模拟集成电路版图的匹配和抗干扰设计

版图设计准则(‘Rule’forperformance)•匹配•抗干扰匹配设计•在集成电路中，集成元件的绝对精度较低，如电阻和电容，误差可达±20%~30%•由于芯片面积很小，其经历的加工条件几乎相同，故同一芯片上的集成元件可以达到比较高的匹配精度，如1%，甚至0.1%•模拟集成电路的精度和性能通常取决于元件匹配精度匹配设计•失配：测量所得的元件值之比与设计的元件值之比的偏差•归一化的失配定义：–设X1,X2为元件的设计值，x1,x2为其实测值，则失配δ为：11221121212xXxXXXXXxx匹配设计•失配δ可视为高斯随机变量•若有N个测试样本δ1,δ2,…,δN，则δ的均值为：•方差为：NiiNm11NiimNs1211匹配设计•称均值mδ为系统失配•称方差sδ为随机失配•失配的分布：•3δ失配：|mδ|+3sδ概率99.7%匹配设计•失配的原因–随机失配：尺寸、掺杂、氧化层厚度等影响元件值的参量的微观波动(fluctuation)•随机失配可通过选择合适的元件值和尺寸来减小–系统失配：工艺偏差，接触孔电阻，扩散区相互影响，机械压力，温度梯度等•系统失配可通过版图设计技术来降低匹配设计•随机统计波动(Fluctuations)–周围波动(peripheralfluctuations)•发生在元件的边沿•失配随周长的增大而减小–区域波动(arealfluctuations)•发生在元件所覆盖的区域•失配随面积的增大而减小匹配设计•电容随机失配–两个大小均为C的电容的失配：•Kp和ka分别为周围波动和区域波动的贡献，均是常量–一般地，电容失配与面积的平方根成反比，即容量为原来2倍，失配减小约30%–不同大小电容匹配时，匹配精度由小电容决定CkkCspaC1匹配设计•电阻随机失配–两个阻值为R、宽度为W的电阻的失配：•Kp和ka分别为周围波动和区域波动的贡献，均是常量–一般地，电阻失配与宽度成反比，即阻值为原来2倍，失配为原来的一半–不同阻值的电阻，可通过调整宽度来达到相同的匹配精度WkkRWspaR1匹配设计•晶体管匹配：主要关心元件之间栅源电压（差分对）和漏极电流（电流镜）的偏差–栅源电压失配为：–漏极电流失配为：212kkVVVgstGS1121221gstDDVVkkIIΔVt,Δk为元件间的阈值电压和跨导之差，Vgs1为第1个元件的有效栅电压，k1,k2为两个元件的跨导对于电压匹配，希望Vgs1小一些(0.1V)，但对电流匹配，则希望Vgs1大一些(0.3V)匹配设计•晶体管随机失配–在良好的版图设计条件下–阈值电压–跨导–均与栅面积的平方根成反比effeffVVLWCstteffeffkkLWCksCVt和Ck是工艺参数背栅掺杂分布的统计波动（区域波动）线宽变化，栅氧的不均匀，载流子迁移率变化等（边沿和区域波动）匹配设计•系统失配–工艺偏差(ProcessBias)•在制版、刻蚀、扩散、注入等过程中的几何收缩和扩张，所导致的尺寸误差–接触孔电阻•对不同长度的电阻来说，该电阻所占的分额不同–多晶硅刻蚀率的变化(VariationsinPolysiliconEtchRate)•刻蚀速率与刻蚀窗的大小有关，导致隔离大的多晶宽度小于隔离小的多晶宽度–扩散区相互影响•同类型扩散区相邻则相互增强，异类型相邻则相互减弱均与周围环境有关匹配设计•系统失配–梯度效应•压力、温度、氧化层厚度的梯度问题，元件间的差异取决于梯度和距离匹配设计•系统失配例子——电阻–电阻设计值之为2：1–由于poly2刻蚀速度的偏差，假设其宽度偏差为0.1u，则会带来约2.4%的失配–接触孔和接头处的poly电阻，将会带来约1.2%的失配；对于小电阻，失配会变大2u5u4u15ΩR=R□•(Leff)/(Weff)R□=996欧姆Wp=0.1u匹配设计•系统失配例子——电容20um20um10um10um假设对poly2的刻蚀工艺偏差是0.1um，两个电容的面积分别是(10.1)2和(20.1)2，则系统失配约为1.1%匹配设计•降低系统失配的方法–元件单元整数比•降低工艺偏差和欧姆接触电阻的影响–加dummy元件•保证周围环境的对称–匹配元件间距离尽量接近–公用重心设计(common-centroid)•减小梯度效应–匹配元件与其他元件保持一定距离•减小扩散区的相互影响匹配设计•降低系统失配的例子–加dummy的电阻匹配Dummy元件宽度可以小一些悬空会带来静电积累！匹配设计•降低系统失配的例子–一维公用重心设计–二维公用重心设计匹配设计•降低系统失配的例子–单元整数比(R1:R2=1:1.5)–均匀分布和公用重心–Dymmy元件R1R2R1R2R2R1R1R2dummydummy匹配设计•降低系统失配的例子–单元整数比(8:1)–加dummy元件–公用重心布局–问题：布线困难，布线寄生电容影响精度C1C2匹配设计•降低系统失配的例子–方向一致–加dummy保证周围环境对称M1M2M1M2DSDSM1M2DSDSDSDSdummydummyD,S不再对称！匹配设计•降低系统失配的例子–加dummy保证多晶刻蚀速率一致M1M2M3M1M2M3dummydummy多晶刻蚀速率不一致多晶刻蚀速率一致匹配设计•降低系统失配的例子–加dummy导线保持环境对称–公用重心以减小梯度效应不对称互为镜像匹配设计•降低系统失配的例子–叉指结构–交叉耦合结构D1D2S122dummydummy1D1SD2SD1共同点：对梯度效应和倾斜注入不敏感21D2SD112D1SD2匹配设计•降低系统失配的例子–匹配晶体管与其他晶体管保持相当距离，以免引起背栅掺杂浓度的变化，导致阈值电压和跨导的变化dddddd2倍阱深！抗干扰设计•数模混合电路的版图布局•屏蔽•滤波抗干扰设计•数模混合集成电路中的版图布局–模拟和数字电源地的分离–模拟电路和数字电路、模拟总线和数字总线尽量分开而不交叉混合–根据各模拟单元的重要程度，决定其与数字部分的间距的大小次序AnalogPowerDigitalPowerDigitalAnalog抗干扰设计•电容的屏蔽电路中的高阻接点接上极板，以减小寄生和屏蔽干扰；电容下面用接地的阱来屏蔽衬底噪声CAP此地应为“干净”地！可独立接出，不与其他电路共享抗干扰设计•敏感信号线的屏蔽增大线间距周围放置地线抗干扰设计•敏感信号线的屏蔽包围屏蔽缺点：到地的寄生电容较大；加大了布线的难度抗干扰设计•敏感电路的屏蔽–用接地的保护环(guardring)–保护环应接“干净”的地–N阱较深，接地后可用来做隔离PdiffNwell抗干扰设计•加滤波电容–电源线上和版图空余地方可填加MOS电容进行电源滤波–对模拟电路中的偏置电压和参考电压加多晶电容进行滤波偏置参考抗干扰设计•加滤波电容–电源线上和版图空余地方可填加MOS电容进行电源滤波–对模拟电路中的偏置电压和参考电压加多晶电容进行滤波P-PCAPMOSCAP