集成电路设计基础

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1、集成电路设计基础山东大学 信息学院 刘志军*1集成电路设计基础上次课n第9章 晶体管与模拟集成电路基本单元设计u 9.1 晶体管的版图设计u 9.2 电流源电路设计u 9.3 基准电压源设计u 9.4 差分放大器电路设计 Date2集成电路设计基础第10章 数字集成电路基本单元与版图 10.1引言10.2TTL基本电路及版图实现10.3CMOS基本门电路及版图实现10.4数字电路标准单元库设计简介10.5焊盘输入输出单元（I/O PAD）Date3集成电路设计基础数字集成电路分为双极型晶体管和MOS晶体管 两大类10.1引言Date4集成电路设计基础数字集成电路的基本电路的主要性能指标（1）工

2、作速度（延迟时间的长短）； （2）集成度（占用面积的大小）； （3）功耗（消耗的电源功率）； （4）噪声容限等。Date5集成电路设计基础10.2 TTL基本电路及版图实现nTTL 电路是以双极型晶体管为基础构成的基 本逻辑电路系列。下面主要介绍TTL反相器 电路。 Date6集成电路设计基础TTL基本电路及版图实现（1）电路组成该电路由三部分组成：1）由双极型晶体管T1和电阻Rb1组成电路输入级。2）由T2、Re2和Rc2组成中间驱动电路，将单端信号 B2转换为双端信号B3和B4。3）由T3、T4、Rc4和二级管D组成输出级。 （2）工作原理输入为高电平时，输出为低电平。输入为低电平时，输出

3、为高电平。 Date7集成电路设计基础TTL基本电路及版图实现nTTL与非门电路 基本TTL反相器不难改变成为多输入端的与非门。其 主要特点是在电路的输入端采用多发射极的双极型晶体 管。器件中的每一个发射极能各自独立地形成正向偏置 的发射结，并可促使T1进入放大或饱和区。两个或多个发 射极可以并联构成一大面积的组合发射极。Date8集成电路设计基础TTL基本电路及版图实现n（a）图是三输入端TTL与非门电路形式。T1的发射 结正向偏置而导通，T2截止。结果将导致输出为高电 平。只有当全部输入端为高电平时，T1将转入倒置放 大状态，T2和T3均饱和，输出为低电平。 (b)为三输 入端TTL与非门

4、的代表符号。Date9集成电路设计基础TTL基本电路及版图实现n或非门电路 Date10集成电路设计基础TTL基本电路及版图实现上图中(a) 表示TTL或非门的逻辑电路，图 （b）是它的符号。由图可见，或非逻辑功能是 对TTL与非门的结构改进而来的，即用两个晶 体管T2A和T2B代替T2。若两输入端为低电平，则 T2A和T2B均将截止，IB3=0，输出为高电平。若A 、B两输入端中有一个为高电平，则T2A或T2B将 饱和，导致IB30， IB3便使T3饱和，输出为低 电平。这就实现了或非功能。Date11集成电路设计基础TTL基本电路及版图实现nIC的版图设计已把电路与工艺融为一体，所以一 般

5、较复杂的电路都是先设计实验电路（或单元电 路），根据实验电路的测试结果获得有关电路功 能和电路参数的第一手资料。n掌握了这些资料，就可以根据元件的不同要求， 在设计中采取相应措施，保证电路达到设计目标 。必要时还要调整个别工艺或工艺参数。n当然设计出的版图要经过实践不断加以改进，一 个成熟的产品一般都要经过几次改版才行。Date12集成电路设计基础双极集成电路版图设计的基本原则 （1）版面面积最小。 （2）受隔离结寄生电容Cjs影响大的那些 隔 离区应尽可能的小。 （3）电极引出线的排列必须与封装要求一 致，在电路周围要均匀排列。 Date13集成电路设计基础双极集成电路版图设计的基本原则 （

6、4）铝引线的排列应注意以下各点： 尽量短些、宽些，在高频及高阻抗的电路中尤 应注意这点； 不能相交，无法避免相交时，可用交叉连线；为避免寄生耦合，铝线不能跨越管子，但可跨 过电阻；为防止短路及减小场效应，铝线应尽量不在最 后一次扩散层上跨过，可使铝线爬在厚氧化层上 ； 布线图形越简单越好；电源线、地线、输入引线、输出引线、低电阻 引线的铝条要宽些，引线孔要开得大些甚至排为 一排。Date14集成电路设计基础双极集成电路版图设计的基本原则（5）PN结隔离的隔离槽必须接最低电位； （6）所有电阻器原则上可放在同一隔离岛内 ，该隔离岛应接至最高电位以保证电阻器 的PN结在任何条件下都处于反偏状态，且

7、 可减小寄生电容； （7）集电区接最高电位的晶体管可放在电阻 的隔离岛上，不必另设隔离岛，以减小面 积； （8）电路的输入端和输出端之间的间距应尽 量安排得大些，防止输入级和输出级之间 发生寄生耦合。Date15集成电路设计基础双极集成电路版图设计的基本原则（9）对要求匹配，并且温度变化要求 一致的晶体管（如差放中的对管、恒流 源中的对管等），应放置在相邻区域并 对称放置，其图形大小、方向、形状最 好都一样。 （10）以上有关尺寸的设计必须符合版 图设计规则。 Date16集成电路设计基础评价版图好坏的几个因素n符合原电路的设计指标；n面积最小；n成品率最高；n可靠性高；n具有可测试性。Dat

8、e17集成电路设计基础版图的目的n绘制版图用于制作光刻掩模版。n双极型逻辑电路的制作基本上要用到六 块掩模版，分别用于制作：掩埋层、隔 离槽、基区、发射区、接触孔和金属连 线。Date18集成电路设计基础掩模版的重要性n在IC设计中，晶体管的图形、电阻的阻 值以及它们的位置都是由光刻掩模版决 定的，产品的质量和成品率很大程度上 也取决于它。n要使设计的版图在现有工艺水平下取得 最佳效果，一方面应根据电路原理，充 分了解各元件的情况和它们对电路参数 的影响；另一方面还必须从现实工艺情 况出发，合理选定某些工艺参数，作为 版图设计的基本依据之一。Date19集成电路设计基础双极型集成电路版图设计步

9、骤n在电路图和基本工艺参数已经确定的情 况下，双极型集成电路版图设计流程大 致分为以下步骤：（1）划分隔离区 （2）元器件的版图设计 （3）元器件的布局 （4）布线 Date20集成电路设计基础设计举例举例说明一个五管单元与非门电路的设计。 （1）决定隔离区数目 此电路共有5个隔离区，如图中虚线所示。Date21集成电路设计基础设计举例（2）确定端头的排列及引出端数 对所有的电路来说，输入、输出、电源、接地 这些引出端是必须的。对于该电路来说，这4部 分的引出端数目共有8个（输入端有5个）。另外 ，它还有2个扩展端，它们分别从Q2的发射极和 集电极引出，要尽量排在一起。 （3）确定元件尺寸 由

10、电路分析知，此电路中Q2和Q5饱和（且Q5 为输出管），要通过较大的电流，所以可采用马 蹄形结构。Q4的瞬态电流很大，所以发射极有效 长度也要大些。Q3管不通过大电流，采用单基极 条结构就可以了。 Date22集成电路设计基础设计举例（4）画布局布线草图 画出此草图的目的是：大致安排一下各元件的位置。画出内连线的连接图形，使满足 设计原则中对A1线的要求（如连通 、无交叉等）。 Date23集成电路设计基础电路布局草图Date24集成电路设计基础设计举例 （5）绘制IC版图总图 根据布局布线草图，利用计算 机辅助设计可以把IC的总图画出 来 。Date25集成电路设计基础布线版图Date26集

11、成电路设计基础10.3 CMOS基本门电路及版图实现 nCMOS反相器（1） CMOS反相器的具体电路如图所示。这是一种典型 的CMOS电路结构，它由一个NMOS晶体管和PMOS晶体 管配对构成，两个器件的漏极相连作为输出，栅极相连 作为输入。NMOS晶体管的衬底与它的源极相连并接地 ，PMOS晶体管的衬底与它的源极相连并接电源。Date27集成电路设计基础CMOS反相器（2） CMOS物理结构的剖视图如图所示。其中n沟 道晶体管是在p阱区中制作的；而P沟道晶体管是 在n型衬底上制作的。两个晶体管的栅极联在一起 形成输入端。 Date28集成电路设计基础CMOS反相器n开关特性我们希望反相器的

12、上升时间和下降时间近似相等， 则需要使PMOS管的沟道宽度必须加宽到NMOS管沟 道宽度的 n / p倍左右。Date29集成电路设计基础CMOS反相器n功耗 无论CMOS门处于这两种逻辑形态中的 哪一种状态，两个MOS管中始终有一个管 子是截止的。由于没有从VDD到VSS的直流 通路，也没有电流流入栅极，所以，静态 （稳态）电流和静态功耗PD都是0。 Date30集成电路设计基础CMOS基本门电路及版图实现nCMOS反相器的设计 nCMOS反相器的版图实现n下图包括：u（a）垂直走向MOS管结构u（b）水平走向MOS管结构u（c）金属线从管子中间穿过的水平走向MOS管结 构u（d）金属线从管

13、子上下穿过的水平走向MOS管结 构u（e）有多晶硅线穿过的垂直走向MOS管结构 Date31集成电路设计基础各种形式的反向器版图Date32集成电路设计基础各种形式的反向器版图Date33集成电路设计基础与非门和或非门电路n（1）工作原理 二输入与非门和二输入或非门电路如图 所示，两个PMOS管并联与两个串联的 NMOS管相连构成了二输入与非门，两 个NMOS管并联与两个串联的PMOS相连 构成了二输入或非门。（2）与非门和或非门电路的设计（3）版图实现 Date34集成电路设计基础CMOS传输门和开关逻辑（1）工作原理 在图中的CMOS传输门采用了P管和N管对，控制信号 和C分别控制P管和N

14、管，使两管同时关断和开通。由于 PMOS管对输入信号S高电平的传输性能好，而NMOS管 对输入信号S低电平的传输性能好，从而使信号S可以获 得全幅度的传送而没有电平损失。Date35集成电路设计基础CMOS传输门和开关逻辑（2）利用传输门，很容易构成一些开关逻辑。 1）与或门 2）异或 门3）异或 非门4）线或 逻辑 （3）版图实现 Date36集成电路设计基础驱动电路的结构n众所周知，任何一个逻辑门都有一定的驱动能力， 当它所要驱动的负载超过了它的能力，就将导致速 度性能的严重退化。设计者可根据负载大小以及脉 冲边沿的要求决定驱动级器件尺寸，如果驱动级尺 寸很大且和前级功能电路的驱动能力不相

15、匹配，应 该在两者之间加一些缓冲级，以达到最佳匹配。 Date37集成电路设计基础三态门 在微处理器结构里，往往采用公共总线结构，因此需 要设计三态门电路，以避免总线使用的矛盾。三态 门电路可以用如图所示的常规逻辑门构成。当使能 信号E为高电平时，或非门和与非门都打开，数据传 至驱动管反相输出；当E为低电平时，与非门输出为 高电平关闭了P管，或非门输出低电平关闭了N管， 输出处于高阻态。 Date38集成电路设计基础10.4 数字电路标准单元库设计简介 n基本设计思想u 用人工设计好的各种成熟的、优化的 、版图等高的单元电路，存储在一个单 元数据库中。根据用户的要求，把电路 分成各个单元的连接组合。通过调用单 元库的这些单元，以适当方式把它们排 成几行，使芯片成长方形，行间留出足 够的空隙作为单元行间的连线通道。利 用EDA工具，根据已有的布局、布线算 法，可以自动布出用户所要求的IC。Date39集成电路设计基础标准单元法n标准单元法的制作流程与门阵列基本 类似，但单元库的支持起着关键作用 。它不但支持版图设计，同时也支持 逻辑和电路设计。n设计流程框图如下所示：Date40集成电路设计基础标准单元设计流程图Date41集成电路设计基础数字电路标准单元库设计n库单元设计 标准单元库中的单元电路是多样化的， 通常包含上百种单元电路，每种单