模擬集成電路設(shè)計緒論PPT課件

1、第1頁/共44頁課程安排課程劃分 總學分：3 總學時：48 理論課: 32學時,2學分(第4周-第20周)，教材1-10章 實驗課: 16學時,1學分(13周以后)成績評定: 作業(yè)及平時成績、開卷考試:50% 實驗成績:50%第2頁/共44頁第1章 模擬集成電路設(shè)計緒論 1.1 學習要求 1.2 集成電路的發(fā)展概況 1.3 模擬集成電路設(shè)計重要性第3頁/共44頁4集成電路的發(fā)展-ENIAC（埃尼阿克） 1946年誕生 第一臺計算機 18000個電子管 占地170平方米 重30噸 耗電150千瓦 每秒執(zhí)行5000次加法或400次乘法 總投資48萬美元第4頁/共44頁SIM2.0（2006移動酷卡

2、） 25.2mm x 15.0 mm ARM7TDMI處理器（40MIPS） 64k SRAM 64M Flash 相當于1臺486電腦 SIM2.0是具備基礎(chǔ)驅(qū)動、操作系統(tǒng)、文件管理、應(yīng)用程序開發(fā)等功能的、強大的實時操作系統(tǒng)的智能卡。第5頁/共44頁高度：123.8 毫米寬度：58.6 毫米厚度：7.6毫米重量： 112 克尺寸和重量IPHONE5（2012）7.6 毫米1123.8 毫米58.6 毫米第6頁/共44頁處理器 Apple A4的die尺寸為 采用45nm工藝 面積53平方毫米nA6運算速度兩倍于iPhone 4S采用的A5處理器，處理器尺寸縮小了22%第7頁/共44頁集成電路

3、發(fā)展趨勢：處理器工藝的發(fā)展（集成度增高）第8頁/共44頁低功耗技術(shù)低功耗技術(shù)時間時間1980 1983 1982 1989 1995 2001 2004 2010L(m )3.02.01.20.50.350.180.130.07電源電壓（電源電壓（V）L第9頁/共44頁集成電路技術(shù)發(fā)展帶來的變化第10頁/共44頁2010年我國集成電路市場應(yīng)用結(jié)構(gòu)第11頁/共44頁2000-2010年我國集成電路進出口額第12頁/共44頁13電路設(shè)計分類 分立電路設(shè)計 集成電路設(shè)計 混合集成電路設(shè)計 單片集成電路設(shè)計 數(shù)字電路：處理數(shù)字信號，即在離散的幅度值上有定義的信號。 模擬電路：處理模擬信號，在連續(xù)時間范

4、圍內(nèi)具有連續(xù)幅度變化的信號。 GaAs、InP工藝 Si工藝：CMOS、Bipolar、BiCMOS第13頁/共44頁集成電路設(shè)計方法的改變第14頁/共44頁數(shù)字集成電路設(shè)計流程第15頁/共44頁數(shù)字集成電路設(shè)計第16頁/共44頁 集成電路制造概述Used with permission from Advanced Micro DevicesOxidation(Field oxide)Silicon substrateSilicon dioxideoxygenPhotoresistDevelopoxidePhotoresistCoatingphotoresistMask-WaferAlignm

5、ent and ExposureMaskUV lightExposed PhotoresistexposedphotoresistSDActive RegionsSDsilicon nitrideNitrideDepositionContact holesSDGContactEtchIon ImplantationDGScanning ion beamSMetal Deposition and EtchdrainSDGMetal contacts PolysiliconDepositionpolysiliconSilane gasDopant gasOxidation(Gate oxide)g

6、ate oxideoxygenPhotoresistStripoxideRF PowerIonized oxygen gasOxideEtchphotoresistoxideRF Power Ionized CF4 gasPolysiliconMask and EtchRF PowerIonized CCl4 gaspoly gateRF Power第17頁/共44頁第1章 模擬集成電路設(shè)計緒論 1.1 學習要求 1.2 集成電路的發(fā)展概況 1.3 模擬集成電路設(shè)計重要性第18頁/共44頁 在數(shù)字集成電路高度發(fā)展的在數(shù)字集成電路高度發(fā)展的今天，為什么還要學模擬集成今天，為什么還要學模擬集成電路

7、設(shè)計？特別是電路設(shè)計？特別是CMOS模擬模擬集成電路設(shè)計？集成電路設(shè)計？第19頁/共44頁自然界信號的處理（a）自然界信號的數(shù)字化自然界信號的數(shù)字化 （ b）增加放大器和濾波器以提高靈敏度增加放大器和濾波器以提高靈敏度高速、高精度、低功耗高速、高精度、低功耗ADC的設(shè)的設(shè)計是模擬電路設(shè)計中的難題之一計是模擬電路設(shè)計中的難題之一高性能放大器和濾波器高性能放大器和濾波器設(shè)計也是熱點研究課題設(shè)計也是熱點研究課題第20頁/共44頁數(shù)字通信數(shù)字信號通過有損電纜的衰減和失真數(shù)字信號通過有損電纜的衰減和失真失真信號需放大、濾波和數(shù)字化后才再處理失真信號需放大、濾波和數(shù)字化后才再處理第21頁/共44頁數(shù)字通信

8、使用多電平信號以減小所需的帶寬使用多電平信號以減小所需的帶寬1011010010組合二進制數(shù)據(jù)組合二進制數(shù)據(jù)多電平信號多電平信號確定所傳送電平確定所傳送電平DACADC傳送端傳送端接收端接收端第22頁/共44頁磁盤驅(qū)動電子學存儲數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)恢復數(shù)據(jù)恢復數(shù)據(jù)硬盤存儲和讀出后的數(shù)據(jù)硬盤存儲和讀出后的數(shù)據(jù)第23頁/共44頁無線接收機無線接收天線接收到的信號無線接收天線接收到的信號(幅度只有幾微伏幅度只有幾微伏)和噪聲頻譜和噪聲頻譜接收機放大低電平信號時必須具有極小噪接收機放大低電平信號時必須具有極小噪聲、工作在高頻并能抑制大的有害成分。聲、工作在高頻并能抑制大的有害成分。第24頁/共44頁光接收機光

9、纖系統(tǒng)光纖系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為一個小電流轉(zhuǎn)換為一個小電流高速電流處理器高速電流處理器激光二極管激光二極管光敏二極管光敏二極管第25頁/共44頁傳感器(a) 簡單的加速度表簡單的加速度表(b) 差動加速度表差動加速度表汽車觸發(fā)氣囊的加速度檢測原理圖汽車觸發(fā)氣囊的加速度檢測原理圖第26頁/共44頁三軸陀螺儀iphone4中的陀螺儀芯片中的陀螺儀芯片第27頁/共44頁主板主板第28頁/共44頁蘋果蘋果Apple A4處處理器理器三星三星AGD1 三軸三軸陀螺儀，意陀螺儀，意法半導體法半導體3mmx3mm意法半導意法半導體體33DH三軸加速傳感三軸加速傳感器：器：BG7AXSkyworks SKY77541 G

10、SM/GPRS前前端模塊端模塊338S0626 英英飛凌飛凌 GSM/WCDMA 收發(fā)器收發(fā)器TriQuint TQM676091/2功放器功放器Skyworks SKY77542雙頻雙頻GSM/GPRS前端前端模塊模塊第29頁/共44頁三星三星K9PFG08閃存閃存Cirrus Logic 338S0589音頻音頻Codec德州儀器德州儀器343S0499觸觸摸屏控制器摸屏控制器Numonyx 36MY1EE，集成集成NOR閃存和閃存和Mobile DDR內(nèi)存內(nèi)存第30頁/共44頁l 毫米波提供大于5GHz帶寬，滿足高清視頻傳輸通信、雷達、廣播電視網(wǎng)絡(luò)、航天、船舶、電力、能源、交通、醫(yī)療、生

11、物、軍事等的電子設(shè)備和系統(tǒng)。l毫米波探測，如車輛防撞雷達及飛機跑道障礙探測l毫米波實現(xiàn)高速互聯(lián)、通信，實現(xiàn)無線USB、無線光纖等l毫米波安檢，對全身進行掃描成像，提供有力安全保障第31頁/共44頁車載碰撞雷達收發(fā)芯片結(jié)構(gòu)(富士)第32頁/共44頁Multi-technology IntegrationExisting and predicted first integration of SoC technologies with standard CMOS processSource: 2003 Technology Roadmap for Semiconductors,IEEE Comput

12、er Society, January 2004 第33頁/共44頁2010年我國集成電路市場結(jié)構(gòu)第34頁/共44頁為什么要學模擬CMOS集成電路設(shè)計？ 首先，MOSFET的特征尺寸越來越小，本征速度越來越快（已可與雙極器件相比較），現(xiàn)在幾GHz幾十GHz的CMOS模擬集成電路已經(jīng)可批量生產(chǎn)。 SOC芯片中同時包含有大量的模擬、數(shù)字電路，由于CMOS以其低成本、低功耗已成為現(xiàn)代大規(guī)模數(shù)字集成電路設(shè)計及制造的首選，與數(shù)字集成電路技術(shù)兼容的CMOS模擬集成電路技術(shù)可降低SOC芯片的制造及封裝成本。因此CMOS電路已成為當今SOC設(shè)計的主流制造技術(shù)。第35頁/共44頁模擬設(shè)計困難的原因是什么（1）？

13、A. 模擬設(shè)計涉及到在速度、功耗、增益、精度、電源電壓等多種因素間進行折衷，而數(shù)字電路只需在速度和功耗之間折衷。B. 模擬電路對噪聲、串擾和其它干擾比數(shù)字電路要敏感得多。C. 器件的二級效應(yīng)對模擬電路的影響比數(shù)字電路要嚴重得多。D. 高性能模擬電路的設(shè)計很少能自動完成，而許多數(shù)字電路都是自動綜合和布局的。第36頁/共44頁模擬設(shè)計困難的原因是什么？E.模擬電路許多效應(yīng)的建模和仿真仍然存在問題，模擬設(shè)計需要設(shè)計者利用經(jīng)驗和直覺來分析仿真結(jié)果。F.現(xiàn)代集成電路制造的主流技術(shù)是為數(shù)字電路開發(fā)的，它不易被模擬電路設(shè)計所利用（如特征尺寸減小導致器件遷移率下降、溝道調(diào)制效應(yīng)增大；電源電壓的下降使以前的一些

14、電路設(shè)計技術(shù)受到限制等），為了設(shè)計高性能的模擬電路，需不停開發(fā)新的電路和結(jié)構(gòu)。第37頁/共44頁模擬與數(shù)字電路的比較模擬與數(shù)字電路的比較模擬集成電路模擬集成電路數(shù)字集成電路數(shù)字集成電路信號在幅值和時間上連續(xù)信號在幅值和時間上連續(xù)信號在時間上離散，幅值上量化信號在時間上離散，幅值上量化電路級設(shè)計電路級設(shè)計系統(tǒng)級設(shè)計系統(tǒng)級設(shè)計基本基本器件尺度連續(xù)器件尺度連續(xù)基本器件尺度固定基本器件尺度固定定制化設(shè)計定制化設(shè)計標準化設(shè)計標準化設(shè)計較難應(yīng)用較難應(yīng)用CAD工具工具成熟的成熟的CAD設(shè)計軟件設(shè)計軟件需要精確建模需要精確建?？墒褂脮r序模型可使用時序模型性能需要優(yōu)化性能需要優(yōu)化可由軟件編程可由軟件編程模塊非通

15、用模塊非通用模塊通用模塊通用難以自動布線難以自動布線容易自動布線容易自動布線動態(tài)范圍由電源和噪聲及線性度決定動態(tài)范圍由電源和噪聲及線性度決定沒有動態(tài)范圍的限制沒有動態(tài)范圍的限制“如果能用數(shù)字電路比較經(jīng)濟的完成，不要使用模擬電路如果能用數(shù)字電路比較經(jīng)濟的完成，不要使用模擬電路”第38頁/共44頁模擬集成電路設(shè)計流程模擬電路設(shè)計模擬電路設(shè)計晶體管級原理圖設(shè)計晶體管級原理圖設(shè)計仿真工具仿真仿真工具仿真按照規(guī)格要求，選用已用于工業(yè)的成熟模塊，略微修改、組合成滿足規(guī)格要求的電路。 布局布線布局布線(Layout)物理規(guī)則驗證物理規(guī)則驗證(DRC: Design Rule Check)與電路圖一致性驗證與

16、電路圖一致性驗證(LVS: Layout vs. Schematic)寄生參數(shù)提取寄生參數(shù)提取(PE: Parasitical Extraction)后仿真后仿真GDSII文件文件CMOS、雙極、雙極(Bipolar)、Bi-CMOS第39頁/共44頁長溝器件長溝器件模型模型（2）單級放大器單級放大器（3）差動放大器差動放大器（4）噪聲噪聲（7）反饋穩(wěn)定性反饋穩(wěn)定性（10）非線性非線性（13）振蕩器振蕩器（14）反饋反饋（8）運算放大器運算放大器（9）帶隙基準帶隙基準（11）開關(guān)電容開關(guān)電容（12）直流分析直流分析交流分析交流分析瞬態(tài)分析瞬態(tài)分析基本分析方法基本分析方法基本電路結(jié)構(gòu)基本電路結(jié)構(gòu)基本電路指標基本電路指標短溝器件短溝器件模型模型（16）電流鏡電流鏡（5）頻率特性頻率特性（6）鎖相環(huán)鎖相環(huán)（15）CMOS工藝工藝（17）失配和失調(diào)失配和失調(diào)（13）工作點低頻增益低頻阻抗低頻噪聲高頻零極點時域響應(yīng)諧波失真模擬CMOS集成電路設(shè)計主要內(nèi)容