模拟ic模块设计

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月第三讲内容1.IC制造工艺及模拟IC工艺流程2.模拟IC设计需要具备的条件3.模拟IC设计受非理想因素的影响4.带隙基准源的设计5.运算放大器的设计6.电压比较器的设计7.压控振荡器的设计8.过温保护电路的设计9.欠压保护电路的设计2020/2/7浙大微电子2/34内容1.IC制造工艺及模拟IC工艺流程2.模拟IC设计需要具备的条件3.模拟IC设计受非理想因素的影响4.带隙基准源的设计5.运算放大器的设计6.电压比较器的设计7.压控振荡器的设计8.过温保护电路的设计9.欠压保护电路的设计2020/2/7浙大微电子3/341、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)2020/2/7浙大微电子4/34Bipolar/CMOS/DMOS/SOI工艺CMOSDMOSSOIBipolar2020/2/7浙大微电子5/341、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)2020/2/7浙大微电子6/342、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）*****************************************************************************2020/2/7浙大微电子7/34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*END2020/2/7浙大微电子8/34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*END2020/2/7浙大微电子9/34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******************************************************GND2020/2/7浙大微电子10/34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(nwellwidth4.81.a:Minnwellwidth=4.8)；检查N阱宽度是否小于4.8umdrc(nwellsep1.81.b:Minnwelltonwellspacing=1.8)；检查N阱之间的最小间距是否小于1.8umdrc(nwellndiffenc0.61.c:nwellenclosurendiff=0.6)；检查N阱过覆盖N扩散区是否大于0.6umdrc(nwellpdiffenc1.81.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2020/2/7浙大微电子11/34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!=nilthenif(layPlist-w!=schPlist-wthensprintf(errorW,Gatewidthmismatch:%gulayoutto%guschematic,float(layPlist-w),float(schPlist-w))return(errorW)))if(layPlist-l!=nil&&schPlist-l!=nilthenif(layPlist-l!=schPlist-lthensprintf(errorL,Gatelengthmismatch:%gulayoutto%guschematic,float(layPlist-l),float(schPlist-l))return(errorL)))return(nil)))2020/2/7浙大微电子12/34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(SD)pmosivpcell)extractDevice(ngatepoly(G)nsd(SD)nmosivpcell)2020/2/7浙大微电子13/343、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+P2020/2/7浙大微电子fssNMOSfPMOSttfffssssfVt1Vt214/34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–连线寄生电阻–互感–结电容、连线电容（线间、对地）2020/2/7浙大微电子15/34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GND2020/2/7浙大微电子16/34内容1.模拟IC制造的工艺流程2.模拟IC设计需要具备的条件3.模拟IC设计受非理想因素的影响4.带隙基准源的设计5.运算放大器的设计6.电压比较器的设计7.压控振荡器的设计8.过温保护电路的设计9.欠压保护电路的设计2020/2/7浙大微电子17/344、带隙基准源的设计推导公式如下：122BEBEVIRV11ln()BEtsIVVI22ln()BEtsIVVnI2ln()RtVIn323()ln()REFBEBEtVVIkRVkVn0)ln(3dTdVnkdTdVdTdVtBEREF令：I1=I2=I32020/2/7浙大微电子18/34带隙基准源温度特性ff54ppmtt13.2ppmss19.4ppm温温(°C)温温温温(V)2020/2/7浙大微电子19/34带隙基准源输出与电源电压关系温温温温(V)温温温温(V)ffttss2020/2/7浙大微电子20/34带隙基准源电源抑制比温温(Hz)温温温温温(dB)ssttff2020/2/7浙大微电子21/345、运算放大器的设计(差模输入输出)2020/2/7浙大微电子22/34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，Miller电容零极点补偿2020/2/7浙大微电子23/34运放的直流增益、单位增益带宽与相位裕度2020/2/7浙大微电子24/346、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）2020/2/7浙大微电子25/34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：100nSdelaywith5mVoverdrive1uAcurrentconsumptionoperatingvoltageof5VRailtoRailOutputsVDDVSS2020/2/7浙大微电子26/34比较器及脉宽调制（PWM）原理2020/2/7浙大微电子27/34PWM电路Q3Q15Q9误差信号Q6Q2偏置电压Q4VcQ11Q10Q14Q17Q18锯齿波输入Q12Q5Q16Q8Q1Q13Q72020/2/7浙大微电子28/347、压控振荡器(VCO)的设计M2M1VctrlVDDCC2C2CCW1CW0R1R2R3R4M3M4C0L0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=0.5V2020/2/7浙大微电子29/348、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，0.45V0.53V2020/2/7浙大微电子30/348、过温保护电路的设计(II)2020/2/7浙大微电子31/349、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。2020/2/7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.32/34Vr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)Vr5.7R3/(R1+R2+R3)（3）亦即4.7（R2+R3）5.7R3得4.7R2R3（或R3