下一代22纳米工艺正在研发。集成电路的特点及发展2、集成电路的发展⑶我国集成电路发展历史1965年-1978年：以计算机和军工配套为目标，以开发逻辑电路为主要产品，初步建立集成电路工业基础及相关设备、仪器、材料的配套条件；1978年-1990年：主要引进美国二手设备，改善集成电路装备水平，在“治散治乱”的同时，以消费类整机作为配套重点，较好地解决了彩电集成电路的国产化；集成电路的特点及发展2、集成电路的发展⑶我国集成电路发展历史1990年-2000年：以908工程、909工程为重点，以CAD为突破口，抓好科技攻关和北方科研开发基地的建设，为信息产业服务，集成电路行业取得了新的发展。集成电路的特点及发展2、集成电路的发展⑷集成电路的发展规律摩尔定律（Moore’sLaw）---Min.transistorfeaturesizedecreasesby0.7Xeverythreeyears---Trueforatleast30years!(Intel公司前董事长GordonMoore首次于1965提出)集成电路的特点及发展2、集成电路的发展⑸集成电路的发展方向更高速度更低噪声更大动态范围更高精度更低功耗更低电源电压集成电路的封装1、SIP

(singlein-linepackage)

单列直插式封装。引脚从封装一个侧面引出，排列成一条直线。当装配到印刷基板上时封装呈侧立状。引脚中心距通常为2.54mm，引脚数从2至23，多数为定制产品。2、DIP(dualin-linepackage)双列直插式封装。引脚从封装两侧引出，封装材料有塑料和陶瓷两种。应用范围包括标准逻辑IC，存贮器LSI，微机电路等。引脚中心距2.54mm，引脚数从6到64。封装宽度通常为15.2mm。

集成电路的封装3、BGA

(ballgridarray)

球形触点陈列，表面贴装型封装之一。在印刷基板的背面按陈列方式制作出球形凸点用以代替引脚，在印刷基板的正面装配LSI芯片，然后用模压树脂或灌封方法进行密封。也称为凸点陈列载体(PAC)。引脚可超过200，是多引脚LSI用的一种封装。封装本体也可做得比QFP(四侧引脚扁平封装)小。集成电路的封装4、COB

(chiponboard)板上芯片封装，是裸芯片贴装技术之一，半导体芯片交接贴装在印刷线路板上，芯片与基板的电气连接用引线缝合方法实现，芯片与基板的电气连接用引线缝合方法实现，并用树脂覆盖以确保可靠性。5、LCC(Leadlesschipcarrier)

无引脚芯片载体。指陶瓷基板的四个侧面只有电极接触而无引脚的表面贴装型封装。是高速和高频IC用封装。集成电路的封装6、PGA

(pingridarray)

陈列引脚封装。插装型封装之一，其底面的垂直引脚呈陈列状排列。封装基材基本上都采用多层陶瓷基板。在未专门表示出材料名称的情况下，多数为陶瓷PGA，用于高速大规模逻辑LSI电路。成本较高。7、QFP(quadflatpackage)

四侧引脚扁平封装。表面贴装型封装之一，引脚从四个侧面引出呈海鸥翼(L)型。基材有陶瓷、金属和塑料三种。集成电路的封装8、SOP(smallOut-Linepackage)

小外形封装。表面贴装型封装之一，引脚从封装两侧引出呈海鸥翼状(L字形)。材料有塑料和陶瓷两种。

9、PLCC(plasticleadedchipcarrier)

带引线的塑料芯片载体。表面贴装型封装之一。引脚从封装的四个侧面引出，呈丁字形，是塑料制品。

…………集成电路的EDA工具1、SPICE（Simulationprogramwithintegratedcircuitemphasis）是最为普遍的电路级模拟程序，各软件厂家提供提供了Vspice、Hspice、Pspice等不同版本spice软件，其仿真核心大同小异，都是采用了由美国加州Berkeley大学开发的spice模拟算法。SPICE可对电路进行非线性直流分析、非线性瞬态分析和线性交流分析。

集成电路的EDA工具2、ADS先进设计系统(AdvancedDesignSystem)，是安捷伦科技有限公司(Agilent)为了高效的进行产品研发生产，而设计开发的一款EDA软件。软件迅速成为工业设计领域EDA软件的佼佼者，因其强大的功能、丰富的模板支持和高效准确的仿真能力（尤其在射频微波领域），而得到了广大IC设计工作者的支持。

集成电路的EDA工具2、ADSADS电子设计自动化功能包含时域电路仿真(SPICE-likeSimulation)、频域电路仿真(HarmonicBalance、LinearAnalysis)、三维电磁仿真(EMSimulation)、通信系统仿真(CommunicationSystemSimulation)、数字信号处理仿真设计（DSP）；ADS支持射频和系统设计工程师开发所有类型的RF设计，从简单到复杂，从离散的射频/微波模块到用于通信和航天/国防的集成MMIC，是当今国内各大学和研究所使用最多的微波/射频电路和通信系统仿真软件软件。

集成电路的EDA工具3、CadenceCadence公司的电子设计自动化（ElectronicDesignAutomation）产品涵盖了电子设计的整个流程，包括系统级设计，功能验证，IC综合及布局布线，模拟、混合信号及射频IC设计，全定制集成电路设计，IC物理验证，PCB设计和硬件仿真建模等。

集成电路的设计流程模拟集成电路的设计流程1、系统划分按功能要求进行系统设计，并将系统指标进行划分。2、电路设计根据划分的电路指标完成电路设计。3、前仿真电路功能的仿真，包括功耗，电流，电压，温度，压摆幅，输入输出特性等参数的仿真。

集成电路的设计流程模拟集成电路的设计流程4、版图设计（Layout）

依据所设计的电路画版图。一般使用Cadence软件。

5、后仿真对所画的版图进行仿真，并与前仿真比较，若达不到要求需修改或重新设计版图。

6、流片将版图文件生成GDSII文件交予Foundry流片。

集成电路