（電路與系統(tǒng)專業(yè)論文）基于018μm+CMOS工藝的低電壓、低功耗、超高速集成電路設(shè)計[電路與系統(tǒng)專業(yè)優(yōu)秀論文].pdf

摘要 摘要 i t 業(yè)在不斷發(fā)展和革新的過程中，呈現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化、低功耗等幾大特點和發(fā)展 趨勢。人們需要高速、寬帶的通信網(wǎng)絡(luò)來互通信息。光纖通信由于其自身的優(yōu)勢將逐步取代電纜通 信。在光纖傳輸系統(tǒng)中，分接器處于光接收機的末端，將經(jīng)過數(shù)據(jù)判決后得到的高速串行信號轉(zhuǎn)變 為并行的多路低速信號。因此，分接器是實現(xiàn)高速通信系統(tǒng)的重要部分，其性能直接影響到最后的 輸出信號。而在光纖通信及無線通信系統(tǒng)中，分接器必須由分頻器將高速時鐘變成低速時鐘。在此 情況下，超高速的分頻器是工作在最高頻率的電路之一，起著至關(guān)重要的作用。因此隨著c m o s 工藝的進步，基于c m o s 工藝的超高速分頻器的設(shè)計具有重大的現(xiàn)實意義。 本論文的主要目標(biāo)是，采用特征頻率僅為4 9 g h z 的0 1 8 1 a mc m o s 工藝，分析、研究并實現(xiàn)工 作頻率超過2 0 g h z 的l ：4 超高速分頻電路以及采用相同工藝，分析、研究符合s t m 6 4 ( 9 9 5 2 g b s ) 級別的低電壓、低功耗1 ：4 分接器，并在下一次m p w 完成投片及測試工作。為了使電路性能達到 低電壓、低功耗與超高速的統(tǒng)一，本文采用一種改進型共柵結(jié)構(gòu)的動態(tài)負載鎖存器?；谠撴i存器， 設(shè)計并實現(xiàn)了超高速1 ：4 分頻器。在片測試結(jié)果表明：其最高工作速率可達2 6 g h z 。分頻范圍超過 2 0 g h z ；封裝后的測試結(jié)果表明：其最高工作速率達1 9 6 g h z ，且在預(yù)期的1 0 g h z 工作頻率獲得了 較為理想的輸出信號。本文同時采用同種工藝在1 2 v 的電源電壓下完成了l o g b s1 ：4 分接器的仿真 和版圖設(shè)計，后仿真結(jié)果表明其完全達到設(shè)計指標(biāo)，且核心功耗僅為1 0 r o w 。該芯片將于下次m p w 中投片、完成狽4 試。 本論文給出了分接器電路及分頻器電路的基本原理并以電路設(shè)計、版圖設(shè)計、芯片測試的順序 詳細介紹了電路的設(shè)計流程及1 ：4 超高速分頻器的測試結(jié)果。在片測試及封裝測試結(jié)果表明，采用 該方案實現(xiàn)的低電壓、低功耗、超高速分頻器性能優(yōu)良，完全達到設(shè)計要求，為產(chǎn)業(yè)化積累了經(jīng)驗， 做出了貢獻。 【關(guān)鍵詞】 光纖通信 分接器( d e m u l t i p l e x e r ) 分頻器( f r e q u e n c yd i v i d e r ) 低功耗 互補金屬氧化物半導(dǎo)體( c m o s )動態(tài)負載鎖存器 a b s t r a c t a b s t r a c t s e v e r a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt r e n d s ，s u c ha sn e t w o r k ，d i g i t a l ，i n t e l l i g e n c ea n dl o w p o w e rp r e s e n td u r i n g t h ei n n o v a t i o na n dd e v e l o p m e n to fi ti n d u s t r y h i g hs p e e d ，b r o a db a n dc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka r e r e q u i r e dt oc o m m u n i c a t ei n f o r m a t i o n f o rt h e s er e a s o n , o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nw i l lg r a d u a l l yr e p l a c e c a b l ec o m m u n i c a t i o n i no p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m d e m u l t i p l e x e r ( d e m u x ) i sa 士t h et a i le n do ft h e o p t i c - f i b e rr e c e i v e ld e m u xt r a n s f o r m st h eo n ew a yh i g hs p e e ds e r i a ls i g n a lw h i c hf r o md a t ad e c i s i o nt on ( n 1 ) w a yl o ws p e e dp a r a l l e ls i g n a l t h e r e f o r e , d e m u xi sa ni m p o r t a n tp a r to f h i g hs p e e dc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，i t sp e r f o r m a n c ed i r e c t l yi n f l u e n c et h el a s to u t p u ts i g n a l s o ，h i g hs p e e dd e m u xc i r c u i ti st h e i n d i s p e n s a b l ek e yc i r c u i ti no p t i c a lc o m m u n i c a t i o n a d d i t i o n a l l y , s u p e rh i g hs p e e df r e q u e n c yd i v i d e r sa r e w i d e l ya p p l i e di no p t i c a lc o m m u n i c a t i o na n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i nad e m u x , f r e q u e n c y d i v i d e rc o n v e r t st h eh i g l ls p e e dc l o c kt ot h el o w e rs p e e dc l o c k i nt h ec a s e ，f r e q u e n c yd i v i d e ri so n eo f t h e c i r c u i t sw o r k i n go nt h eh i g h e s tf r e q u e n c y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc m o s p r o c e s s ，d e s i g no fs u p e rh i g h s p e e df r e q u e n c yd i v i d e rb a s e do nc m o sp r o c e s sm a k e sg r e a ts e n s e t h ea r t i c l e sm a i no b j e c t i v ei st oa n a l y z e ，r e s e a r c ha n dr e a l i z eas u p e rh i 曲s p e e df r e q u e n c yd i v i d e r c i r c u i tb a s e do n0 18 9 n ac m o s p r o c e s s ，a n dt h ec i r c u i t sw o r kr a t ei so v e r2 0 g h z a n db a s e do nt h eg a m e p r o c e s s ，a n a l y z e ，r e s e a r c hal o wv o l t a g e ，l o wp o w e r1 ：4d e m u xa p p l y i n gf o rs t m - 6 4 t h ec h i pw i l lb es e n t t of o u n d r yi nt h en e x tm p wp r o j e c t , a n ds u b s e q u e n t l yb et e s t e do nw a f e r s i n c et h es t a n d a r dv o l t a g ei n o 1 8 _ t mc m o sp r o c e s si s1 8 v , a n d 工i s4 9 g h z , i n1 2 v , t r a d i t i o n a lc i r c u i ts t r u c t u r e sa r eh a r dt ow o r k u pt o10 g b s ，s i m i l a r l y , t h et r a d i t i o n a lo n e si n1 8 vp o w e rs u p p l ya r eh a r dt ow o r ku pt o2 0 g h z i no r d e r t oa c h i e v et h eu n i f i c a t i o no fl o wv o l t a g e ，l o wp o w e ra n ds u p e rh i g hs p e e d ，t h ea r t i c l ea p p l i e sa ni m p r o v e d c o m m o n - g a t es t r u c t u r ed y n a m i cl o a dl a t c h b a s e do nt h i sl a t c h d e s i g na n dr e a l i z ea1 ：4s u p e rh i g hs p e e d f r e q u e n c yd i v i d e ri nt s m c0 18 9 mc m o sp r o c e s s o n - w a f e re x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wi t sh i g h e s tw o r k r a t ec a nb eu pt o2 6 g h z ，a n di t sw o r kr a n g ei so v e r2 0 g h z ；p a c k a g ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h ec h i p c a nw o r ku pt o1 9 6 g h za n dp e r f o r m sw e l li n1 0 g h zw h i c hi st h ed e s k e dw o r kr a t e t h ea r t i c l ea l s o a c c o m p l i s h e st h es i m u l a t i o na n dl a y o u td e s i g no fa1 2 v1 0 g b s1 0 m w1 ：4d e m u xb a s e dt h es a m e p r o c e s s ，t h ec h i pw i l lb es e a tt of o u n d r yi nt h en e x tm p wp r o j e c t , a n ds u b s e q u e n t l yb et e s t e do nw a f e r t h ea r t i c l ep r e s e n t st h eb a s i cp r i n c i p l eo fd e m u xa n df r e q u e n c yd i v i d e ga n dd e s c r i b e st h ed e s i g n f l o wi nd e t a i lb yt h es e q u e n c eo f c i r c u i td e s i g n ，l a y o u td e s i g na n dc h i pt e s t f i n a l l y , t h ep a p e rg i v e st h et e s t r e s u l t so ft h e1 ：4s u p e rh i g hs p e e df r e q u e n c yd i v i d e r t h eo n - w a f e ra n dp a c k a g em e a s u r e m e n tr e s u l t so f t h ec h i p s e ts h o wt h a tt h el o wv o l l a g e ，l o wp o w e r , s u p e rh i 曲s p e e df r e q u e n c yd i v i d e rw o r k sw e l la n d t o t a l l ym e e tt h et a s ko f t h ed e s i g n t h ec h i ph a st h eb r i g h tf u t u r ei ni n d u s t r i a l i z a t i o n k e y w o r d s o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nd e m u l t i p l e x e rf r e q u e n c yd i v i d e r l o w p o w e r c m o s d y n a m i ci o a d1 a t c h - i i - 東南大學(xué)學(xué)位論文獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究 成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā) 表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得東南大學(xué)或其它教育機構(gòu)的學(xué)位或證書麗使用 過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均己在論文中作了明確的說明 并表示了謝意。 研究生簽名目期： 東南大學(xué)學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 東南大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)信息研究所、國家圖書館有權(quán)保留本人所送交學(xué)位論文的 復(fù)印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。本人電子文檔的內(nèi) 容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。除在保密期內(nèi)的保密論文外，允許論文被查閱和借閱，可 以公布( 包括刊登) 論文的全部或部分內(nèi)容。論文的公布( 包括刊登) 授權(quán)東南大學(xué)研 究生院辦理。 日期： 斗 第一章緒論 1 1 光纖通信系統(tǒng) 1 1 1 光纖通信簡介 第一章緒論 光通信，顧名思義即是利用光波載送信息來實現(xiàn)通信。光實質(zhì)上是頻率極高的電磁波( 3x1 0 ”h z 以上) ，因而用它作為載波進行通訊，容量很大，是現(xiàn)有其他通訊方式的萬倍以上，具有極大的吸 引力。光纖通信就是以光波作為信息載體，光導(dǎo)纖維作為傳輸介質(zhì)的一種先進通信手段。它與以往 的通信方式相比，具有很多優(yōu)點1 1 1 - 2 j ： ( 1 ) 頻帶寬、通信容量大?，F(xiàn)行電纜通信工作頻率為1 0 5 1 0 8 h z ：微波通信工作頻率在1 0 9 h z 左 右；光纖通信的現(xiàn)行工作頻率( 光波載頻) 在1 0 “h z 左右。網(wǎng)此，光纖通信的帶寬與通信容量比微 波通信高1 0 萬倍，與同軸電纜通信相比更是高達1 0 0 萬倍。而在光纖通信中，光頻尚有巨大的帶 寬與容量有待于開發(fā)利用： ( 2 ) 安全可靠、保密性強。到目前為止還沒有發(fā)現(xiàn)能竊聽光纜中傳輸?shù)墓庑畔⒌氖侄?，特別適用 于軍事保密通信以及國家安全機要部門內(nèi)部通信與重要經(jīng)濟信息的保密傳輸； ( 3 ) 體積小、重量輕、可繞性強。外徑1 2 5 u m 的一根l k m 長光纖重量僅有2 9 克，比有色金屬銅 線輕得多，并且敷設(shè)也比銅線簡單： ( 4 ) 輸入與輸出之間電隔離。能抗電磁干擾，防閃電雷擊。特別適用于鐵路、電力、廠礦等電磁 干擾嚴重的環(huán)境，也適合電子計算機聯(lián)網(wǎng)，電視傳輸以及飛機、導(dǎo)彈等要求防電磁干擾的通信、 傳輸和控制系統(tǒng)： ( 5 ) 抗腐蝕、抗酸堿。光纜可直接埋在地下，特別適合化工企業(yè)的內(nèi)部及惡劣環(huán)境下的通信； ( 6 ) 傳輸損耗低，適用于長途傳輸。對于現(xiàn)已成熟的以硅玻璃( s i 0 2 ) 為基質(zhì)材料的光纖，工作波 長在o 8 5 1 5 5 u n 之間其低損耗窗口損耗可減至o 2 d b k m ，工作帶寬可達1 0 0 g h z 以上，無中繼 傳輸距離達1 0 0 k i n 以上：而對于同軸電纜通信，在1 0 0 m h z 工作時最佳損耗值高達7 5 d b k m ，無中 繼距離僅在5 k m 左右； ( 7 ) 資源豐富，可節(jié)省大量有色金屬。目前制作光纖的原料是二氧化硅( s i 0 2 ) ，此種材料在地球 上極其豐富。硅提純技術(shù)的進步，使得可以生產(chǎn)出硅材料的兩大類產(chǎn)品：光導(dǎo)纖維和集成電路。光 導(dǎo)纖維的造價下降迅速，一公斤極純的石英玻璃可拉制1 0 0 k i n 以上長度的光纖。而1 0 0 k i n 長度的 1 8 0 0 路同軸電纜則需銅t 5 0 噸、鉛5 0 0 噸。 ( 8 ) 節(jié)省能源。制造1 0 0 0 公里光纖比制造相同長度同軸電纜可節(jié)省約2 6 0 億干焦( 6 3 億大卡) 能 量，這相當(dāng)于9 0 0 噸煤完全燃燒產(chǎn)生的能量； 隨著電信網(wǎng)、計算機網(wǎng)絡(luò)、i n t e m e t 隨絡(luò)的迅猛發(fā)展，多媒體通信的廣泛應(yīng)用以及信息高速公路 的大規(guī)模建設(shè)，人們對高速度的通信系統(tǒng)需求越來越高。為了滿足這一需求，高速光纖通信系統(tǒng)已 經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。光纜遍布全球，6 2 2 m b i t s 高速、2 5 g b s 超高速光纖通信系統(tǒng)已經(jīng)投入使用。且 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 前，世界各國都投入了極大的入力和物力來研制更高速率( 例如1 0 g b s ) 的光纖通信系統(tǒng)。因此 研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高速光纖通信集成電路具有重大的意義和良好的市場前景。 1 1 2 光纖傳輸系統(tǒng)”_ 3 】 光纖通信系統(tǒng)的原理框圖如圖1 1 所示。在圖中，左邊的三個模塊為發(fā)送端的組成部分。其中， 復(fù)接器( m u x ：m u l t i p l e x e r ) 將n 路低速信號復(fù)接成一路高速信號，激光驅(qū)動器m dd r i v e r ) 驅(qū)動激光二 極管( l d ：l a s e rd i o d e ) 將電信號轉(zhuǎn)換為光信號后通過光纖傳輸：圖右側(cè)的六個模塊為接收端的組成 部分。其中，光信號由光電二極管f p d ：p h o t o nd i o d e ) 轉(zhuǎn)化為電信號，微弱的電信號經(jīng)過預(yù)放大器 ( p r e _ a m p i l f i e r ) 和主放大器( a m p ：m a i n a m p l i f i e r ) 放大后，由時鐘恢復(fù)電路( c l o c kr e c o v e r y ) n 數(shù)據(jù)判 決電路( d a t ad e c i s i o n ) 分別從中恢復(fù)出時鐘信號和數(shù)據(jù)信號，最后由分接器( d e m u x ：d e m u t t i p l e x e r ) 將高速數(shù)據(jù)信號還原成原始的n 路低速信號。圖中，由淺色背景標(biāo)示的d e m u x 模塊為本文的設(shè)計 課題之一。 圖1 1 光纖通信系統(tǒng)原理框圖 隨著光纖通信的發(fā)展，作為數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的同步數(shù)字體系( s ”c h r o n o u sd i g i t a l h i e r a r c h y ，簡稱s d h ) 得到越來越廣泛的應(yīng)用。s d h 是從美國的光接口標(biāo)準(zhǔn)s o n e t 演化而來，對 s o n e t 經(jīng)過修改后，s d h 已經(jīng)被c c i t t ( 現(xiàn)在的 t u t ) 采用作為全球傳輸標(biāo)準(zhǔn)。到目前為止， s d h 最基本的硬件和軟件標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)得到定義。s d h 系統(tǒng)用作干線通信已經(jīng)成為世界各國發(fā)展的趨 勢。c c i t t 建議中定義了一系列s d h 的基本傳輸速率，其中最基本的傳輸速率為s t m 一1 ，它的比 特率是1 5 5 5 2 m b s 。更高速率的s t m - n 信號是通過n 個s t m 1 的數(shù)據(jù)交錯獲得的。由c c i t t 標(biāo) 準(zhǔn)化了的n 值有1 ，4 ，1 6 和6 4 ，它們各自對應(yīng)的比特率如表1 - 1 所示。作為比較，表中還列出 了由a n s i 標(biāo)準(zhǔn)化了的s o n e t 的比特率。目前，s t m 1 6 級的s d h 系統(tǒng)己成為我國干線通信的主 流，并且朝著s t m 6 4 的速率發(fā)展。 第一章緒論 表1 - 1s d h s o n e t 的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn) s d hs o n e t 系列 比特率( m b s ) 系列 比特率( m b s ) s t s l l5 1 8 4 0 s t m - 11 5 5 5 2 0s t s 31 5 5 5 2 0 s t s - 94 6 6 5 6 0 s t m - 46 2 2 0 8 0s t s 1 26 2 2 0 8 0 s t s 1 89 3 3 ，1 2 0 s t s 2 41 2 4 4 1 6 0 s 田1 6 2 4 8 8 3 2 0s t s 4 82 4 8 8 3 2 0 s t s 9 64 9 7 6 6 4 0 s t m 6 49 9 5 3 2 8 0s t s 一1 9 29 9 5 3 2 8 0 1 2 工藝選擇 信息量的爆炸式增長導(dǎo)致人們對高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的迫切需求。w a n 與l a n 的傳輸媒質(zhì)已從原 來的銅線轉(zhuǎn)變?yōu)楣饧u，這種轉(zhuǎn)變也促使電路設(shè)計向低功耗、低成本集成光纖接收機方向發(fā)展。低功 耗、低成本是i c 發(fā)展的必然趨勢。 本文研究的內(nèi)容正是低電壓、低功耗、超高速集成電路( 工作速率超過2 0 g h z 的1 ：4 分頻器以 及1 2 v1 0 g b s 的1 ：4 分接器) 的設(shè)計。選擇適合的工藝是成功完成超高速電路設(shè)計的前提和保證。 在光纖通信系統(tǒng)中，各種半導(dǎo)體材料均可找到它們的應(yīng)用領(lǐng)域。在這些材料中，硅( s i ) 、砷化鎵 ( g a a s ) 、磷化銦( i n p ) 是最基本、最重要的三類。在這三種材料的襯底上可以制造更復(fù)雜的材質(zhì) 系統(tǒng)，生產(chǎn)不同的固態(tài)器件和集成電路。表1 2 定性給出幾種常見工藝。 表1 2 集成電路工藝與晶體管類型 晶體管類型 材料 雙極型晶體管場效應(yīng)晶體管 混合 工藝類型 ( b i p o l a r ) ( f e t )類型 硅b j t i v 族 m o s f e t , j f e t b i c m o s b u l l s o i 鍺 s i ，s j g eh b t i i i v 族砷化鎵 h b t m e s f e t , h e m t 化合物磷化銦 ( a 1 g a a s g a a s ) 而本文采用的是硅材料，因此下面對材料硅的特性和應(yīng)用加以論述。 硅是現(xiàn)代電子器件和計算機工業(yè)的基礎(chǔ)。在過去4 0 年問，利用硅作為基本材料的很多技術(shù)已 經(jīng)得到發(fā)展并逐漸成熟起來。它們包括：雙極性結(jié)型晶體管( b 盯) 、結(jié)型場效應(yīng)管( j f e t ) 、p 型、n 型、互補型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管( p m o s ，n m o s ，c m o s ) ，以及雙極性型c m o $ 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( b i c m o s ) 。 在硅圓片直徑不斷增加的同時( 6 英寸，8 英寸，1 2 英寸) ，一個單片集成電路包含的晶體管數(shù) 目及其工作速率也在不斷提高。 由于原材料便宜，生產(chǎn)技術(shù)成熟，生產(chǎn)價格低廉，硅集成電路己成為系統(tǒng)設(shè)計制造的主流?，F(xiàn) 在9 0 以上的集成電路制造市場都由硅所占據(jù)。在硅工藝中，雙極性硅技術(shù)可以達到很高的數(shù)據(jù)信 號處理速率，利用0 4 p m 的雙極性硅工藝的一個中等規(guī)模集成電路的工作速率已經(jīng)超過了5 0 g b s 。 以往的高速率集成電路大多采用雙極性硅工藝實現(xiàn)，但是隨著c m o s 工藝向著亞微米和深亞微米方 向發(fā)展，其電路工作速率上限已逐漸接近砷化鎵和雙極性硅電路的常規(guī)工作速率，利用深亞微米工 藝，已可以實現(xiàn)工作速率在g b i t s 以上的電路。 i i i v 族工藝( 如g a a s ) 和雙極性硅等工藝雖然能夠?qū)崿F(xiàn)超高速的芯片，但相對于c m o s 而言它 有不可克服的缺點：功耗大、不能大規(guī)模集成。從實際工程的角度來看，一般的集成電路設(shè)計單位 很難獲得這些工藝的加工服務(wù)，即使有，價格也相當(dāng)昂貴。 b i c m o s 綜合了雙極性硅的高速和c m o s 的可集成度高這兩方面的優(yōu)點，但是從實際工程的角 度來看，它有三大缺點：一是價格高于c m o s ，二是工藝同樣難以獲得，三是其中的c m o s 工藝總 是落后于標(biāo)準(zhǔn)c m o s 工藝的發(fā)展進程，有時很難滿足設(shè)計需要。 實際上，對于數(shù)字集成電路，采用c m o s 工藝設(shè)計最為理想。這是因為：一，c m o s 工藝容易 獲得。國內(nèi)有華晶、華虹、先進等半導(dǎo)體工藝廠商可以提供加工服務(wù)；美國m o s l s 向全世界提供 多目標(biāo)芯片服務(wù)；臺積電t s m c 也支持多項目晶圓服務(wù)，其提供的最先進的c m o s 工藝已經(jīng)達到 o 1 3 j _ t m 的水平；歐洲也有類似的組織如e u r o p r a c t i c e 提供多目標(biāo)芯片的服務(wù)。二，c m o s 流片成本 比其它工藝低。三，c m o s 電路功耗小，集成度高。眾所周知，功能復(fù)雜的數(shù)字電路，其電路規(guī)模 一般都較大。而在集成度方面，c m o s 有著g a a s 、雙極性硅等工藝無法比擬的優(yōu)點。 1 3 設(shè)計流程 模擬集成電路的設(shè)計并不是工序的簡單堆砌，若想得到滿意的設(shè)計結(jié)果，必須遵循縝密的流程。 特別對于超高速模擬集成電路來說，特定的設(shè)計流程顯得更為重要。圖】2 展示的為本文所采用的 設(shè)計流程： ( 1 ) 首先是系統(tǒng)定義，比如芯片的工作速率，功耗，電源電壓及模塊的接口電平，等等。這一步 通常由芯片的需要者來定義。 ( 2 ) 知曉了系統(tǒng)定義之后，應(yīng)該著手對系統(tǒng)進行方案論證。經(jīng)過嚴密的文獻搜索整理和調(diào)研，確 定用何種電路結(jié)構(gòu)和工藝實現(xiàn)該系統(tǒng)。 ( 3 ) 在確定了合適的工藝之后，應(yīng)和工藝廠商聯(lián)系并獲取精準(zhǔn)的器件模型。沒有與所用工藝配套 的精確器件模型，就無法對實際的電路性能作出準(zhǔn)確的仿真預(yù)測。仿真結(jié)果與實測結(jié)果有可能相去 甚遠，增加芯片設(shè)計的風(fēng)險性。 ( 4 ) 電路設(shè)計仿真，一般也稱之為前仿真，是在電路設(shè)計e d a 軟件( 如s m a r t s p i c e 、h s p i c e ) 的 幫助下對電路器件的參數(shù)進行精心的調(diào)試和優(yōu)化。當(dāng)然，參數(shù)的調(diào)試是建立在對電路的正確理解以 4 第一章緒論 及對結(jié)構(gòu)特性的把握之上的。若只是無謂的嘗試數(shù)據(jù)，不僅效率低下，也有可能打擊電路設(shè)計者的 信心。不可否認，這一階段的工作表面上看起來是很枯燥的，需要設(shè)計者持之以恒并輔之以靈感。 ( 5 ) 在前仿真達成指標(biāo)之后即進行版圖設(shè)計。這是對已經(jīng)設(shè)計好的器件的物理實現(xiàn)。在版圖設(shè)計 中要充分考慮到各種效應(yīng)對電路產(chǎn)生的影響，進行合理的布局和優(yōu)化。版圖設(shè)計過程中需要進行設(shè) 計規(guī)則校驗( d r c ) 、版圖電路圖對照( l v s ) 和寄生參數(shù)提取( l p e ) 等步驟。 ( 6 ) 后仿真。在版圖設(shè)計完成之后，由版圖設(shè)計軟件提取出版圖的帶有寄生參數(shù)的器件數(shù)據(jù)，根 據(jù)軟件的不同可以在工作站進行后仿真或是下載到本地機進行后仿真。后仿真的結(jié)果和最終測試的 結(jié)果往往比較接近，因此也是最能反映問題的一次仿真。若仿真的結(jié)果偏離實際需要，應(yīng)分析原因 并找出解決方法。如前仿真中參數(shù)選擇不合適或是版圖的原因，則需重新進行前仿真和版圖設(shè)計， 直到后仿真滿足設(shè)計要求。 ( 7 ) 芯片制造。在后仿真滿足設(shè)計要求之后，將版圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為g d s i i 格式，交付芯片制造商流片。 ( 8 ) 芯片測試。根據(jù)之前定義的測試方案搭建合適的測試平臺進行測試。記錄測試結(jié)果并進行結(jié) 果分析，以期對今后的設(shè)計和流片有所幫助。 圖1 2 集成電路設(shè)計流程 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 4 論文組織 本論文的研究內(nèi)容是利用易獲取、集成度高、低成本和低功耗的o 1 8 叫l(wèi)c m o s 工藝，分析、 研究并實現(xiàn)工作速率超過2 0 g h z 的1 ：4 超高速分頻電路，以及采用相同工藝，分析、研究符合s t m 6 4 ( 9 9 5 2 g b s ) 級別的1 2 v 、低功耗1 ：4 分接器，并在下一次m p w 完成投片及測試工作。 第二章介紹超高速l ：4 分頻器的電路設(shè)計，其中分析比較了多種鎖存器的結(jié)構(gòu)，并對各模塊電 路進行了分析設(shè)計。 第三章介紹1 ：4 分接器的電路設(shè)計。首先闡述了復(fù)用技術(shù)的原理及分接器的基本結(jié)構(gòu)，接著介 紹了c m o s 邏輯電路及觸發(fā)器的設(shè)計，隨后分別對各模塊及接口電路進行了分析。 第四章介紹版圖設(shè)計。首先介紹了版圖設(shè)計引入的效應(yīng)及設(shè)計時須注意的要點，接著專門分析 了焊盤的模型并做出了改進。隨后分別以1 ：4 分頻器及1 ：4 分接器為例介紹如何設(shè)計低電壓超高速 電路的版圖。最后給出了版圖設(shè)計時常用的服務(wù)器指令。 第五章介紹芯片測試及結(jié)果分析。介紹了l ：4 分頻器的在片測試結(jié)果及封裝測試結(jié)果，并分別 給出了結(jié)果分析。 第六章為全文的結(jié)論。 參考文獻 【1 紀越峰趙榮華顧畹儀李國瑞“光纖數(shù)字通信實用基礎(chǔ)”科學(xué)文獻技術(shù)出版社 2 趙梓森等中國通信學(xué)會主編“光纖通信工程( 修訂本) ”人民郵電出版社 3 】王志功編著，“光纖通信集成電路設(shè)計”，高等教育出版社，2 0 0 3 年6 月 6 第二章1 ：4 分頻器的電路設(shè)計 第二章1 ：4 分頻器的電路設(shè)計 本文的目標(biāo)之一是采用o 1 8 9 r n c m o s 標(biāo)準(zhǔn)工藝設(shè)計工作速率超過2 0 g h z 的1 ：4 超高速分頻器。 通常，分頻器有兩種構(gòu)成方式：由觸發(fā)器構(gòu)成的數(shù)字分頻器和注入鎖定的模擬分頻器。這兩種分頻 器都有著較為廣泛的應(yīng)用，這里將對這兩種類型的分頻器進行分析，通過比較決定所采用的分頻器 結(jié)構(gòu)。 注入鎖定分頻系統(tǒng)o 1 1 注入鎖定分頻系統(tǒng)的框圖如圖2 1 所示。其工作原理：輸入信號和輸出信號經(jīng)過混頻器混頻后 產(chǎn)生上、下邊帶信號，赫。，再經(jīng)過低通濾波器后就只有低頻的矗一，經(jīng)過放大器放大后輸出。 只要設(shè)計電路使其滿足矗一虧，即可產(chǎn)生厶。= 矗2 。 圖2 1 注入鎖定分頻系統(tǒng) 該分頻系統(tǒng)具有輸出時鐘穩(wěn)定，失調(diào)量小的特點，用于對輸出時鐘要求較高的場合。利用這種 技術(shù)可以實現(xiàn)非常高速的分頻器設(shè)計【2 “。但是這種分頻器的結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜，功耗偏大。如果為 了減小功耗而采用l c 諧振的方法設(shè)計，會涉及到電感這一不太容易實現(xiàn)的器件。而在c m o s 工藝 中，既使實現(xiàn)了其感值，q 值也不理想。因此，如果對器件模型沒有精確的把握，設(shè)計得到的芯片 往往不能實現(xiàn)理想的功能。 鎖存器構(gòu)成的數(shù)字分頻器 由鎖存器( l a t c h ) 構(gòu)成的數(shù)字分頻器結(jié)構(gòu)相對簡單，不需要借助電感這一比較難實現(xiàn)的器件。 而且功耗相對較低，可分頻范圍較大，在實際系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。鎖存器構(gòu)成的數(shù)字分頻器如 圖2 2 所示。c l k 、c l k n 為一對差分輸入信號，q 、q n 為差分輸出信號，且其頻率為輸入信號的 一半，實現(xiàn)二分頻的功能。 c l k c l k n 圖2 2 鎖存器構(gòu)成的分頻器框圖 通過對上述兩種分頻器類型的分析比較，本次設(shè)計采用的分頻器結(jié)構(gòu)是由鎖存器構(gòu)成的數(shù)字分 頻器。在決定了類型之后，鎖存器的選擇變得很關(guān)鍵，下文將對鎖存器展開論述。 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 1 觸發(fā)器與鎖存器 論及鎖存器( l a t c h ) ，不得不提到觸發(fā)器( f l i p f l o p ) ，這是兩個經(jīng)常在一起出現(xiàn)而往往會被混 淆的概念。這兩者的區(qū)別在于：觸發(fā)器以邊沿觸發(fā)方式工作，而鎖存器以電平觸發(fā)方式工作。圖2 3 從時序上給出了觸發(fā)器和鎖存器的區(qū)別。電平觸發(fā)會導(dǎo)致競爭( r a c e ) ，從而產(chǎn)生邏輯錯誤。而邊 沿觸發(fā)則不存在這個問題。因此實際系統(tǒng)中一般使用觸發(fā)器。兩個鎖存器串聯(lián)，時鐘反相，可以構(gòu) 成主從結(jié)構(gòu)( m a s t e r - s l a v e ) 的觸發(fā)器。實際系統(tǒng)中的觸發(fā)器通常由鎖存器構(gòu)成，因此由觸發(fā)器構(gòu)成 的分頻器的基本單元就是鎖存器， c 儂 d q c 肷 d o 圖2 3 ( a ) 鎖存器時序( b ) 觸發(fā)器時序 主從結(jié)構(gòu)( m a s t e r - s l a v e ) 實現(xiàn)的觸發(fā)器：如圖2 4 ( a ) 所示。它的工作原理分兩個節(jié)拍：一，在 時鐘的前半個周期，主鎖存器在低電平( 或高電平) 時采樣輸入數(shù)據(jù)從鎖存器維持上個周期的輸 出；二，在時鐘的下半周期，主鎖存器不接收輸入信號，維持前半個周期所采樣的信號值，從鎖存 器采樣主鎖存器的輸出，改變輸出信號值。主從結(jié)構(gòu)在整體上表現(xiàn)出來的性能為觸發(fā)器在時鐘的上 升沿( 或者下降沿) 對輸入數(shù)據(jù)進行采樣，并且翻轉(zhuǎn)，輸出新信號值，解決了競爭問題。由于兩級 串聯(lián)的鎖存器均有對數(shù)據(jù)進行恢復(fù)的特性，因此主從結(jié)構(gòu)的觸發(fā)器還可毗用于數(shù)據(jù)恢復(fù)。在本文的 分接器的設(shè)計中采用圖2 4 ( a ) 主從結(jié)構(gòu)的觸發(fā)器。 脈沖觸發(fā)( p u l s e - t r i g g e r e d ) 實現(xiàn)的觸發(fā)器：結(jié)構(gòu)參見圖2 4 ( b ) ，它的工作原理是減小用于觸發(fā)的 時鐘寬度，保證在時鐘工作的時間內(nèi)數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，從而避免競爭的發(fā)生。 m a s t e r - l a t c h s a v e - l a t c h 圖2 4 ( a ) 主從d 觸發(fā)器 g e n e r a t e r ( b ) 脈沖觸發(fā)d 觸發(fā)器 第二章1 ：4 分頻器的電路設(shè)計 鎖存器按照其保持和采樣單元m o s 管的柵寬之比( w t t o l d ，w s 。d k ) 可分為動態(tài)鎖存器和靜態(tài)鎖 存器。一般認為，在相同輸入信號幅度的條件下，靜態(tài)鎖存器( w h o 】g w s k 1 ) 的工作頻率可以 涵蓋較寬的范圍，但其最高工作頻率較低 2 3 1 ：隨著柵寬之比的降低，鎖存器的最高工作頻率提高， 但工作范圍變窄，即為動態(tài)鎖存器。值得注意的是，在實際應(yīng)用中，并不刻意區(qū)分動態(tài)鎖存器和靜 態(tài)鎖存器?？梢钥闯?，最高可分頻速率與最大可分頻范圍不可兼得，因此應(yīng)根據(jù)實際需要與系統(tǒng)指 標(biāo)，在最高工作頻率與工作范圍之間進行權(quán)衡，以達到兩者性能的最優(yōu)化。由靜態(tài)鎖存器構(gòu)成的分 頻器即為靜態(tài)分頻器，由動態(tài)鎖存器構(gòu)成的分頻器即為動態(tài)分頻器，兩種分頻器與兩種鎖存器有類 似的特點。一般，動態(tài)分頻器的最高速率比靜態(tài)分頻器提高約4 0 。本文設(shè)計的分頻器屬于動態(tài)分 頻器。 2 2 鎖存器的選擇 鎖存器，作為電路設(shè)計中的基本單元，其結(jié)構(gòu)在世界范圍內(nèi)被廣為研究。為了能實現(xiàn)低電壓低 功耗超高速的應(yīng)用，有必要對鎖存器的諸多結(jié)構(gòu)進行分析及精心選擇。下文將逐一介紹有代表性的 幾種鎖存器結(jié)構(gòu)。 2 2 1 源極耦合邏輯( s c f l ) 鎖存器 通常，超高速分頻器采用s c f l 邏輯實現(xiàn)的居多口，電路如圖2 5 所示。s c f l 邏輯包括三個 差動電流開關(guān)，分別是n m i 、n m 2 ，n m 3 、n m 4 ，n m 5 、n m 6 。由r l 、r 2 組成的負載電路將邏 輯組合輸出電流變換為電壓輸出，從而實現(xiàn)邏輯非的功能。s c f l 鎖存器輸出q = d i c k + q c k n ， 可見當(dāng)時鐘為正半周( c k = i ，c k n = 0 ) 時，q = d i ，s c f l 鎖存器對輸入信號進行采樣，并輸出該采 樣值；時鐘進入負半周( c k = 0 ，c k n = i ) 后，q = q ，s c f l 鎖存器保持采樣值直到下一采樣時刻( 時 鐘正半周) 。 s c f l 邏輯的電路速度正比于充放電電流大小，反比于信號的電壓擺幅，擺幅由等效負載電阻 和偏置電流決定。由于該邏輯可以工作在輸入信號擺幅比較低的情況下，因此電路速度較其他邏輯 快。其特點是采用差分結(jié)構(gòu)，電路中存在成對的電路單元、信號線和終端，通常結(jié)構(gòu)對稱，信號相 位相反或互補；對共模的噪聲和干擾有很強的抑制作用，因此具有高穩(wěn)定性；由于差分線路電磁場 集中于線路之間，對外界的影響很??；此外，s c f l 邏輯還具有可重復(fù)性、芯片成品率高、靈敏度 高、驅(qū)動能力強、能夠和c m l 、p c m l 、e c l 、p e c l 等各種高速電路的接口兼容的優(yōu)點。但這種 邏輯電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用的晶體管數(shù)量多，占用的芯片面積大，功耗較高，需要一對互補時鐘。因 此存在時鐘歪斜的問題，即使保持物理結(jié)構(gòu)( 版圖) 完全對稱的情況f 也會因為電特性的不對稱而 造成電路的不匹配。另外，其堆疊結(jié)構(gòu)需要較高的供電電壓。 隨著c m o s 晶體管的特征尺寸( f e a t u r es i z e ) 按比例減小( s c a l i n gd o w n ) ，電源電壓也適當(dāng)?shù)?按比例減小。低電源電壓能節(jié)省功耗，然而它也使得這種層數(shù)比較多的s c f l 鎖存器結(jié)構(gòu)的電壓分 配變得比較困難。這是因為電源電壓可以按比例減小，閾值電壓雖然也隨著工藝的進步而減小，但 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 是并不能按相應(yīng)的比例減小。閾值電壓減小的程度比電源電壓減小的程度要小的現(xiàn)狀就導(dǎo)致了這種 s c f l 鎖存器中電壓分配困難的問題。因此，這種結(jié)構(gòu)的高速優(yōu)勢隨著電源電壓的降低而顯著下降。 在0 1 8 w nc m o s 工藝中，電源電壓1 8 v ，不考慮體效應(yīng)時，n m o s 管的閾值電壓約為o 4 8 v 。圖 2 5 所示的鎖存器，其電路有三層之多，要保證每個晶體管的工作狀態(tài)正確比較困難。此時，對電 路速度的優(yōu)化的難度也大。 因此，該結(jié)構(gòu)不適用于低電源電壓下的超高速分頻器設(shè)計。 圖2 5s c f l 邏輯鎖存器 2 。2 。2 偽差分( p s e u d o d i f f e r e n t i a ll a t c h ) 鎖存器 偽差分鎖存器【25 】是為了解決上文分析的s c f l 鎖存器在低電源電壓下存在的問題而提出的一種 鎖存器結(jié)構(gòu)。 偽差分鎖存器電路如圖2 6 所示。該鎖存器包括一對差分數(shù)據(jù)輸入、一對差分時鐘輸入和一對 差分數(shù)據(jù)輸出。分別為：采樣差分對m 1 和m 2 ，保持差分對m 3 和m 4 及受時鐘控制的晶體管對 m 5 和m 6 。 差分輸入c k 和c k n 控制鎖存器的工作狀態(tài)。當(dāng)c k 為高電平，c k n 為低電平時，m 5 導(dǎo)通， m 6 關(guān)斷。此時，采樣差分對工作，q 和q n 隨著d 和d n 而變化；保持差分對不工作。鎖存器工作 在采樣模式。當(dāng)c k 為低電平，c k n 為高電平時，m 5 關(guān)斷，m 6 導(dǎo)通。此時，采樣差分對不工作， q 和q n 不會隨著d 和d n 而變化：保持差分對工作，q 和q n 的瞬時值就被存儲在m 3 和m 4 構(gòu)成 的正反饋環(huán)中。鎖存器工作在保持模式。 該鎖存器在結(jié)構(gòu)上與s c f l 結(jié)構(gòu)唯一不同的是去掉了時鐘開關(guān)的共用電流源。這樣電路減少了 一層，低電源電壓條件下電壓分配的問題得到了緩解。因此晶體管參數(shù)的優(yōu)化范圍比較大，電路速 度可以進一步的提高。 由于這種結(jié)構(gòu)中受兩個時鐘控制的晶體管m 5 和m 6 是不相關(guān)的，需要完全互補的時鐘信號來 確保鎖存器的正常工作。雖然這個條件在多數(shù)設(shè)計的比較好的高速系統(tǒng)中是比較容易滿足的。但如 1 0 第二章1 ：4 分頻器的電路設(shè)計 果作為電路的輸入級，由于高速差分信號源不容易找到，電路的測試條件很難滿足。 這種鎖存器構(gòu)成的分頻器i z ”工作速率高達1 8 g h z ( 顙, i 試時在信號源和芯片之間使用了超高速的 單端轉(zhuǎn)雙端器件) 。 偽差分鎖存器雖然解決了低電源電壓下電壓的分配問題，也可以實現(xiàn)很高的電路工作頻率。但 是由于這種結(jié)構(gòu)要求輸入對鐘信號必須是互補的，而目前很多實驗室還不具備產(chǎn)生寬帶超高速差分 信號的設(shè)備，因此，存在電路的測試問題。 2 2 3 差動動態(tài)鎖存器 圖2 6 偽差分鎖存器的電路結(jié)構(gòu) 限制上面兩種鎖存器速度的另一個關(guān)鍵問題是負載電阻r 。該電阻的大小不容易確定，一方 面，需要一個小的r 來減小充、放電時間常數(shù)，加快狀態(tài)轉(zhuǎn)換的速度；另方面，需要一個大的r 來產(chǎn)生大的輸出信號擺幅，這樣才能驅(qū)動后續(xù)電路。為得到最大工作頻率而優(yōu)化也的理論【2 6 1 已經(jīng) 建立起來了，然而，利用這個理論來確定吃的過程是很復(fù)雜的。如果r l 能夠被動態(tài)控制并能實現(xiàn) 這樣的功能：采樣模式下阻值小，保持模式下阻值大，則鎖存器的工作速度可以進一步提高。這樣 的r l 是比較理想的選擇，又因為它的阻值可變，所以稱其為動態(tài)負載。 前文提到了動態(tài)鎖存器，此處出現(xiàn)了動態(tài)負載鎖存器。先來看一下它們的異同，動態(tài)負載鎖存 1 1 - 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 器指的是鎖存器中負載的類型，而動態(tài)鎖存器指的是鎖存器的類型。動態(tài)鎖存器可以是動態(tài)負載的， 也可以不是動態(tài)負載的。動態(tài)負載鎖存器可以是動態(tài)鎖存器也可以是靜態(tài)鎖存器。兩者之間沒有必 然的聯(lián)系。 v d d 圖2 7 動態(tài)負載鎖存器 動態(tài)負載鎖存器電路口”如圖2 7 所示。這種鎖存器由采樣對管( m 1 、m 2 ) 、保持對管( m 3 、 m 4 ) 、受時鐘控制的開關(guān)管m c 和負載對管( m 5 、m 6 ) 構(gòu)成。與上述s c f l 、偽差分鎖存器不同的 是保持對管下面沒有開關(guān)管。這種鎖存器有兩個時鐘信號輸入，這兩個時鐘信號的作用與上面兩種 鎖存器中的時鐘信號的作用不完全相同。上面兩種鎖存器中的時鐘信號都與鎖存器的工作模式有關(guān) 系，而此處控制工作模式的只有c k 。c k n 的作用是實現(xiàn)動態(tài)負載，其控制p m o s 管使之具有不同 的阻值。 動態(tài)負載鎖存器的工作原理如下：當(dāng)c k 是高電平時，m c 導(dǎo)通，采樣對管m 1 和m 2 工作。 此時c k n 是低電平，p m o s 負載對管m 5 和m 6 工作在線性區(qū)，阻值較小，這樣就能得到一個較小 的時間常數(shù)。d 和d n 的狀態(tài)很快就可以傳遞到q 和q ，這樣就實現(xiàn)了采樣過程：當(dāng)c k 是低電平 時，m c 關(guān)斷