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模擬集成電路設計原理 課程摘要 采用當今流行的CMOS工藝 討論模擬集成電路的分析和設計原理 建立模擬集成電路設計的基礎 工藝和器件模型模擬集成電路分析 設計和仿真的方法層次化 自下而上的分析方法 直觀的 基于簡單分析模型的分析方法 電路設計步驟模擬工具的正確使用 參考書 P R Gray AnalysisandDesignofAnalogIntegratedCircuits 2 BehzadRazavi 模擬CMOS集成電路設計 3 PhillipE Allen CMOS模擬集成電路設計 其它參考書 AlanHastings TheArtofAnalogLayout R J Baker CMOS 混合信號電路設計 DavidAJohn KenMartin AnalogIntegratedCircuitsDesign HSPICEUser sManual 1 考核標準和聯系方式 考核標準平時作業(yè)設計課題期中練習期末聯系方式 15 15 15 55 導論 1 1模擬集成電路設計的特點 層次化設計設計步驟魯棒 robust 設計 1 2模擬集成電路的應用1 3模擬信號處理1 4混合信號電路舉例 模擬集成電路的一般概念 什么是模擬電路 模擬信號模擬信號的采樣信號 一般概念 續(xù) 什么是模擬集成電路設計 特定模擬電路 或系統的功能和性能 設計 選擇合適的集成電路工藝 成功的設計結果 模擬集成電路設計步驟 電路設計 物理版圖設計根據工藝版圖設計規(guī)則設計器件 器件之間的互聯電源和時鐘線的分布與外部的連接 電路測試電路制備后對電路功能和性能參數的測試驗證產品開發(fā) 層次設計 描述層次 設計 電路層次 系統 系統說明 仿真Matlab ADMS 電路性能netlist simulation 版圖布局layout 參數化模塊 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 層次設計 結構 開關電容電路 VCO和PLL A DD A 復雜電路 運算放大器 帶隙基準 比較器 簡單電路 單級放大器 差動放大器 電路偏置 電流鏡電路 器件 CMOS工藝 器件物理 器件Spice參數 版圖設計 電路模擬 模擬集成電路設計步驟 設計要求描述 設計定義 電路設計 與設計指標比較 執(zhí)行設計 仿真 物理層設計 物理層設計 物理層驗證 提取寄生參數 芯片設計 測試和產品開發(fā) 芯片制造 測試和驗證 產品生產 與設計指標比較 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 易于匹配 器件參數由幾何尺寸決定 器件的品種和參數的限制 無源器件的面積大 參數的范圍小 精度差 MOS工藝中的Bipolar晶體管的品種少 性能差 采用計算機仿真驗證 無法用電路試驗板驗證 計算機驗證的直觀性差 受仿真方法和器件參數的影響大 模擬和數字集成電路的區(qū)別 電路的不同 模擬信號 數字信號 不規(guī)則的形狀 規(guī)則的形狀 設計層次 電路級 系統級 設計方法 全定制 標準單元 器件參數的影響 器件參數的連續(xù)性 固定 精確的模型 時序模型 設計優(yōu)化 trade off robusting 軟件編程動態(tài)范圍 Dynamicrange 受電源 噪聲限制 沒有限制 CAD 難以利用自動設計工具 模擬集成電路設計的特點 直觀的設計 模擬設計的復雜性 設計參數多 速度 功耗 增益 精度 電源電壓 線性度等參數不同參數間的折中 設計難度大 高性能電路設計難點噪聲 串擾 電源電壓下降等溫度對性能的影響大 器件二級效應對性能的影響大 模擬電路二級效益的建模和仿真存在難題 仿真不能發(fā)現所有設計問題 解決方法 直觀和經驗設計 魯棒設計 魯棒設計 電路性能隨工藝 電源電壓 溫度而變化 器件模型參數的改變 閾值電壓 二級效應參數工藝角參數TT FF SS FNSP SNFP 電源電壓對器件工作區(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 計算機模擬易于仿真在最壞條件下的電路性能 模擬集成電路的應用 模擬電路本質上是不可替代的 自然界是 模擬 的 聲 光 電等模擬量模數和數模轉換 模擬集成電路的應用 集成傳感器系統 傳感器感知或探測模擬信號聲音 麥克風 超聲波系統 力 地震儀 加速度計 熱 電子溫度計 光 數碼相機 磁 磁盤驅動 探測器感知的信號很弱 麥克風 地震儀的電壓 幾毫伏 幾百毫伏視頻照相機的電流 每毫秒幾個電子 探測器信號處理電路 放大 濾波 數據轉換 信號處理 信號傳輸 模擬集成電路的應用 汽車電子應用 加速度計 探測可變電容器的改變量 1 探測單電容值的改變探測單電容之差的改變 模擬集成電路的應用 數字通信應用 數字信號經過傳輸后模擬信號有線通訊 電纜傳輸 衰減 串擾 回波 模擬集成電路的應用 采用多電平信號已降低所需的帶寬 降低了收發(fā)電路的帶寬要求數據轉換的精度提高 模擬集成電路的應用 無線接收 接收信號很弱 幾毫伏 干擾大 中心頻率高 接收信號處理 放大信號降低噪聲抑制干擾高頻工作功耗和成本 模擬集成電路的應用 磁盤驅動 通過磁頭將磁信號轉換成電信號 幾毫伏放大 濾波 數據轉換高速數據轉換 500兆赫茲 模擬集成電路的應用 光通信 光纜傳輸 極高帶寬 極低損耗 高速 遠距離傳輸 信號轉換 電信號 光信號 電信號 極小的電流低噪聲 高速接收電路 模擬集成電路的應用 高速的數字信號模擬信號 微處理器 高速的時鐘高速的數據傳輸寄生效應對性能的影響 SRAM DRAM 高速的數據讀寫巨大的儲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 模擬信號帶寬的關系 對模擬電路而言 不同的應用對于不同的信號帶寬 集成電路工藝的趨勢 MOS和BIPOLAR器件性能 工藝進化對模擬電路的影響 優(yōu)勢 面積更小 寄生電容更小跨導更大 速度更快 劣勢 溝道電阻下降 增益下降 閾值電壓下降速度低于電源電壓 信號幅度下降噪聲上升 動態(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 模擬信號處理 首先確定系統中的模擬和數字部分的劃分系統分成三個模塊 預處理模塊 將模擬信號轉變?yōu)閿底中盘枖底痔幚砟K 數字信號處理 DSP 后加工模塊 將數字信號轉換為模擬信號 系統中的模擬電路 預處理模塊 輸入信號 傳感器輸出 語音信號 射頻信號等濾波器 filter 根據采樣原理 限制輸入模數轉換器的信號帶寬 自動增益控制電路 AGC 控制模數轉換器的輸入信號的幅度 是一個可控增益放大器 模數轉換器 ADC或A D 將模擬信號轉換為數字信號 頻率綜合器或鎖相環(huán) PLL 提供信號采樣的精確時鐘 后處理模塊 數模轉換器 將數字信號轉換為模擬信號 放大 功率放大 提高驅動能力 濾波器 平滑輸出波形 舉例 磁盤驅動器數字讀 寫通道 磁盤驅動器中的模塊電路 1 輸入信號 信號由磁感應轉換得到 經片外預放大器放大 為全差分模擬信號 可變增益放大器 VGA 數字增益控制回路進行實時控制 低通濾波器 low passfilter Gm C濾波器 具有2零點7極點 零極點的相對位置可編程 具有高頻下增益提升功能 低通濾波器的頻率響應 調節(jié)Gm C濾波器頻率響應的方法 對電容值C進行數字控制 可編程對跨導Gm進行調節(jié) 單極點低通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 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 的特征時間常數成反比 C Gm低通濾波器中的電路和VCO的電路是匹配的 磁盤驅動器中的模塊電路 2 模數轉換器 ADC 6位ADC 由VCO提供采樣時鐘 采樣頻率由數字時鐘恢復電路控制 偏移控制 采集63個比較器的失調電壓 反饋到輸入端 抵消由此引起的失真 數字信號處理 有限脈沖響應 FIR 濾波器或均衡器 峰值檢測 定時控制和增益控制 時序檢測和Viterbi解碼 RLL解碼 解擾碼 對于寫 發(fā)送 擾碼 RLL編碼 驅動 DAC filter 磁盤驅動器中的模塊電路 3 寫 發(fā)送 擾碼 RLL編碼 驅動 DAC filter 小結 什么是模擬集成電路設計 模擬集成電路設計和分立模擬電路與數字電路設計的區(qū)別 設計的難點 設計步驟和直觀的 層次的 魯棒的設計 模擬集成電路的應用 不同的信號帶寬和工藝對模擬電路的影響 模擬信號處理系統設計和各種典型的模擬電路模塊VLSI混合模擬信號電路設計舉例