1模拟集成电路设计第1章 绪论董刚微电子学院2模拟集成电路设计q任课教师董刚 办公地点：老校区科技楼A710B：88202562Email：3课程概况q专业核心课程之一 4学分 4624学时q目标培养学生具有初步的CMOS模拟集成电路分析能力，了解模拟集成电路基本模块的分析方法和设计过程q答疑：课间或Email45模拟电路的分析与设计6集成电路的特点7集成电路设计的基本流程电路输入电路仿真版图编辑DRC和LVS寄生提取LPEGDSII源码输入逻辑仿真逻辑综合布局布线composerdraculadraculaHspiceVerilogVerilog-xlDesign CompilerSilicon Ensemble解剖照相拼图电路提取分析与仿真电原理图schematic版图layout芯片die后仿真制版和加工正向设计过程逆向电路提取8集成电路制造过程集成电路设计制版流水加工划片封装封装后的芯片裸片die硅圆片Wafer掩膜版MASK版图layout9CMOS集成电路的版图作用q芯片加工：从版图到裸片制版加工是一种多层平面“印刷”和叠加过程10教材和参考书P.Allen, D.Holberg, “CMOS Analog Circuit Design”B.Razavi, “Design of Analog Integrated Circuit Design” 电子工业出版社清华大学出版社西安交通大学出版社P.Gray, “Analysis and Design of Analog Integrated Circuits”高等教育出版社D.Johns, K.Martin, “Analog Integrated Circuit Design 机械工业出版社11教材和参考书电路设计与仿真-CMOS电路模拟与设计-基于Hspice 科学出版社其他搜集整理的资料12考核方式q总原则学到东西、相对公平q考核方式闭卷考试13授课内容绪论重要性、一般概念单级放大器无源/有源电流镜差动放大器放大器的频率特性噪声运算放大器反馈稳定性和频率补偿共源、共漏、共栅、共源共栅定性分析、定量分析、共模响应、吉尔伯特单元弥勒效应、极点与节点关系、各类单级放大器频率特性分析统计特性、类型、电路表示、各类单级放大器噪声分析、噪声带宽特性、四种反馈结构、负载影响、对噪声的影响性能参数、一级运放、两级运放、各指标分析多极点系统、相位裕度、频率补偿器件物理基础MOSFET结构、IV特性、二级效应、器件模型带隙基准源与电源无关、与温度无关、PTAT电流、恒Gm、速度与噪声基本/共源共栅/有源电流镜14本讲q研究模拟电路的重要性q模拟电路设计的难点q研究AIC的重要性q研究CMOS AIC的重要性q电路设计一般概念v抽象级别v健壮性设计v符号约定15为什么要研究模拟电路？q现代电路系统不可或缺的一部分v数字电路的信号处理能力不断增强v再强大也无法完全取代模拟电路在电路系统中的角色 RF、ESD、ADC、DAC、PLLq应用实例v自然界信号的处理v数字通信v磁盘驱动电路v无线接收器v光接收器v传感器v微处理器和存储器16自然界信号的处理q自然界信号是模拟量v声音、光、震动等速度、精度、功耗信号处理信号太小时需要先放大滤除信号频带外的干扰探测器输出17数字通信q电缆数据传输v长距离、高速时 有限带宽，大衰减，不适于高速远距离传输v解决办法？信号衰减、失真18数字通信q用下图示接收电路19数字通信q采用多电平传输以降低信号带宽v降低了发送和接收电路的带宽要求v发送端增加DAC，接收端用ADC识别20磁盘驱动电路q磁盘数据读取v磁性信号数据磁头电信号数据v读取方法：放大滤波数字化幅度仅几mV；有较大噪声和失真21无线接收器qRF接收器天线接收的信号v幅度仅几V，有很大干扰信号，中心频率1GHz以上对接收电路要求放大小信号，极低噪声抑制干扰信号高频工作功耗，成本等22光接收器q光纤数据传输v极高带宽，很低损耗，适用于高速、远距离传输v电信号数据光信号数据电信号数据（小电流）v接收电路要低噪宽带，以高速检出小信号1040Gb/s23传感器信号的处理电路q传感器系统v遍布生活各角落v力（加速度计），热（电子温度计），声（麦克风，超声系统），光（数码相机），磁（磁头），高能粒子（安检X光机）等q探测器信号的处理电路v放大、滤波、ADC、DSP、数据传输等24传感器信号的处理电路q加速度计探测器信号处理电路检测该电容绝对值的变化量1的改变量，高精度信号检出电路很难设计检测两个电容的差值降低信号检出电路的设计难度25微处理器和存储器q微处理器v典型的数字电路v高端CPU的设计离不开资深AIC设计师的参与 寄生电容/电阻/电感、封装等对电路性能指标（速度等）的影响 高速数据线、时钟线的时序正确v必须把很多数字信号当作模拟信号来考虑、处理q存储器v存储单元、灵敏放大器等都必须由AIC设计师设计。
高速、大规模存储器更是如此26结论q模拟电路是现代电路系统中必不可少的一部分q数字电路无法完全取代模拟电路q电子产业需要大量优秀的模拟电路设计师27本讲q研究模拟电路的重要性q模拟电路设计的难点q研究AIC的重要性q研究CMOS AIC的重要性q电路设计一般概念v抽象级别v健壮性设计v符号28模拟电路设计的难点在哪里？q设计关注点多：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q高精度模拟电路对低噪声、低串扰、抗干扰等要求很高；数字电路在这方面要求低很多q器件的二阶效应对电路性能影响大；对工艺参数变化的敏感度比数字电路高很多q设计的自动化程度低，很多靠手工设计；数字电路设计自动化程度高q模拟电路的建模和仿真难度大，对设计者经验和直觉的要求高q针对DIC加工工艺设计、加工的AIC会增加设计难度q数模混合会增大AIC的设计难度29本讲q研究模拟电路的重要性q模拟电路设计的难点q研究AIC的重要性q研究CMOS AIC的重要性q电路设计一般概念v抽象级别v健壮性设计v符号30模拟电路为什么要走向IC？q模拟电路的实现方式v在PCB板上，用分离元件搭建电路系统v在一个衬底上加工出各类基本元件并实现元件间的互连，构成整个电路系统AIC 集成度在逐年增加，特征尺寸逐年下降（Moore定律），能集成的电路规模在增大qAIC的优点v高集成度v高速度v高精度v低功耗v大批量时成本低31AIC的实现工艺q基于Si材料v双极工艺 核心元件为NPN、PNP晶体管vMOS工艺 核心元件为NMOS、PMOS晶体管 体硅工艺、SOI工艺等q基于其他材料vGaAs（极高迁移率，超高速）、锗等32本讲q研究模拟电路的重要性q模拟电路设计的难点q研究AIC的重要性q研究CMOS AIC的重要性q电路设计一般概念v抽象级别v健壮性设计v符号33用CMOS工艺实现AIC的优势？qCMOS工艺的核心元件MOSFETv金属-氧化物-半导体场效应晶体管v发明早（1930），在IC上实用晚（1960s初期）qCMOS工艺v发明于60年代中期v特点：低功耗、高集成度、制造成本低v首先用于DIC，再用于AIC34用CMOS工艺实现AIC的优势？q与双极工艺比q优点v输入阻抗大，加工成本低，低功耗，易于实现数模混合电路（是实现SOC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，双极只依赖于直流偏量）q缺点v低增益，速度慢（在改善，几十GHz），噪声大（也在改善）35本讲q研究模拟电路的重要性q模拟电路设计的难点q研究AIC的重要性q研究CMOS AIC的重要性q电路设计一般概念v抽象级别v健壮性设计v符号36抽象级别q抽象v从不同高度（角度）“观察”同一个事物q为什么要抽象？v我们关心的对象或感兴趣的程度是变化的v把复杂度控制在一定范围内q抽象级别v器件级v晶体管级（电路级）v结构级v系统级qAIC设计师应能在不同抽象级间自由切换q成功的高性能IC都是分工协作、优势汇总的结果，IC设计师需要学会协作37抽象级别38健壮性AIC设计q设计过程v设计要求确定工艺线设计、仿真流片加工测试分析q电路性能会随工艺、电源电压、温度变化而改变vPVTq健壮性AIC对PVT的变化敏感度低39符号q信号v直流偏置信号v交流小信号v总信号=直流偏置+交流小信号q教材上v一般用大写字母表示信号量v根据上下文很容易判断出它属于哪一类信号40总结q数字电路无法完全取代模拟电路，模拟电路是现代电路系统中必不可少的一部分q模拟电路设计的难点比数字电路不同v关注点、噪声和干扰、器件二阶效应、设计自动化程度、建模和仿真、工艺、数模混合qAIC具有高速度、高精度、低功耗、大批量时成本等优点q用CMOS工艺设计、加工AIC具有加工成本低、易实现数模混合等优点，被广泛采用41下一讲绪论重要性、一般概念单级放大器无源/有源电流镜差动放大器放大器的频率特性噪声运算放大器反馈稳定性和频率补偿共源、共漏、共栅、共源共栅定性分析、定量分析、共模响应、吉尔伯特单元弥勒效应、极点与节点关系、各类单级放大器频率特性分析统计特性、类型、电路表示、各类单级放大器噪声分析、噪声带宽特性、四种反馈结构、负载影响、对噪声的影响性能参数、一级运放、两级运放、各指标分析多极点系统、相位裕度、频率补偿器件物理基础MOSFET结构、IV特性、二级效应、器件模型带隙基准源与电源无关、与温度无关、PTAT电流、恒Gm、速度与噪声基本/共源共栅/有源电流镜。