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1、浙大微电子,基准源、噪声、开关电容及Monte Carlo仿真,浙江大学微电子与光电子研究所 2013年11月5日,2020/7/10,1/91,浙大微电子,大纲,电压基准源设计 集成电路噪声分析及仿真 开关电容电路理论、设计举例及仿真 Monte Carlo仿真,2020/7/10,2/91,浙大微电子,电压基准源设计,2020/7/10,3/91,浙大微电子,常见电压基准源,带隙基准源 特点：静态电流较小，输出电压精度 较高，不需要外部电阻 举例：MAX6034 齐纳基准源 特点：输出电压和功率范围大，静态 电流较大，输出电压精度较低， 需要外部电阻 举例：MAX6138,2020/7/1
2、0,4/91,浙大微电子,带隙基准源原理,平衡VBE的负温度系数和Vt =kT/q的正温度系数,2020/7/10,6/91,浙大微电子,如何实现Vt=kT/q？,通过改变PNP发射区面积,2020/7/10,7/91,浙大微电子,带隙基准源的两种经典实现方式,电流镜方式 放大器反馈方式,2020/7/10,8/91,浙大微电子,输出驱动,驱动能力要求 仅仅是基准源核心电路没有足够的能力驱动外部大的负载，需要加buffer；基准源的驱动能力取决于buffer的驱动能力 放大器的频率补偿 为了在外部负载比较大的情况下，保证运放稳定；设计时，必须做交流仿真，以保证频率稳定。,提供基准电流,2020
3、/7/10,9/91,浙大微电子,Cascade结构,Cascade MOS M1M8保证Q1、Q2电流完全相同，且M1和M2源端电位近似相等,原理实现,2020/7/10,10/91,浙大微电子,基准源噪声,带隙基准源的输出噪声会显著影响低噪声电路的性能。例如，基准噪声大幅度削减高精度ADC性能； 降噪措施： 1、通过减少电路元器件个数，和使用阻值较小的电阻，可以减少噪声； 2、采用1/f噪声较小的PMOS管； 3、增大MOS面积也可减少1/f噪声。,基准源噪声仿真,2020/7/10,11/91,浙大微电子,基准源仿真,在基准源中引入 误差放大器，提 高输出电压精度,电路示例,2020/7
4、/10,12/91,浙大微电子,基准源说明,Q3和Q4的面积为Q1、Q2的n倍，采用层叠三极管能够使X点电压提高为2VEB1，降低误差放大器失调电压的影响。 X点电压与Y点电压相等，Q1、Q2、Q3、Q4的偏置电流相等,2020/7/10,13/91,浙大微电子,温度稳定性仿真,Temperature coefficient 定义,单位是ppm/,三极管面积比例n = 36，电阻比例R3/R4 = 2.87（R3=86K，R4=30K）,选择dctemperature扫描， 得到输出基准电压随温度变化的曲线,2020/7/10,14/91,浙大微电子,电阻取值的优化,使用“Parametric
5、”分析来优化电阻值 1、设置变量 2、在“Parametric”分析窗口设置扫描变量和扫描方式 3、运行“Parametric”分析，得到结果如右图所示 4、缩小扫描范围，对电阻取值进一步优化,2020/7/10,15/91,浙大微电子,利用“Calculator”分析仿真结果,利用“Calculator”工具写入“TC”的表达式 TC=(ymax(VS(“/VREF”)- ymin(VS(“/VREF”)/ (average(VS(“/VREF”)*125)*1000000 1、手动输入 2、采用“Calculator” RPN模式输入,2020/7/10,16/91,浙大微电子,利用“Ca
6、lculator”分析仿真结果,在ADE界面 “Outputs-Setup”中打开Setting Outputs窗口，在“Name”栏填入输出变量名“TC”，点击“Get Expression”将“Calculator”中的表达式导入“Expression”栏,重新采用“Parametric”分析对电路进行仿真，Candence会根据所填入的表达式计算基准源的温度系数，并得到不同电阻值下温度系数的变化曲线图,2020/7/10,17/91,浙大微电子,利用“Calculator”分析仿真结果,2020/7/10,18/91,浙大微电子,利用“Optimizer”进一步优化,“Optimizer
7、”是一种通过自动调整设计变量，从而达到设计指标的工具。 1、在ADE界面“Tools-Optimization”，打开“Analog Circuit Optimization”窗口；在该窗口的“Goals”下拉菜单选择“Add”命令，如下图所示 Name栏填入“TC” Expression填入计算“TC”的 表达式 Direction选择“minimize” Target填入“5” Acceptable填入“15”,2020/7/10,19/91,浙大微电子,利用“Optimizer”进一步优化,2、在“Analog Circuit Optimizer”窗口的“Variables”下拉菜单中选
8、择“Add/Edit.”命令，如下图所示 “Name”栏中选择变量“res” “Initial Value”填入“12k” “Minimum Value”填入“10k” “Maximum Value”填入“15k”,2020/7/10,20/91,浙大微电子,利用“Optimizer”进一步优化,3、在“Analog Circuit Optimizer”窗口的“Session”下拉菜单中选择“Options.”命令，如下图所示 在“Algorithm Selection” 栏选择“LSQ”优化算法 4、选择“Optimizer” 下拉菜单中的“Run” 命令，开始优化,2020/7/10,21
9、/91,浙大微电子,利用“Optimizer”进一步优化,2020/7/10,22/91,浙大微电子,Corner Analysis,1、在ADE界面“Tools”下拉菜单下选择“Corner.”,进入“Analog Corners Aanalysis”窗口,2020/7/10,23/91,浙大微电子,Corner Analysis,2、工艺配置。在菜单中选择“Setup-Add Process”,进入Add Process窗口。 “Process Name”栏中加入新工艺的名字 “Model Style”栏中选择工艺模式 “Base Directory”和“Model File”栏中分别填入
10、Model所在的目录及其名称 选择“OK”， SMIC工艺 设置成功,2020/7/10,24/91,浙大微电子,Corner Analysis,3、添加工艺角组。在菜单中选择“Setup-Add/Update Model Info”，进入Update Process/Model Info窗口的Groups/Variants选项卡。 “Groups Names”栏中加入工艺角的名称，例如：RES “Variants”栏加入一组工艺角，例如：res_tt、res_ff等等，中间用空格隔开 点击“Apply”， 继续添加下一 个工艺角,2020/7/10,25/91,浙大微电子,Corner An
11、alysis,4、设定需要仿真的工艺角。在主界面的“Corner Definitions”栏中进行设置，其中“Add Corner”添加新的工艺角，“Add Variable”添加新的设计变量。,2020/7/10,26/91,浙大微电子,Corner Analysis,5、设置输出。在主界面的“Performance Measurements”栏中进行输出设置。 “Add Measurement”设置待测变量名称 “Expression”栏中输入待测变量的表达式，可借助“Calculator”工具；选中“plot”，待测变量将以图形形式输出。,2020/7/10,27/91,浙大微电子,Co
12、rner Analysis,6、运行及输出。在菜单“Simulation-Run”运行分析并输出仿真结果。,2020/7/10,28/91,浙大微电子,Corner Analysis,7、保存和调用设置。在菜单中选择“File-Save Setup as”，保存为reference_pvt文件。 若需调用已有设置， 选择“File-Load.” 将上述文件调用出 来即可,2020/7/10,29/91,浙大微电子,最低工作电压扫描,选择dc电源电压扫描，可找到基准源的最低工作电压,1.8V最低工作电压,2020/7/10,30/91,频率稳定性仿真 stb仿真,第一步：在电路反馈干路上，添加一
13、个电压为0V的电压源，作为“Probe Instance”； 两个环路，一个是正反馈环路，一个是负反馈环路。,浙大微电子,2020/7/10,31/91,stb仿真,第二步：打开Cadence的“Analog Simulation Environment”界面，选择”stb”仿真，选择Probe Instance,浙大微电子,2020/7/10,32/91,stb仿真,第三步：查看仿真结果。在跳出的文本界面中，会直接给出关键环路的相位裕度 Phase margin = 68.4937 Deg at frequency = 16.4596 MHz,浙大微电子,2020/7/10,33/91,浙大
14、微电子,电源抑制比仿真,在电源电压上加入交流小信号，仿真基准源电压输出与电源上交流小信号的比值，即电源抑制比。 电源噪声频率范围 一般是50kHz到50 MHz，所以扫描频 率也选择这个范围,2020/7/10,34/91,浙大微电子,基准源版图设计,采用全定制方法进行版图设计，把串扰、失配、噪声等的影响降低到最小。 采用精度较高的多晶硅电阻，在电阻的版图设计中尽可能采用“等比例复制”方法。 在电阻设计中尽可能使用完全相同的 电阻条，采用并联和串联的方法实现 阻值。同时，相邻两个电阻条的连接 使用铝条互连结构，避免使用弯角， 避免转角误差。加入DUMMY电阻。,电阻版图,2020/7/10,3
15、5/91,浙大微电子,基准源版图设计,绘制PNP版图时，也要采用“等比例复制”方法。 对于非常宽的晶体管，可采用折叠栅极的方法，节省面积，并减小工艺误差。 对于对管设计，可采用交叉互补结构，提高匹配精度。,PNP版图,“交叉互补”对管设计,2020/7/10,36/91,浙大微电子,CMOS集成电路 噪声分析及仿真,集成电路噪声分析及仿真,2020/7/10,37/91,浙大微电子,噪声,噪声是一个随机过程，它限制了一个电路能够处理的最小信号电平； 噪声的表示方法: 噪声谱 也叫能谱密度PSD（power spectrum density） 噪声单位是 或 ，表示单位Hz的噪声功率 噪声分类：
16、 相关噪声，幅度相加。 非相关噪声，平均功率相加。,2020/7/10,38/91,浙大微电子,电阻热噪声,产生机理：导体中的电子的随机运动尽管平均电流为零，但是它会引起导体两端电压的波动。,热噪声是白噪声，与频率无关 热噪声谱与绝对温度成正比;,2020/7/10,39/91,浙大微电子,MOS噪声,MOS热噪声 MOS闪烁噪声 （1/f噪声） MOS噪声简化模型,2020/7/10,40/91,浙大微电子,MOS热噪声,MOS管的热噪声源主要由沟道贡献的 长沟道MOS器件的热噪声可等效为一个跨接在源漏两端的电流源,一般等于2/3,2020/7/10,41/91,浙大微电子,MOS闪烁噪声,产生机理：在栅氧和沟道界面上存在悬挂键 ，当电子通过这个界面时，会被随机地吸附和释放，从而影响沟道电流，产生闪烁噪声。 表示方法：等效为与栅极串联的电压源,闪烁噪声又称为1/f噪声,2020/7/10
