模拟CMOS集成电路设计(拉扎维)——复旦大学学习课件

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1、课程摘要•采用当今流行的CMOS工艺，讨论模拟集成电路的分析和设计。模拟集成电路设计•建立模拟集成电路设计的基础----工艺和器件模型•讨论模拟集成电路分析、设计和仿真的原理–层次化、自下而上的分析方法。–直观的、基于简单分析模型的分析方法。–电路设计步骤–模拟工具的正确使用参考书绪论1.P.R.Gray“AnalysisandDesignofAnalog1.1模拟集成电路设计的特点IntegratedCircuits”1.2模拟集成电路应用2.BehzadRazavi“模拟CMOS集成电路设计”1.3模拟信号处理3.PhillipE.Allen“CMOS模拟集成电路设计”1.4混合信

2、号电路举例模拟集成电路的一般概念一般概念（续）•什么是模拟电路？•什么是模拟集成电路设计？–模拟信号–模拟信号的采样信号特定模拟电路、或系统的功能和性能设计成功的设计结果选择合适的集成电路工艺集成和分立模拟电路的区别模拟和数字集成电路的区别–电路的不同•器件制备在同一衬底上•模拟信号—数字信号；不规则的形状—规则的形状–器件具有相似的性能参数，易于匹配。–设计层次–器件参数由几何尺寸决定。•电路级—系统级•器件的品种和参数的限制–设计方法•全定制—标准单元–无源器件的面积大、参数的范围小、精度差。–器件参数的影响–MOS工艺中的Bipolar晶体管的品种少、性能差。•器件参数的连续性—

3、固定；精确的模型—时序模型；•采用计算机仿真验证•设计优化（trade-off/robusting）—软件编程–无法用电路试验板验证。•Dynamicrange受电源电压和噪声的限制—没有限制–计算机验证的直观性差，受仿真方法和器件参数的影–CAD响大。•难以利用自动设计工具模拟集成电路设计的特点模拟集成电路设计步骤•直观的设计电路设计–模拟设计的复杂性•在速度、功耗、增益、精度、电源电压、线性度等因素间折中•噪声、串扰、电源电压下降、温度对性能的影响大•模拟电路二级效益的建模和仿真存在难题。仿真不能发现所有设计问题。–解决方法：直观和经验设计物理版图设计•鲁棒设计根据工艺版图设计规则

4、设计器件、器件之间的互联、电源和时钟线的分布、与外部的连接。–电路性能随工艺、电源电压、温度而变化，–计算机模拟易于仿真在最坏条件下的电路性能电路测试电路制备后对电路功能和性能参数的测试验证。模拟集成电路设计步骤层次设计描述格式设计物理模型电路层次系统系统说明/仿真版图布局行为模型Matlab、ADMS…layout电路性能宏模型参数化模块/单元电路netlistMatlab…layout/simulation版图描述器件模型器件器件特性designrulespicemodel层次设计模拟集成电路的应用•模拟电路本质上是不可替代的系统开关电容电路、*VCO和PLL、*A/DD/A、–自

5、然界是“模拟”的•集成传感器、显示驱动•模数和数模转换复杂电路运算放大器、带隙基准、*比较器–数字信号经过传输后à模拟信号•无线和有线通讯•磁盘驱动简单电路单级放大器、差动放大器、电路偏置、电流镜电路–高速的数字信号à模拟信号•SRAM、DRAMCMOS工艺、器件物理、器件Spice参器件数、*版图设计、*电路模拟模拟集成电路的“蛋壳”模型2002年世界模拟IC市场模拟信号带宽的关系集成电路工艺的趋势对模拟电路而言，不同的应用对于不同的信号带宽MOS和BIPOLAR器件性能工艺进化对模拟电路的影响•优势–面积更小、寄生电容更小–阻抗更大、速度更快•劣势–沟道电阻下降、跨导下降–阈值电压

6、下降速度低于电源电压、信号幅度下降–噪声上升、动态幅度下降–更加非线性–更加偏离MOS的平方律电流特性、建模更难模拟信号处理系统中的模拟电路•预处理模块：•首先确定系统中的模拟和数字部分的划分–输入信号：传感器输出、语音信号、射频信号等•系统分成三个模块–滤波器(filter)：根据采样原理，限制输入模数转换器的信–预处理模块：将模拟信号转变为数字信号号带宽。–数字处理模块：数字信号处理(DSP)–自动增益控制电路(AGC)：控制模数转换器的输入信号的幅度，是一个可控增益放大器。–后加工模块：将数字信号转换为模拟信号–模数转换器(ADC或A/D)：将模拟信号转换为数字信号。–频率综合器

7、或锁相环(PLL)：提供信号采样的精确时钟。•后处理模块：–数模转换器：将数字信号转换为模拟信号。–放大：功率放大，提高驱动能力。–滤波器：平滑输出波形。举例—磁盘驱动器数字读/写通道磁盘驱动器中的模块电路(1)•输入信号：–信号由磁感应转换得到，经片外预放大器放大，为全差分模拟信号。•可变增益放大器(VGA)：–数字增益控制回路进行实时控制•低通滤波器(low-passfilter)：–Gm-C滤波器，具有2零点7极点。–零极点的相对位置可编