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模拟集成电路设计课程摘要•采用当今流行的CMOS工艺，讨论模拟集成电路的分析和设计。•建立模拟集成电路设计的基础----工艺和器件模型•讨论模拟集成电路分析、设计和仿真的原理–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1.P.R.Gray“AnalysisandDesignofAnalogIntegratedCircuits”2.BehzadRazavi“模拟CMOS集成电路设计”3.PhillipE.Allen“CMOS模拟集成电路设计”绪论1.1模拟集成电路设计的特点1.2模拟集成电路应用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选择合适的集成电路工艺设计成功的设计结果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•Dynamicrange受电源电压和噪声的限制—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•在速度、功耗、增益、精度、电源电压、线性度等因素间折中•噪声、串扰、电源电压下降、温度对性能的影响大•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–电路性能随工艺、电源电压、温度而变化，–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设计步骤电路设计电路测试电路制备后对电路功能和性能参数的测试验证。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。模拟集成电路设计步骤层次设计模型物理设计器件系统电路系统说明/仿真Matlab、ADMS…参数化模块/单元layout器件特性电路性能netlist/simulation行为模型版图布局layout器件模型spicemodel版图描述designrule宏模型Matlab…描述格式电路层次层次设计器件系统复杂电路开关电容电路、*VCO和PLL、*A/DD/A、CMOS工艺、器件物理、器件Spice参数、*版图设计、*电路模拟简单电路单级放大器、差动放大器、电路偏置、电流镜电路运算放大器、带隙基准、*比较器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•集成传感器、显示驱动•模数和数模转换–数字信号经过传输后à模拟信号•无线和有线通讯•磁盘驱动–高速的数字信号à模拟信号•SRAM、DRAM模拟集成电路的“蛋壳”模型2002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–阻抗更大、速度更快•劣势–沟道电阻下降、跨导下降–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-passfilter)：–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…小结•讨论了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1半导体器件和模型•半导体PN结•MOS器件–基本概念–阈值电压–I/V特性–二级效应–器件模型本征半导体•特点–原子结构：是四价元素或III/Ⅴ族化合物–纯净、不参杂。具有晶格结构。例：–电子的共有化四价元素→形成四价键：原子的外围四个价电子和附近原子的价电子形成电子的共有化。→形成半导体的能带：导带和价带。323si/cm10N原子=本征载流子浓度•自由载流子：–热激发形成自由载流子–载流子的分布由费米能级和费米函数表示–本征载流子浓度：室温下（300K）T↑,↑。T每升高11度，Ni为原来的2倍。-Eg0/2kT3/216ieT109.3n×=-310icm1045.1n×=in()/kTE-EFe11F(E)+=参杂半导体•掺入三家获五价原子，提供一个载流子。•N型：掺入五价元素，如磷（P)、砷（As），提供一个电子，电子导电。若：ND是参杂浓度，D代表施主浓度多子（电子）浓度：少子（空穴）浓度：•P型：掺入三价元素，如硼（B)，提供一个空穴，空穴导电。若：NA是参杂浓度，A代表施主浓度多子（空穴）浓度：少子（电子）浓度：D2inDnN/nPNn==A2ipApN/nnNP==掺杂半导体的费米势N型半导体iDFnNlnqkT-=ΦECEiEvEgECEiEvEgEF=eφFEF=eφFP型半导体iAFnNlnqkT=Φ掺杂浓度、，AN↑DN↑ΦF20-1810N≈16-1510N≈重掺杂轻掺杂+N-N•讨论P-N结反偏和耗尽区电容对了解寄生电容是十分重要的–假定P是重掺杂，N是轻掺杂。–空穴从P扩散到N区，留下固定的负电荷。在N区同样会留下固定的正电荷，在界面处建立了电场。扩散电流=漂移电流P-N结耗尽区E+P-NXnXpP-N结耗尽区()Vmv35.01045.110ln)(26nNlnqkTnΦ1016iDF=×=-=()Vmv53.01045.110ln)(26nNlnqkTpΦ1019iAF=×==()()2iDAFFBnNNlnqkTnΦpΦΦ=-=PN结内建势例：319A10N-=cm316D10N-=cm()()()V88.035.053.0nΦpΦΦFFB=--=-=P-N结耗尽区()2102⎥⎦⎤⎢⎣⎡+Φ=DADABsinNNNNqxee耗尽区宽度：()2102⎥⎦⎤⎢⎣⎡+Φ=DAADBsipNNNNqxee当DANNnADBsipxqNNx⎥⎦⎤⎢⎣⎡Φ=21202ee2102⎥⎦⎤⎢⎣⎡Φ=DBsinqNxee①耗尽区在轻掺杂一侧。②若③加反偏电压↓↓⇒↑⇒宽度xNnD()2102⎥⎦⎤⎢⎣⎡+Φ=DRBsinqNVxee↑↑⇒↑⇒宽度xVnR2P-N结耗尽区耗尽区电荷和电容：()()[]21021022RBDsiDRBsiDnDpnVqNqNVqNxqNQQ+Φ=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+Φ===eeee()21021012⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛Φ+=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+Φ==BRjRBDsiRnjVCVqNdVdQCeensiBDsijxqNCeeee021002=⎥⎦⎤⎢⎣⎡Φ=↓↑↓⇒0,jnDCxN↓↑↑⇒0,jnRCxV缓变结,21m⇒举例，已知：319A10N-=cm316D10N-=cm0V1R=）（m34.0cm103410101.60.911.8108.85226161914210mee=×=××××××=⎥⎦⎤⎢⎣⎡Φ=---DBsinqNx229161914210m/3fF.0F/cm10309.0210106.18.111085.82mee=×=××××××=⎥⎦⎤⎢⎣⎡Φ=---BDsijqNCFfFFPF1512101,101--==举例-5VV2R=）（，已知：319A10N-=cm316D10N-=cm()mqNVxDRBsinmee87.02210=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+Φ=22210/12.09.051/3.01mfFmfFVCCBRjjmm=+=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛Φ+=反向击穿•PN结的击穿电压是由耗尽区所能承受的最大电场Emax决定。VBVcmVE2.58/1035max=⇒×=•两种击穿机理：齐纳击穿：隧道击穿，当PN结两边都是重掺杂时发生。雪崩击穿：雪崩碰撞倍增。PN结电流－电压方程⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⎟⎠⎞⎜⎝⎛=1expkTqVIiDSD电流方程：饱和电流：⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+=npnpnpsLnDLpDqAI00例：已知二极管参数，可以求得理论上的饱和电流。若：scmDscmDcmNcmNpnDA/10,/20,10,10522320315===×=--21000,5,10mAmLmLpnmmm===fAAIs110346.115≈×=⇒-实际的饱和电流可能大于理论值。MOS器件•特点：–MOS器件是四端器件–一种载流子导电，是电压控制器件–MOS器件的源和漏端在几何上是等效的–有NMOS、PMOS两种器件阈值电压•以NMOS为例：D和S接地①VG0，空穴在硅表面积积累②0VGVTH硅表面耗尽：表面只有固定的负电荷③VGVTH硅表面反型：自由电子吸引到硅表面强反型条件：栅极下硅表面反型层的载流子浓度=衬底掺杂浓度理想的阈值电压强反型条件：栅极下硅表面反型层的载流子浓度=衬底掺杂浓度OXdepFMSTHCQV-Φ+Φ=2理想的阈值电压：FBΦ=Φ=Φ2subFsidqNxΦ=ee04()号取号，取-+Φ±=±=NMOSPMOS40FsubsidsubdepqNxqNQee9.3,220==siooxsiooxtCeee3理想的阈值电压•例：氧化层厚度mAtOoxm4105050-×==22154414/9.6/109.610509.3101085.8mfFumFCoxm=×=××××=----对NMOS，0)(,0ΦpQFdep由金属和栅之间的功函数决定()()gatesubFFMSΦ-Φ=ΦMSΦ对PMOS，0)(,0ΦnQFdep实际的阈值电压•栅氧