CMOS集成电路设计ppt课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,模拟集成电路设计原理,课程摘要,采用当今流行的,CMOS,工艺，讨论模拟集成电路的分析和,设计原理。,建立模拟集成电路设计的基础,-,工艺和器件模型,模拟集成电路分析、设计和仿真的方法,层次化、自下而上的分析方法。,直观的、基于简单分析模型的分析方法。,电路设计步骤,模拟工具的正确使用,参考书,P.R.Gray,“Analysis,and Design of Analog Integrated,Circuits”,2.,Behzad Razavi,“,模拟,CMOS,集成电路设计”,3.,Phillip E.Allen,“CMOS,模拟集成电路设计”,其它参考书：,Alan Hastings,“The,Art of Analog Layout”,R.J.Baker,“CMOS:,混合信号电路设计”,David A John,、,Ken Martin,“Analog,Integrated Circuits,Design”,HSPICE Users Manual”,1.,考核标准和联系方式,考核标准,平时作业,设计课题,期中练习,期末,联系方式,15%,15%,15%,55%,导论,1.1,模拟集成电路设计的特点,层次化设计,设计步骤,鲁棒（,robust,）设计,1.2,模拟集成电路的应用,1.3,模拟信号处理,1.4,混合信号电路举例,模拟集成电路的一般概念,什么是模拟电路？,模拟信号,模拟信号的采样信号,一般概念（续）,什么是模拟集成电路设计？,特定模拟电路、或系统,的功能和性能,设计,选择合适的集成电路,工艺,成功的设计结果,模拟集成电路设计步骤,电路设计,物理版图设计,根据工艺版图设计规则设计器件、器件之间的互联,电源和时钟线的分布,与外部的连接,电路测试,电路制备后对电路功能和性能参数的测试验证,产品开发,层次设计,描述层次,设计,电路层次,系统,系统说明,/,仿真,Matlab,、,ADMS,电路性能,netlist,/simulation,版图布局,layout,参数化模块,/,单元,layout,行为模型,物理,模型,电路,宏模型,Matlab,器件,器件特性,版图描述,design rule,器件模型,spice model,层次设计,结构,开关电容电路、*,VCO,和,PLL,、,*,A/D D/A,、,复杂电路,运算放大器、带隙基准、*比较器,简单电路,单级放大器、差动放大器、电路偏置、电流镜电路,器件,CMOS,工艺、器件物理、器件,Spice,参数、,*版图设计、*电路模拟,模拟集成电路设计步骤,设计要求描述,设计定义,电路设计,与设计指标比较,执行设计,仿真,物理层设计,物理层设计,物理层验证,提取寄生参数,芯片设计,测试和产品开发,芯片制造,测试和验证,产品生产,与设计指标比较,集成和分立模拟电路的区别,器件制备在同一衬底上,器件具有相似的性能参数，易于匹配。,器件参数由几何尺寸决定。,器件的品种和参数的限制,无源器件的面积大、参数的范围小、精度差。,MOS,工艺中的,Bipolar,晶体管的品种少、性能差。,采用计算机仿真验证,无法用电路试验板验证。,计算机验证的直观性差，受仿真方法和器件参数的影响大。,模拟和数字集成电路的区别,电路的不同,模拟信号,数字信号；不规则的形状,规则的形状,设计层次,电路级,系统级,设计方法,全定制,标准单元,器件参数的影响,器件参数的连续性,固定；精确的模型,时序模型；,设计优化（,trade-off,/robusting,）,软件编程,动态范围（,Dynamic,range,）受电源,/,噪声限制,没有限制,CAD,难以利用自动设计工具,模拟集成电路设计的特点,直观的设计,模拟设计的复杂性,设计参数多,速度、功耗、增益、精度、电源电压、线性度等参数,不同参数间的折中,设计难度大,高性能电路设计难点,噪声、串扰、电源电压下降等,温度对性能的影响大,器件二级效应对性能的影响大,模拟电路二级效益的建模和仿真存在难题。,仿真不能发现所有设计问题,解决方法：直观和经验设计,鲁棒设计,鲁棒设计,电路性能随工艺、电源电压、温度而变化,器件模型参数的改变,阈值电压、二级效应参数,工艺角参数,TT,、,FF,、,SS,、,FNSP,、,SNFP,电源电压对器件工作区的影响,电压变化范围：,20%,温度的范围,室温：,25,度、或,50,度,民品、军品,计算机模拟易于仿真在最坏条件下的电路性能,模拟集成电路的应用,模拟电路本质上是不可替代的,自然界是“模拟”的,声、光、电等模拟量,模数和数模转换,模拟集成电路的应用,集成传感器系统,传感器感知或探测模拟信号,声音（麦克风、超声波系统）、力（地震仪、加速度计）、热,（电子温度计）、光（数码相机）、磁（磁盘驱动）,探测器感知的信号很弱,麦克风、地震仪的电压：几毫伏,几百毫伏,视频照相机的电流：每毫秒几个电子,探测器信号处理电路,放大、滤波、数据转换、信号处理、信号传输,模拟集成电路的应用,汽车电子应用,加速度计,探测可变电容器的改变量：,1%,探测单电容值的改变,探测单电容之差的改变,模拟集成电路的应用,数字通信应用,数字信号经过传输后 模拟信号,有线通讯,电缆传输,衰减、串扰、回波,模拟集成电路的应用,采用多电平信号已降低所需的带宽,降低了收发电路的带宽要求,数据转换的精度提高,模拟集成电路的应用,无线接收,接收信号很弱,几毫伏、,干扰大、,中心频率高,接收信号处理,放大信号,降低噪声,抑制干扰,高频工作,功耗和成本,模拟集成电路的应用,磁盘驱动,通过磁头将磁信号转换成电信号：几毫伏,放大、滤波、数据转换,高速数据转换：,500,兆赫兹,模拟集成电路的应用,光通信,光缆传输,极高带宽、极低损耗,高速、远距离传输,信号转换,电信号,光信号,电信号：极小的电流,低噪声、高速接收电路,模拟集成电路的应用,高速的数字信号 模拟信号,微处理器,高速的时钟,高速的数据传输,寄生效应对性能的影响,SRAM,、,DRAM,高速的数据读写,巨大的储存单元阵列造成的寄生,灵敏的读出电路,模拟集成电路的“蛋壳”模型,2019,年世界模拟,IC,市场,模拟信号带宽的关系,对模拟电路而言，不同的应用对于不同的信号带宽,集成电路工艺的趋势,MOS,和,BIPOLAR,器件性能,工艺进化对模拟电路的影响,优势,面积更小、寄生电容更小,跨导更大、速度更快,劣势,沟道电阻下降（增益下降）,阈值电压下降速度低于电源电压、信号幅度下降,噪声上升、动态幅度下降,更加非线性,更加偏离,MOS,的平方律电流特性、建模更难,模拟信号处理,首先确定系统中的模拟和数字部分的划分,系统分成三个模块,预处理模块：将模拟信号转变为数字信号,数字处理模块：数字信号处理,(DSP),后加工模块：将数字信号转换为模拟信号,系统中的模拟电路,预处理模块：,输入信号：传感器输出、语音信号、射频信号等,滤波器,(filter),：根据采样原理，限制输入模数转换器的信号带宽。,自动增益控制电路,(AGC),：控制模数转换器的输入信号的幅度，是,一个可控增益放大器。,模数转换器,(ADC,或,A/D),：将模拟信号转换为数字信号。,频率综合器或锁相环,(PLL),：提供信号采样的精确时钟。,后处理模块：,数模转换器：将数字信号转换为模拟信号。,放大：功率放大，提高驱动能力。,滤波器：平滑输出波形。,举例,磁盘驱动器数字读,/,写通道,磁盘驱动器中的模块电路,(1),输入信号：,信号由磁感应转换得到，经片外预放大器放大，为全差分模拟信,号。,可变增益放大器,(VGA),：,数字增益控制回路进行实时控制,低通滤波器,(low-pass,filter),：,Gm-C,滤波器，具有,2,零点,7,极点。,零极点的相对位置可编程。,具有高频下增益提升功能。,低通滤波器的频率响应,调节,Gm-C,滤波器频率响应的方法,对电容值,C,进行数字控制,可编程,对跨导,Gm,进行调节：,单极点低通,Gm-C,滤波器,Gm,由偏置电流或电压确定，易受工艺、温度和电源电压变化的影响,低通滤波器的频率响应,利用,PLL,得到精确的控制电压,PLL,可得到精确的频率。,PLL,的频率和振荡器,(VCO),的特征时间常数成反比。,C/Gm,低通滤波器中的电路和,VCO,的电路是匹配的。,磁盘驱动器中的模块电路（,2,）,模数转换器,(ADC),6,位,ADC,，,由,VCO,提供采样时钟。采样频率由数字时钟恢复电路控制。,偏移控制：采集,63,个比较器的失调电压，反馈到输入端，抵消由,此引起的失真。,数字信号处理,有限脉冲响应,(FIR,）滤波器或均衡器。峰值检测、定时控制和增,益控制。,时序检测和,Viterbi,解码、,RLL,解码、解扰码。,对于写（发送）：扰码、,RLL,编码、驱动,/DAC/filter,磁盘驱动器中的模块电路（,3,）,写（发送）,扰码、,RLL,编码、驱动,/DAC/filter,小结,什么是模拟集成电路设计，模拟集成电路设计和分立模拟,电路与数字电路设计的区别，设计的难点。,设计步骤和直观的、层次的、鲁棒的设计。,模拟集成电路的应用、不同的信号带宽和工艺对模拟电路,的影响。,模拟信号处理系统设计和各种典型的模拟电路模块,VLSI,混合模拟信号电路设计举例,