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第三讲 模拟 IC åŠå…¶æ¨¡å—设计. 浙大微电å 韩 é› 2013.3. 内容. 模拟 IC åˆ¶é€ çš„å·¥è‰ºæµç¨‹ 模拟 IC 设计需è¦å…·å¤‡çš„æ¡ä»¶ 模拟 IC 设计å—éžç†æƒ³å› ç´ çš„å½±å“ å¸¦éš™åŸºå‡†æºçš„设计 è¿ç®—放大器的设计 电压比较器的设计 压控振è¡å™¨çš„设计 过温ä¿æŠ¤ç”µè·¯çš„设计 æ¬ åŽ‹ä¿æŠ¤ç”µè·¯çš„设计. 内容. 模拟 IC åˆ¶é€ çš„å·¥è‰ºæµç¨‹ 模拟 IC 设计需è¦å…·å¤‡çš„æ¡ä»¶ 模拟 IC 设计å—éžç†æƒ³å› ç´ çš„å½±å“ å¸¦éš™åŸºå‡†æºçš„设计 è¿ç®—放大器的设计 电压比较器的设计 压控振è¡å™¨çš„设计 过温ä¿æŠ¤ç”µè·¯çš„设计 æ¬ åŽ‹ä¿æŠ¤ç”µè·¯çš„设计. 1 〠IC åˆ¶é€ çš„åŸºæœ¬å·¥è‰ºæµç¨‹.
E N D
第三讲模拟IC及其模块设计 浙大微电子 韩 雁 2013.3
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 浙大微电子
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 浙大微电子
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 ) 浙大微电子
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 （Schematic Capture） • 电路仿真验证 软件（SPICE） • 器件工艺模型（SPICE MODEL） ********** *************************************************************** **** 浙大微电子
某IC制造公司提供的SPICE Model （NMOS ） *NMOS ( NML7 ) .MODEL &1 NMOSLEVEL=1VTO=0.7KP=1.8E-5TOX=7E-8LD=1.0E-6XJ=1.0E-6UO=320 & GAMMA=0.83 PMI=0.695 RD=27RS=27 & CBD=7.8E-14CBS=7.8E-14 PB=0.74 CGSO=5.9E-10CGDO=5.9E-10 & CGBO=9.9E-9 MJ=0.33 LAMBDA=0.016 TPG=-1 IS=1.0E-15 *END 浙大微电子
GND 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) • 寄生参数提取软件(Extracter) • 版图-电路图一致性检查(LVS) • 后三项软件需要的规则文件 ********** ******************************************** 浙大微电子
所需DRC规则文件(Design Rule Check) ivIf(switch("drc?") then ；条件转移语句，选择是否运行drc drc(nwell width < 4.8 "1.a: Min nwell width =4.8") ；检查N阱宽度是否小于4.8um drc(nwell sep < 1.8 "1.b: Min nwell to nwell spacing =1.8") ；检查N阱之间的最小间距是否小于1.8um drc(nwell ndiff enc < 0.6 "1.c:nwell enclosure ndiff =0.6" ) ；检查N阱过覆盖N扩散区是否大于0.6um drc(nwell pdiff enc < 1.8 "1.d:nwell enclosure pdiff =1.8") ；检查N阱过覆盖P扩散区是否大于1.8um saveDerived(geomAndNot(pgate nwell) "1.e: pmos device must be in nwell") ) ；检查pmos是否在N阱内 浙大微电子
所需LVS验证文件(Layout Versus Sch.) lvsRules( procedure( compareMOS (layPlist,schPlist) ；比较MOS管的属性 prog( ( ) if(layPlist->w!=nil && schPlist->w!=nil then if( layPlist->w !=schPlist->w then sprintf (errorW,"Gate width mismatch: %gu layout to %gu schematic", float( layPlist->w ), float( schPlist->w ) ) return( errorW ) ) ) if(layPlist->l !=nil && schPlist->l !=nil then if( layPlist->l != schPlist->l then sprintf( errorL, "Gate length mismatch: %gu layout to %gu schematic", float( layPlist->l ),float(schPlist->l) ) return( errorL ) ) ) return( nil ) ) ) 浙大微电子
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(ndiff poly) pgate=geomAnd(pdiff poly) ；提取器件 extractDevice( pgate poly("G") psd("S" "D") "pmos ivpcell" ) extractDevice( ngate poly("G") nsd("S" "D") "nmos ivpcell") 浙大微电子
N+ N+ P 3、模拟IC设计受非理想因素的影响（1） PVT 的影响 制造工艺、工作电压、环境温度 • P (制造工艺) • tt ff ss sf fs 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！ 浙大微电子
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 • 互感 • 连线电阻 • 结电容、连线电容（线间、对地） 浙大微电子
GND 高性能模拟IC设计需要的步骤 后仿真 • 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 浙大微电子
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 浙大微电子
推导公式如下： 4、带隙基准源的设计 I1 = I2 = I3 令： 浙大微电子
带隙基准源温度特性 浙大微电子
带隙基准源输出与电源电压关系 浙大微电子
带隙基准源电源抑制比 浙大微电子
5、运算放大器的设计(差模输入输出) 浙大微电子
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 浙大微电子
运放的直流增益、单位增益带宽与相位裕度 浙大微电子
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。 • 比较器的响应时间和它的转换速率及增益带宽有关。 • 要求有良好的稳定性。 • 要求有良好的工艺兼容性。 浙大微电子
指标实例： <100nS delay with 5mV overdrive <1uA current consumption operating voltage of 5V Rail to Rail Outputs VDD VSS 比较器的性能参数有： • 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 • 输出上升时间，输出下降时间，输出延迟时间 • 芯片面积 浙大微电子
比较器及脉宽调制（PWM）原理 浙大微电子
PWM电路 浙大微电子
7、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 浙大微电子
0.45V 0.53V 8、过温保护电路的设计 0.45V 0.53V 125℃对应的Q1的BE结导通电压为0.45V 85℃对应的Q1的BE结导通电压为0.53V VBQ1= I1 ( R1+R2//RQ2 ) = 0.45V VBQ1= I1 ( R1+R2) = 0. 53V 低温-- Q2 导通 高温-- Q2 截止 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。 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. 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。 浙大微电子
求各电阻及Vr的设计值 列方程： 5.7 R3 / (R1+R2+R3) > Vr （1） 4.7（R2+R3）/ (R1+R2+R3) < Vr （2） 即 4.7（R2+R3）/ (R1+R2+R3) < Vr < 5.7 R3 / (R1+R2+R3) （3） 亦即 4.7（R2+R3）< 5.7 R3 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（V），取Vr = 4.05V 浙大微电子
产品设计时的实际考虑： 考虑到Vr的精度控制难度及会带来的稳定性问题，设计应留有充分的裕量。尝试着将R3取大。 Vr不可能取Vc及以上； 考虑到Vc可以工作在4.7V+，所以Vr应在4.7 V以下。 令R1=R2=1K, R3=10K, 则（3）式变为 （4.7 * 11）/ 12 < Vr < （5.7 * 10）/ 12 即：4.3< Vr < 4.75（V）， 取Vr = 4.5V 浙大微电子
作业布置 FSK功能模块设计实现： 输入一个564KHz的键控信号， • 当键控信号为1时，模块产生并输出4.5MHz左右的信号(*8) • 当键控信号为0时，模块产生并输出3.9MHz左右的信号(*7) • 用模拟电路的方法实现 2.电路图设计（手工绘制，用Schametic Editing 输入电脑） 3.仿真验证（Spectre） 4.全定制版图设计（Layout Editing） • 用数字电路的方法实现 5.HDL代码编写（手工编写，用文本编辑器输入到服务器，再利用Modelsim仿真验证） 6.逻辑综合及综合后时序验证（Design compiler和Modelsim） 7.自动布局布线的版图设计（Astro） 浙大微电子
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