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模擬集成電路設(shè)計(jì)原理 課程摘要 采用當(dāng)今流行的CMOS工藝 討論模擬集成電路的分析和設(shè)計(jì)原理 建立模擬集成電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ) 工藝和器件模型模擬集成電路分析 設(shè)計(jì)和仿真的方法層次化 自下而上的分析方法 直觀的 基于簡(jiǎn)單分析模型的分析方法 電路設(shè)計(jì)步驟模擬工具的正確使用 參考書 P R Gray AnalysisandDesignofAnalogIntegratedCircuits 2 BehzadRazavi 模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì) 3 PhillipE Allen CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì) 其它參考書 AlanHastings TheArtofAnalogLayout R J Baker CMOS 混合信號(hào)電路設(shè)計(jì) DavidAJohn KenMartin AnalogIntegratedCircuitsDesign HSPICEUser sManual 1 考核標(biāo)準(zhǔn)和聯(lián)系方式 考核標(biāo)準(zhǔn)平時(shí)作業(yè)設(shè)計(jì)課題期中練習(xí)期末聯(lián)系方式 15 15 15 55 導(dǎo)論 1 1模擬集成電路設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 層次化設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)步驟魯棒 robust 設(shè)計(jì) 1 2模擬集成電路的應(yīng)用1 3模擬信號(hào)處理1 4混合信號(hào)電路舉例 模擬集成電路的一般概念 什么是模擬電路 模擬信號(hào)模擬信號(hào)的采樣信號(hào) 一般概念 續(xù) 什么是模擬集成電路設(shè)計(jì) 特定模擬電路 或系統(tǒng)的功能和性能 設(shè)計(jì) 選擇合適的集成電路工藝 成功的設(shè)計(jì)結(jié)果 模擬集成電路設(shè)計(jì)步驟 電路設(shè)計(jì) 物理版圖設(shè)計(jì)根據(jù)工藝版圖設(shè)計(jì)規(guī)則設(shè)計(jì)器件 器件之間的互聯(lián)電源和時(shí)鐘線的分布與外部的連接 電路測(cè)試電路制備后對(duì)電路功能和性能參數(shù)的測(cè)試驗(yàn)證產(chǎn)品開發(fā) 層次設(shè)計(jì) 描述層次 設(shè)計(jì) 電路層次 系統(tǒng) 系統(tǒng)說明 仿真Matlab ADMS 電路性能netlist simulation 版圖布局layout 參數(shù)化模塊 單元layout 行為模型 物理 模型 電路 宏模型Matlab 器件 器件特性 版圖描述designrule 器件模型spicemodel 層次設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu) 開關(guān)電容電路 VCO和PLL A DD A 復(fù)雜電路 運(yùn)算放大器 帶隙基準(zhǔn) 比較器 簡(jiǎn)單電路 單級(jí)放大器 差動(dòng)放大器 電路偏置 電流鏡電路 器件 CMOS工藝 器件物理 器件Spice參數(shù) 版圖設(shè)計(jì) 電路模擬 模擬集成電路設(shè)計(jì)步驟 設(shè)計(jì)要求描述 設(shè)計(jì)定義 電路設(shè)計(jì) 與設(shè)計(jì)指標(biāo)比較 執(zhí)行設(shè)計(jì) 仿真 物理層設(shè)計(jì) 物理層設(shè)計(jì) 物理層驗(yàn)證 提取寄生參數(shù) 芯片設(shè)計(jì) 測(cè)試和產(chǎn)品開發(fā) 芯片制造 測(cè)試和驗(yàn)證 產(chǎn)品生產(chǎn) 與設(shè)計(jì)指標(biāo)比較 集成和分立模擬電路的區(qū)別 器件制備在同一襯底上 器件具有相似的性能參數(shù) 易于匹配 器件參數(shù)由幾何尺寸決定 器件的品種和參數(shù)的限制 無源器件的面積大 參數(shù)的范圍小 精度差 MOS工藝中的Bipolar晶體管的品種少 性能差 采用計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證 無法用電路試驗(yàn)板驗(yàn)證 計(jì)算機(jī)驗(yàn)證的直觀性差 受仿真方法和器件參數(shù)的影響大 模擬和數(shù)字集成電路的區(qū)別 電路的不同 模擬信號(hào) 數(shù)字信號(hào) 不規(guī)則的形狀 規(guī)則的形狀 設(shè)計(jì)層次 電路級(jí) 系統(tǒng)級(jí) 設(shè)計(jì)方法 全定制 標(biāo)準(zhǔn)單元 器件參數(shù)的影響 器件參數(shù)的連續(xù)性 固定 精確的模型 時(shí)序模型 設(shè)計(jì)優(yōu)化 trade off robusting 軟件編程動(dòng)態(tài)范圍 Dynamicrange 受電源 噪聲限制 沒有限制 CAD 難以利用自動(dòng)設(shè)計(jì)工具 模擬集成電路設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 直觀的設(shè)計(jì) 模擬設(shè)計(jì)的復(fù)雜性 設(shè)計(jì)參數(shù)多 速度 功耗 增益 精度 電源電壓 線性度等參數(shù)不同參數(shù)間的折中 設(shè)計(jì)難度大 高性能電路設(shè)計(jì)難點(diǎn)噪聲 串?dāng)_ 電源電壓下降等溫度對(duì)性能的影響大 器件二級(jí)效應(yīng)對(duì)性能的影響大 模擬電路二級(jí)效益的建模和仿真存在難題 仿真不能發(fā)現(xiàn)所有設(shè)計(jì)問題 解決方法 直觀和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì) 魯棒設(shè)計(jì) 魯棒設(shè)計(jì) 電路性能隨工藝 電源電壓 溫度而變化 器件模型參數(shù)的改變 閾值電壓 二級(jí)效應(yīng)參數(shù)工藝角參數(shù)TT FF SS FNSP SNFP 電源電壓對(duì)器件工作區(qū)的影響 電壓變化范圍 20 溫度的范圍 室溫 25度 或50度民品 軍品 計(jì)算機(jī)模擬易于仿真在最壞條件下的電路性能 模擬集成電路的應(yīng)用 模擬電路本質(zhì)上是不可替代的 自然界是 模擬 的 聲 光 電等模擬量模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換 模擬集成電路的應(yīng)用 集成傳感器系統(tǒng) 傳感器感知或探測(cè)模擬信號(hào)聲音 麥克風(fēng) 超聲波系統(tǒng) 力 地震儀 加速度計(jì) 熱 電子溫度計(jì) 光 數(shù)碼相機(jī) 磁 磁盤驅(qū)動(dòng) 探測(cè)器感知的信號(hào)很弱 麥克風(fēng) 地震儀的電壓 幾毫伏 幾百毫伏視頻照相機(jī)的電流 每毫秒幾個(gè)電子 探測(cè)器信號(hào)處理電路 放大 濾波 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 信號(hào)處理 信號(hào)傳輸 模擬集成電路的應(yīng)用 汽車電子應(yīng)用 加速度計(jì) 探測(cè)可變電容器的改變量 1 探測(cè)單電容值的改變探測(cè)單電容之差的改變 模擬集成電路的應(yīng)用 數(shù)字通信應(yīng)用 數(shù)字信號(hào)經(jīng)過傳輸后模擬信號(hào)有線通訊 電纜傳輸 衰減 串?dāng)_ 回波 模擬集成電路的應(yīng)用 采用多電平信號(hào)已降低所需的帶寬 降低了收發(fā)電路的帶寬要求數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的精度提高 模擬集成電路的應(yīng)用 無線接收 接收信號(hào)很弱 幾毫伏 干擾大 中心頻率高 接收信號(hào)處理 放大信號(hào)降低噪聲抑制干擾高頻工作功耗和成本 模擬集成電路的應(yīng)用 磁盤驅(qū)動(dòng) 通過磁頭將磁信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào) 幾毫伏放大 濾波 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 500兆赫茲 模擬集成電路的應(yīng)用 光通信 光纜傳輸 極高帶寬 極低損耗 高速 遠(yuǎn)距離傳輸 信號(hào)轉(zhuǎn)換 電信號(hào) 光信號(hào) 電信號(hào) 極小的電流低噪聲 高速接收電路 模擬集成電路的應(yīng)用 高速的數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào) 微處理器 高速的時(shí)鐘高速的數(shù)據(jù)傳輸寄生效應(yīng)對(duì)性能的影響 SRAM DRAM 高速的數(shù)據(jù)讀寫巨大的儲(chǔ)存單元陣列造成的寄生靈敏的讀出電路 模擬集成電路的 蛋殼 模型 2002年世界模擬IC市場(chǎng) 模擬信號(hào)帶寬的關(guān)系 對(duì)模擬電路而言 不同的應(yīng)用對(duì)于不同的信號(hào)帶寬 集成電路工藝的趨勢(shì) MOS和BIPOLAR器件性能 工藝進(jìn)化對(duì)模擬電路的影響 優(yōu)勢(shì) 面積更小 寄生電容更小跨導(dǎo)更大 速度更快 劣勢(shì) 溝道電阻下降 增益下降 閾值電壓下降速度低于電源電壓 信號(hào)幅度下降噪聲上升 動(dòng)態(tài)幅度下降更加非線性更加偏離MOS的平方律電流特性 建模更難 模擬信號(hào)處理 首先確定系統(tǒng)中的模擬和數(shù)字部分的劃分系統(tǒng)分成三個(gè)模塊 預(yù)處理模塊 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)數(shù)字處理模塊 數(shù)字信號(hào)處理 DSP 后加工模塊 將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào) 系統(tǒng)中的模擬電路 預(yù)處理模塊 輸入信號(hào) 傳感器輸出 語音信號(hào) 射頻信號(hào)等濾波器 filter 根據(jù)采樣原理 限制輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信號(hào)帶寬 自動(dòng)增益控制電路 AGC 控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)的幅度 是一個(gè)可控增益放大器 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC或A D 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào) 頻率綜合器或鎖相環(huán) PLL 提供信號(hào)采樣的精確時(shí)鐘 后處理模塊 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào) 放大 功率放大 提高驅(qū)動(dòng)能力 濾波器 平滑輸出波形 舉例 磁盤驅(qū)動(dòng)器數(shù)字讀 寫通道 磁盤驅(qū)動(dòng)器中的模塊電路 1 輸入信號(hào) 信號(hào)由磁感應(yīng)轉(zhuǎn)換得到 經(jīng)片外預(yù)放大器放大 為全差分模擬信號(hào) 可變?cè)鲆娣糯笃?VGA 數(shù)字增益控制回路進(jìn)行實(shí)時(shí)控制 低通濾波器 low passfilter Gm C濾波器 具有2零點(diǎn)7極點(diǎn) 零極點(diǎn)的相對(duì)位置可編程 具有高頻下增益提升功能 低通濾波器的頻率響應(yīng) 調(diào)節(jié)Gm C濾波器頻率響應(yīng)的方法 對(duì)電容值C進(jìn)行數(shù)字控制 可編程對(duì)跨導(dǎo)Gm進(jìn)行調(diào)節(jié) 單極點(diǎn)低通Gm C濾波器 Gm由偏置電流或電壓確定 易受工藝 溫度和電源電壓變化的影響 低通濾波器的頻率響應(yīng) 利用PLL得到精確的控制電壓 PLL可得到精確的頻率 PLL的頻率和振蕩器 VCO 的特征時(shí)間常數(shù)成反比 C Gm低通濾波器中的電路和VCO的電路是匹配的 磁盤驅(qū)動(dòng)器中的模塊電路 2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC 6位ADC 由VCO提供采樣時(shí)鐘 采樣頻率由數(shù)字時(shí)鐘恢復(fù)電路控制 偏移控制 采集63個(gè)比較器的失調(diào)電壓 反饋到輸入端 抵消由此引起的失真 數(shù)字信號(hào)處理 有限脈沖響應(yīng) FIR 濾波器或均衡器 峰值檢測(cè) 定時(shí)控制和增益控制 時(shí)序檢測(cè)和Viterbi解碼 RLL解碼 解擾碼 對(duì)于寫 發(fā)送 擾碼 RLL編碼 驅(qū)動(dòng) DAC filter 磁盤驅(qū)動(dòng)器中的模塊電路 3 寫 發(fā)送 擾碼 RLL編碼 驅(qū)動(dòng) DAC filter 小結(jié) 什么是模擬集成電路設(shè)計(jì) 模擬集成電路設(shè)計(jì)和分立模擬電路與數(shù)字電路設(shè)計(jì)的區(qū)別 設(shè)計(jì)的難點(diǎn) 設(shè)計(jì)步驟和直觀的 層次的 魯棒的設(shè)計(jì) 模擬集成電路的應(yīng)用 不同的信號(hào)帶寬和工藝對(duì)模擬電路的影響 模擬信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)和各種典型的模擬電路模塊VLSI混合模擬信號(hào)電路設(shè)計(jì)舉例