第三讲模拟 IC 及其模块设计

浙大微电子韩 雁

2013.3

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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

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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

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1 、 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 )

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2 、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 （ Schematic Capture ）– 电路仿真验证 软件（ SPICE ）– 器件工艺模型（ SPICE MODEL ）

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某 IC 制造公司提供的 SPICE Model （ NMOS ）

*NMOS ( NML7 )

.MODEL &1 NMOS LEVEL=1 VTO=0.7VTO=0.7 KP=1.8E-5 TOX=7E-8 LD=1.0E-6 XJ=1.0E-6 UO=320 &

GAMMA=0.83 PMI=0.695 RD=27 RS=27 &

CBD=7.8E-14 CBS=7.8E-14 PB=0.74 CGSO=5.9E-10 CGDO=5.9E-10 &

CGBO=9.9E-9 MJ=0.33 LAMBDA=0.016 TPG=-1 IS=1.0E-15

*END

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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)

– 寄生参数提取软件 (Extracter)

– 版图 - 电路图一致性检查 (LVS)

– 后三项软件需要的规则文件**********

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GND

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所需 DRC 规则文件 (Design Rule Check)ivIf(switch("drc?") then

；条件转移语句，选择是否运行 drc

drc(nwell width < 4.8 "1.a: Min nwell width =4.8")

；检查 N 阱宽度是否小于 4.8um

drc(nwell sep < 1.8 "1.b: Min nwell to nwell spacing =1.8")

；检查 N 阱之间的最小间距是否小于 1.8um

drc(nwell ndiff enc < 0.6 "1.c:nwell enclosure ndiff =0.6" )

；检查 N 阱过覆盖 N 扩散区是否大于 0.6um

drc(nwell pdiff enc < 1.8 "1.d:nwell enclosure pdiff =1.8")

；检查 N 阱过覆盖 P 扩散区是否大于 1.8um

saveDerived(geomAndNot(pgate nwell) "1.e: pmos device must be in nwell") ) ；检查 pmos 是否在 N 阱内

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所需 LVS 验证文件 (Layout Versus Sch.)

lvsRules(procedure( compareMOS (layPlist,schPlist) ；比较 MOS 管的属性prog( ( ) if(layPlist->w!=nil && schPlist->w!=nil then if( layPlist->w !=schPlist->w then

sprintf (errorW,"Gate width mismatch: %gu layout to %gu schematic", float( layPlist->w ), float( schPlist->w ) )

return( errorW ) ) ) if(layPlist->l !=nil && schPlist->l !=nil then if( layPlist->l != schPlist->l then

sprintf( errorL, "Gate length mismatch: %gu layout to %gu schematic", float( layPlist->l ),float(schPlist->l) )

return( errorL ) ) ) return( nil ) ) )

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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(ndiff poly) pgate=geomAnd(pdiff poly)；提取器件extractDevice( pgate poly("G") psd("S" "D") "pmos

ivpcell" )extractDevice( ngate poly("G") nsd("S" "D") "nmos

ivpcell")

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3 、模拟 IC 设计受非理想因素的影响（ 1 ）

PVT 的影响制造工艺、工作电压、环境温度

– P ( 制造工艺 )

• tt ff ss sf fs 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+

P

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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– 互感– 连线电阻– 结电容、连线电容（线间、对地）

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高性能模拟 IC 设计需要的步骤 后仿真

– 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

GND

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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

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4 、带隙基准源的设计

1 2 2BE BEV I R V

11 ln( )BE t

s

IV V

I

22 ln( )BE t

s

IV V

nI

2 ln( )RtVI n

3 2 3( ) ln( )REF BE BE tV V I kR V kV n

0)ln(3 dT

dVnk

dT

dV

dT

dV tBEREF令：

推导公式如下：

I1 = I2 = I3

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带隙基准源温度特性

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带隙基准源输出与电源电压关系

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带隙基准源电源抑制比

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5 、运算放大器的设计 ( 差模输入输出 )

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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 20/32

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运放的直流增益、单位增益带宽与相位裕度

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6 、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。– 比较器的响应时间和它的转换速率及增益带宽

有关。• 要求有良好的稳定性。• 要求有良好的工艺兼容性。

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比较器的性能参数有：• 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• 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：<100nS delay with 5mV overdrive

<1uA current consumption

operating voltage of 5V

Rail to Rail OutputsVDD

VSS

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比较器及脉宽调制（ PWM ）原理

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PWM 电路

Q3 Q15Q9

Îó²îÐźÅ

Q6

Q2

Æ«Öõçѹ

Q4

Vc

Q11Q10

Q14

Q17

Q18

¾â³Ý²¨ÊäÈëQ12

Q5

Q16

Q8Q1 Q13Q7

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7 、压控振荡器 (VCO) 的设计

M2M1

Vctrl

VDD

C C

2C 2CCW1

CW0

R1 R2

R3 R4

M3

M4

C0

L0

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=0.5V

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8 、过温保护电路的设计

125℃对应的 Q1 的 BE 结导通电压为 0.45V

85℃对应的 Q1 的 BE 结导通电压为 0.53V

0.45V

0.53V

VBQ1= I1 ( R1+R2//RQ2 ) = 0.45V

VBQ1= I1 ( R1+R2) = 0. 53V

低温 -- Q2 导通高温 -- Q2 截止

0.45V0.53V

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9 、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。

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. 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。

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求各电阻及 Vr 的设计值列方程： 5.7 R3 / (R1+R2+R3) > Vr （ 1 ） 4.7 （ R2+R3 ） / (R1+R2+R3) < Vr （ 2 ）即 4.7 （ R2+R3 ） / (R1+R2+R3) < Vr < 5.7 R3 /

(R1+R2+R3) （ 3 ）亦即 4.7 （ R2+R3 ） < 5.7 R3

得 4.7R2 < R3 （ 或 R3 > 4.7R2 ） （ 4 ）若令： R2 = R1= 1K, R3 = 5K,

则（ 3 ）式变为：（ 4.7 * 6 ） / 7 < Vr < （ 5.7 * 5 ） / 7

即 4.03 < Vr < 4.07 （ V ），取 Vr = 4.05V 29/32

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产品设计时的实际考虑：

考虑到 Vr 的精度控制难度及会带来的稳定性问题，设计应留有充分的裕量。尝试着将 R3 取大。

Vr不可能取 Vc 及以上；考虑到 Vc可以工作在 4.7V+ ，所以 Vr 应在 4.7 V 以下。令 R1=R2=1K, R3=10K, 则（ 3 ）式变为（ 4.7 * 11 ） / 12 < Vr < （ 5.7 * 10 ） / 12

即： 4.3< Vr < 4.75 （ V ）， 取 Vr = 4.5V

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作业布置FSK功能模块设计实现：输入一个 564KHz 的键控信号，

–当键控信号为 1 时，模块产生并输出 4.5MHz左右的信号 (*8)–当键控信号为 0 时，模块产生并输出 3.9MHz左右的信号 (*7)

•用模拟电路的方法实现2. 电路图设计（手工绘制，用 Schametic Editing 输入电脑）3. 仿真验证（ Spectre ）4.全定制版图设计（ Layout Editing ）

•用数字电路的方法实现5.HDL代码编写（手工编写，用文本编辑器输入到服务器，再利用 Modelsim 仿真验证）6.逻辑综合及综合后时序验证（ Design compiler 和 Modelsim ）7.自动布局布线的版图设计（ Astro ） 31/32

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Thanks ！

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