集成电路

CMOS电路的集成设计与仿真实践前言：随着半导体工艺和技术的快速发展，市场竞争的不断加剧，对集成电路的设计者和代工生产线都提出了更高的要求。对于代工生产线来说，不仅要不断开发新的技术和工艺，提高器件的性能和成品率，还要为芯片的设计者建立和提供精确的仿真模型；对于芯片的设计者来说，不仅要根据芯片的功能和性能要求完成芯片的功能和性能指标，尽最大的可能保证一次流片成功，减少设计迭代，从而尽快将产品推向市场，降低设计成本，占得竞争中的优势地位。这对于代工生产者和芯片设计者来说无疑是一个双赢的结果。摘要：在集成电路设计与生产的整个流程中，电子设计自动化软件（EDA）工具起着至关重要的作用，它已经成为集成电路设计者和生产者必不可少的工具，但是，随着电路复杂程度和技术指标的不断提高，设计者还必须考虑到集成电路布线及封装对器件性能的影响，使得电路仿真的规模越来越大，复杂度越来越高，从而对电路设计和仿真提出了更高的要求。Abstract：Inthewholeprocessofdesignandproductionofintegratedcircuits,electronicdesignautomation(EDA)softwaretoolsplaysanimportantrole,ithasbecomethenecessarytoolsforintegratedcircuitdesignersandproducers,however,withtheconstantimprovementofthecircuitcomplexityandtechnicalindex,thedesignermustalsotakeintoaccounttheeffecttheperformanceofthedeviceintegratedcircuitwiringorpackages,makingthesizeofthecircuitsimulationismoreandmorebig,thecomplexityishigherandhigher,whichputsforwardhigherrequirementsoncircuitdesignandsimulation.关键字：集成电路、CMOS、电压、电流正文：一、集成电路设计方法1.传统的集成电路设计-------以芯片的选用为核心设计，最终生成的是一块集成有各种芯片的电路板（board）。2.现代的集成电路设计-------以IP模块库为核心的设计（包括CPU、单片机在内，所有东西都是IP模块库，又叫IP核），最终产品是一块芯片（Chip）也就是说传统的设计方法是一种SoB（SystemonBoard),现在流行的设计方法是SoC（SystemonChip)。SoB是一种纯粹的硬件设计方法，直接使用已经存在的芯片（包括单片机）。这种设计方法，挑选成熟的芯片是个问题，需要考虑电路板的电子兼容性的问题，而且修改不易。SoC则是一种软件型设计方法，所有东西都使用VHDL或其他硬件描述语言来书写，最后由晶圆厂生成芯片。所有的问题集中于芯片内部，由于采用软件描述，因此修改容易。当然这两种设计方法，我个人感觉没有尤略之分，各有各的应用范围。可能在很长一段时间内会共存。以上说的两种方法都是应用电子系统设计的方法，虽然CPU的设计有其特殊性（本人的猜测），但设计的方法是一样的，都是SoC类似的。在国内，电路板印刷厂比较多。而晶圆厂则比较少。大陆电路板代工厂------很多，在百度中搜索“电路板印刷”可以找出。全球4大晶圆代工厂----1.台积电2.联电3.中芯4.chcartered集成电路的生产过程一般是集成电路设计--------晶圆代工厂/电路板代工厂------------测试与检测经过这三步，在进行一下简单的装饰，你的产品就可以上市了。到这为止，集成电路的设计方法总结已经说完了。下面说一说常见词汇混淆问题。单片机与SoC--------------------单片机是IP模块，而SoC是一种设计技术。嵌入式系统与SoC----------------嵌入式系统是一种软硬兼有的系统，可采用SoB，也可采用SoC，嵌入式系统说的是一种系统，是一种产品的总称，是相对于通用计算机系统而言的。嵌入式系统与单片机-----单片机可以嵌入式系统的组成部分，是整体与部分的关系。总结：嵌入式系统------SoB或SoC设计方法实现。集成电路产业的关键----晶圆制造工艺，制造工艺反应出人能操作的精度，如96纳米，这个纳米越小，则单个芯片上能做的集成电路的规模就越大，最终人获得产品就越小（嵌入式)。二、高性能集成仿真电路现代高性能集成电路，特别是数模混合及射频集成电路，既包含了数字部分，如在通信和消费类电子中常见的压控振荡器（VCO）、锁相环（PLL）、混频器、滤波器、放大器、自动增益控制电路、数模转换器（DAC）及模数转换器（ADC）等，这些电路在设计和仿真时，不仅需要时域仿真结果，也需要频域的仿真结果，同时，电路的复杂程度较高、元器件的数量很多，往往超出传统EDA工具的仿真极限，设计者们被迫降低仿真的精度、深度和广度，从而带来设计上的风险，最终造成设计的多次迭代和项目延迟。因此，为了满足现代高性能集成电路设计的要求，设计工具必须具备新的仿真功能和仿真能力，包括：1.仿真大规模电路的能力、收敛性和仿真速度现代高性能集成电路往往在单一的芯片中集成了多项功能，这直接增大了电路的规模，同时，在设计和仿真时，还要考虑片上互连结构和封装寄生效应的影响，从而使仿真规模进一步扩大，这样的电路在传统的仿真工具中不仅仿真时间长，而且很难收敛。2.在时域和频域进行仿真，并保持时域和频域结果一致性高性能集成电路，特别是数模混合及射频集成电路，其性能指标不仅有时域的，而且还有频域的，传统的工具要么采用时域法仿真，通过FFT将结果转换到频域，导致频域结果精度低，动态范围小，无法满足仿真要求；要么采用频域的谐波平衡法仿真，在处理复杂波形仿真速度很慢，收敛性差，无法仿真较大规模的电路。3.与电磁场仿真工具相结合，精确仿真各种寄生电磁效应现代高性能电路具有极快的开关速度，因此，对有源和无源器件的模型、片上互连结构的寄生效应、介质耦合效应、极间阻抗匹配、封装以及供电系统噪声等非常敏感，而这些寄生效应必须通过电磁场仿真工具才能准确地提取，然后与电路仿真工具相结合，评价寄生效应对电路性能的影响。4.与现有的仿真流程和仿真模型良好的兼容性集成电路的设计已经形成了通行EDA设计流程，作为新的仿真工具，必须能够良好地兼容现有的EDA工具和仿真模型，才能最大限度地减少工作量，包括模型和网表的转换，版图的输入和输出等，发挥各个EDA工具的专长，精确、快速地获取所需的仿真结果，并对结果进行验证。三、CMOS模拟集成电路设计与仿真1.实验原理IC设计与制造的主要流程：2.实验目的本实验是基于微电子技术应用背景和《模拟集成电路原理》课程设置及其特点而设置，为IC设计性实验。目的在于：根据实验任务要求，综合运用课程所学知识自主完成相应的模拟集成电路设计，掌握基本的IC设计技巧。学习并掌握国际流行的EDA仿真软件Cadence的使用方法，并进行电路仿真。3.实验类容a.UNIX操作系统常用命令的使用，CadenceEDA仿真环境的调用。b.设计一个预算放大电路，要求其增益大于40dB，相位幅度大于60度，功耗小于10mW。c.根据设计指标要求，选取、确定合适的电路结构，并进行计算分析。d.电路的仿真与分析，重点进行直流工作点、交流AC分析、瞬态Trans分析、建立时间小信号特性和压摆率大信号分析，能熟练掌握各种分析的参数设置方法。e.电路性能的优化与器件参数调试，要求达到预定的技术指标。f.整理仿真数据与曲线图表，记录数据。4.实验仪器（1）工作站或微机终端一台（2）局域网（3）EDA仿真软件1套5.实验步骤A.根据实验指导书熟悉UNIX操作系统常用命令系统的使用，掌握CadenceEDA仿真环境的调用。B.根据设计指标要求，设计出如下的电路机构。并进行分析，确定其中各器件的参数。调用Symbol生成命令，生成符号如下图。C.电路的仿真与分析，重点进行直流工作点、交流AC分析、瞬态Trans分析，能熟练掌握各种分析参数的设置方法。电源电压设置：输入信号设置：建立时间测试信号设置：D.电路性能的优化与器件参数调试，要求达到预定的技术指标。首先是-3dB带宽调试，的f-3dB=475KHz。由相位幅度为88度，单位增益带宽48.6MHz。由下图可知，建立时间为42.6ns。由下图可知压摆率为20.9V/us。6.实验数据及结果分析：实验数据：本实验画出来的图如下：直流仿真结果为：从图中可以看出：对vout：输出电压vout随着直流电压的增加刚开始为几乎保持不变（约为0），然后随直流电压增加先保持一段时间的线性增加，然后又以一个更大的斜率上升，然后又几乎保持线性上升。对net17：电压随直流电压的增加先保持不变，然后慢慢下降，最后又保持不变。瞬态仿真为;由图可以看出：对vout：电压输出峰峰值为2.5-2.3=0.2v，未失真。对net17：电压输出峰峰值为：1.861-1.856=5mv，无失真。对M2管s级电流：输出峰峰值为：2.8uA，无失真而输入电压为峰峰值2mv，所以电压增益为0.2v/2mv=100倍。交流分析结果为：结果分析：f-3db频率为：486khz。相位幅度：76度。单位增益带宽：51Mhz实验分析：1.通过本次实验掌握了UNIX操作系统常用命令的使用，CadenceEDA仿真环境的调用。达到了实验目的。2.根据设计指标要求，设计出一种运算放大器，并进行了参数优化，最终指标满足要求。7.实验结论通过这次实验，学习并掌握国际流行的EDA仿真软件Cadence的使用方法，完成了运算放大器集成电路的设计，并进行了优化仿真，其难点是电路结构设计和参数优化。参考文献：百度文库《星空畅想空间》、道客巴巴《电子科技大学实验报告》《高性能集成电路设计》丁海强