模拟模拟CMOS集成电路设计集成电路设计Design of Analog CMOS IC廖廖廖廖 午午午午 阳阳阳阳 微电子技术系微电子技术系微电子技术系微电子技术系 What is this course about?这门课是关于：晶体管级的模拟集成电路设计（使用这门课是关于：晶体管级的模拟集成电路设计（使用这门课是关于：晶体管级的模拟集成电路设计（使用这门课是关于：晶体管级的模拟集成电路设计（使用CMOSCMOS工艺）工艺）工艺）工艺）2 n n教材教材教材教材 模模模模拟拟拟拟CMOSCMOS集集集集成成成成电电电电路路路路设设设设计计计计，，，，[ [美美美美] ]毕毕毕毕查查查查德德德德. .拉拉拉拉扎扎扎扎维维维维 著著著著，，，，陈陈陈陈贵贵贵贵灿灿灿灿 程军程军程军程军 张瑞智张瑞智张瑞智张瑞智 等译，西安交通大学出版社等译，西安交通大学出版社等译，西安交通大学出版社等译，西安交通大学出版社n n参考教材参考教材参考教材参考教材n n Analysis and Design of Analog Integrated Circuits Analysis and Design of Analog Integrated Circuits，，，，Paul R. GrayPaul R. Grayn n CMOS CMOS模拟电路设计，模拟电路设计，模拟电路设计，模拟电路设计，P. E. AllenP. E. Allen 3 SystemsSystemsCircuitsCircuitsDevices Devices simplesimplecomplexcomplex4 第第 1 章章 绪绪 论论n n模拟集成电路的重要性模拟集成电路的重要性模拟集成电路的重要性模拟集成电路的重要性n n模拟集成电路设计的难点和流程模拟集成电路设计的难点和流程模拟集成电路设计的难点和流程模拟集成电路设计的难点和流程n n一般概念一般概念一般概念一般概念n n抽象级别抽象级别抽象级别抽象级别n n健壮性设计健壮性设计健壮性设计健壮性设计n n符号约定符号约定符号约定符号约定5 Why Analog？？— 模拟电路的重要性和应用领域模拟电路的重要性和应用领域模拟电路的重要性和应用领域模拟电路的重要性和应用领域高速度、高速度、高速度、高速度、高精度、高精度、高精度、高精度、低功耗的低功耗的低功耗的低功耗的模数转换器模数转换器模数转换器模数转换器信号太小信号太小信号太小信号太小时需要先时需要先时需要先时需要先放大放大放大放大滤除信号频带外的干扰滤除信号频带外的干扰滤除信号频带外的干扰滤除信号频带外的干扰自然界信号自然界信号自然界信号自然界信号（模拟量）（模拟量）（模拟量）（模拟量）6 模拟集成电路的应用模拟集成电路的应用模拟集成电路的应用模拟集成电路的应用7 结结 论论n n模拟电路是现代电路系统中必不可少的部分模拟电路是现代电路系统中必不可少的部分模拟电路是现代电路系统中必不可少的部分模拟电路是现代电路系统中必不可少的部分n n数字电路无法完全取代模拟电路数字电路无法完全取代模拟电路数字电路无法完全取代模拟电路数字电路无法完全取代模拟电路n n电子产业需要大量优秀的模拟电路设计师电子产业需要大量优秀的模拟电路设计师电子产业需要大量优秀的模拟电路设计师电子产业需要大量优秀的模拟电路设计师8 模拟电路设计的难点模拟电路设计的难点n n设计关注点多设计关注点多设计关注点多设计关注点多：包括速度、功耗、增益、精度、电源电：包括速度、功耗、增益、精度、电源电：包括速度、功耗、增益、精度、电源电：包括速度、功耗、增益、精度、电源电压等；数字电路主要是速度、功耗压等；数字电路主要是速度、功耗压等；数字电路主要是速度、功耗压等；数字电路主要是速度、功耗n n高精度模拟电路高精度模拟电路高精度模拟电路高精度模拟电路对低噪声、低串扰、抗干扰对低噪声、低串扰、抗干扰对低噪声、低串扰、抗干扰对低噪声、低串扰、抗干扰等等等等要求很高要求很高要求很高要求很高；；；；数字电路在这方面要求低很多数字电路在这方面要求低很多数字电路在这方面要求低很多数字电路在这方面要求低很多n n器件的二阶效应对电路性能影响大；器件的二阶效应对电路性能影响大；器件的二阶效应对电路性能影响大；器件的二阶效应对电路性能影响大；对工艺对工艺对工艺对工艺参数变化的参数变化的参数变化的参数变化的敏感敏感敏感敏感度比数字电路高很多度比数字电路高很多度比数字电路高很多度比数字电路高很多n n设计的自动化程度低，很多设计的自动化程度低，很多设计的自动化程度低，很多设计的自动化程度低，很多靠手工设计靠手工设计靠手工设计靠手工设计；数字电路设计；数字电路设计；数字电路设计；数字电路设计自动化程度高自动化程度高自动化程度高自动化程度高n n模拟电路的建模和仿真难度大，对设计者模拟电路的建模和仿真难度大，对设计者模拟电路的建模和仿真难度大，对设计者模拟电路的建模和仿真难度大，对设计者经验和直觉经验和直觉经验和直觉经验和直觉的的的的要求高要求高要求高要求高9 模模模模拟拟拟拟集集集集成成成成电电电电路路路路的的的的设设设设计计计计开开开开发发发发流流流流程程程程电电电电 路路路路 设设设设 计计计计版图版图版图版图 设设设设 计计计计封装封装封装封装测试测试测试测试10 电电电电 路路路路 设设设设 计计计计11 版版版版 图图图图 设设设设 计计计计12 Why CMOS？？与双极工艺与双极工艺与双极工艺与双极工艺(BJT)(BJT)相比相比相比相比n n优点优点优点优点n n输入阻抗大，加工输入阻抗大，加工输入阻抗大，加工输入阻抗大，加工成本低成本低成本低成本低，，，，低功耗低功耗低功耗低功耗，，，，易于按比例缩小易于按比例缩小易于按比例缩小易于按比例缩小，，，，易于实现数模混合电路易于实现数模混合电路易于实现数模混合电路易于实现数模混合电路（是（是（是（是SOCSOC较佳选择），设计自较佳选择），设计自较佳选择），设计自较佳选择），设计自由度大（小信号特性依赖于器件尺寸和直流偏量，双由度大（小信号特性依赖于器件尺寸和直流偏量，双由度大（小信号特性依赖于器件尺寸和直流偏量，双由度大（小信号特性依赖于器件尺寸和直流偏量，双极只依赖于直流偏量）极只依赖于直流偏量）极只依赖于直流偏量）极只依赖于直流偏量）n n缺点缺点缺点缺点n n低增益，速度慢（在改善，几十低增益，速度慢（在改善，几十低增益，速度慢（在改善，几十低增益，速度慢（在改善，几十GHzGHz），噪声大（也），噪声大（也），噪声大（也），噪声大（也在改善）在改善）在改善）在改善）13 抽象级别抽象级别14 抽象级别抽象级别n n为什么要抽象？为什么要抽象？为什么要抽象？为什么要抽象？n n我们关心的对象或感兴趣的程度是变化的我们关心的对象或感兴趣的程度是变化的我们关心的对象或感兴趣的程度是变化的我们关心的对象或感兴趣的程度是变化的n n把复杂度控制在一定范围内把复杂度控制在一定范围内把复杂度控制在一定范围内把复杂度控制在一定范围内n n抽象级别抽象级别抽象级别抽象级别n n器件级器件级器件级器件级n n晶体管级（电路级）晶体管级（电路级）晶体管级（电路级）晶体管级（电路级）n n结构级结构级结构级结构级n n系统级系统级系统级系统级n nAICAIC设计师应能在不同抽象级间自由切换设计师应能在不同抽象级间自由切换设计师应能在不同抽象级间自由切换设计师应能在不同抽象级间自由切换n n成功的高性能成功的高性能成功的高性能成功的高性能ICIC都是分工协作、优势汇总的结果，都是分工协作、优势汇总的结果，都是分工协作、优势汇总的结果，都是分工协作、优势汇总的结果，ICIC设计师需要学会协作设计师需要学会协作设计师需要学会协作设计师需要学会协作15 鲁棒性鲁棒性 (Robust) 设计设计 电路性能会随电路性能会随电路性能会随电路性能会随工艺、电源电压、温度工艺、电源电压、温度工艺、电源电压、温度工艺、电源电压、温度变化而改变变化而改变变化而改变变化而改变在指定的在指定的在指定的在指定的PVTPVT变化范围内，电路性能的变化应在变化范围内，电路性能的变化应在变化范围内，电路性能的变化应在变化范围内，电路性能的变化应在一个允许的范围内一个允许的范围内一个允许的范围内一个允许的范围内16 符符 号号n n信号信号信号信号n n直流偏置信号直流偏置信号直流偏置信号直流偏置信号n n交流小信号交流小信号交流小信号交流小信号n n总信号总信号总信号总信号= =直流偏置直流偏置直流偏置直流偏置+ +交流小信号交流小信号交流小信号交流小信号n n教材上教材上教材上教材上n n一般用大写字母表示信号量一般用大写字母表示信号量一般用大写字母表示信号量一般用大写字母表示信号量n n根据上下文判断出它属于哪一类信号根据上下文判断出它属于哪一类信号根据上下文判断出它属于哪一类信号根据上下文判断出它属于哪一类信号17 。