单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,模拟集成电路设计原理,模拟集成电路设计原理,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,设计原理。,建立模拟集成电路设计的基础,-,工艺和器件模型,模拟集成电路分析、设计和仿真的方法,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,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,2,参考书,P.R.Gray,“Analysis,and Design of Analog Integrated,Circuits”,2.,Behzad Razavi,“,模拟,CMOS,集成电路设计”,3.,Phillip E.Allen,“CMOS,模拟集成电路设计”,其它参考书：,Alan Hastings,“The,Art of Analog Layout”,R.J.Baker,“CMOS:,混合信号电路设计”,David A John,、,Ken Martin,“Analog,Integrated Circuits,Design”,HSPICE Users Manual”,1.,参考书 P.R.Gray“Analysis and D,3,考核标准和联系方式,考核标准,平时作业,设计课题,期中练习,期末,联系方式,15%,15%,15%,55%,考核标准和联系方式考核标准15%,4,导论,1.1,模拟集成电路设计的特点,层次化设计,设计步骤,鲁棒（,robust,）设计,1.2,模拟集成电路的应用,1.3,模拟信号处理,1.4,混合信号电路举例,导论1.1 模拟集成电路设计的特点层次化设计1.2 模拟集成,5,模拟集成电路的一般概念,什么是模拟电路？,模拟信号,模拟信号的采样信号,模拟集成电路的一般概念什么是模拟电路？模拟信号,6,一般概念（续）,什么是模拟集成电路设计？,特定模拟电路、或系统,的功能和性能,设计,选择合适的集成电路,工艺,成功的设计结果,一般概念（续）什么是模拟集成电路设计？特定模拟电路、或系统设,7,模拟集成电路设计步骤,电路设计,物理版图设计,根据工艺版图设计规则设计器件、器件之间的互联,电源和时钟线的分布,与外部的连接,电路测试,电路制备后对电路功能和性能参数的测试验证,产品开发,模拟集成电路设计步骤电路设计物理版图设计电路测试,8,层次设计,描述层次,设计,电路层次,系统,系统说明,/,仿真,Matlab,、,ADMS,电路性能,netlist,/simulation,版图布局,layout,参数化模块,/,单元,layout,行为模型,物理,模型,电路,宏模型,Matlab,器件,器件特性,版图描述,design rule,器件模型,spice model,层次设计描述层次设计电路层次系统 系统说明/仿真 电路性能版,9,层次设计,结构,开关电容电路、*,VCO,和,PLL,、,*,A/D D/A,、,复杂电路,运算放大器、带隙基准、*比较器,简单电路,单级放大器、差动放大器、电路偏置、电流镜电路,器件,CMOS,工艺、器件物理、器件,Spice,参数、,*版图设计、*电路模拟,层次设计结构开关电容电路、*VCO和PLL、*A/D D/,10,模拟集成电路设计步骤,设计要求描述,设计定义,电路设计,与设计指标比较,执行设计,仿真,物理层设计,物理层设计,物理层验证,提取寄生参数,芯片设计,测试和产品开发,芯片制造,测试和验证,产品生产,与设计指标比较,模拟集成电路设计步骤设计要求描述设计定义电路设计与设计指标比,11,集成和分立模拟电路的区别,器件制备在同一衬底上,器件具有相似的性能参数，易于匹配。,器件参数由几何尺寸决定。,器件的品种和参数的限制,无源器件的面积大、参数的范围小、精度差。,MOS,工艺中的,Bipolar,晶体管的品种少、性能差。,采用计算机仿真验证,无法用电路试验板验证。,计算机验证的直观性差，受仿真方法和器件参数的影响大。,集成和分立模拟电路的区别器件制备在同一衬底上器件具有相似的性,12,模拟和数字集成电路的区别,电路的不同,模拟信号,数字信号；不规则的形状,规则的形状,设计层次,电路级,系统级,设计方法,全定制,标准单元,器件参数的影响,器件参数的连续性,固定；精确的模型,时序模型；,设计优化（,trade-off,/robusting,）,软件编程,动态范围（,Dynamic,range,）受电源,/,噪声限制,没有限制,CAD,难以利用自动设计工具,模拟和数字集成电路的区别电路的不同模拟信号数字信号；不规则,13,模拟集成电路设计的特点,直观的设计,模拟设计的复杂性,设计参数多,速度、功耗、增益、精度、电源电压、线性度等参数,不同参数间的折中,设计难度大,高性能电路设计难点,噪声、串扰、电源电压下降等,温度对性能的影响大,器件二级效应对性能的影响大,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,模拟集成电路设计的特点直观的设计模拟设计的复杂性设计参数多速,14,鲁棒设计,鲁棒设计,电路性能随工艺、电源电压、温度而变化,器件模型参数的改变,阈值电压、二级效应参数,工艺角参数,TT,、,FF,、,SS,、,FNSP,、,SNFP,电源电压对器件工作区的影响,电压变化范围：,20%,温度的范围,室温：,25,度、或,50,度,民品、军品,计算机模拟易于仿真在最坏条件下的电路性能,鲁棒设计鲁棒设计电路性能随工艺、电源电压、温度而变化器件模型,15,模拟集成电路的应用,模拟电路本质上是不可替代的,自然界是“模拟”的,声、光、电等模拟量,模数和数模转换,模拟集成电路的应用模拟电路本质上是不可替代的自然界是“模拟”,16,模拟集成电路的应用,集成传感器系统,传感器感知或探测模拟信号,声音（麦克风、超声波系统）、力（地震仪、加速度计）、热,（电子温度计）、光（数码相机）、磁（磁盘驱动）,探测器感知的信号很弱,麦克风、地震仪的电压：几毫伏,几百毫伏,视频照相机的电流：每毫秒几个电子,探测器信号处理电路,放大、滤波、数据转换、信号处理、信号传输,模拟集成电路的应用集成传感器系统传感器感知或探测模拟信号麦克,17,模拟集成电路的应用,汽车电子应用,加速度计,探测可变电容器的改变量：,1%,探测单电容值的改变,探测单电容之差的改变,模拟集成电路的应用汽车电子应用加速度计探测可变电容器的改,18,模拟集成电路的应用,数字通信应用,数字信号经过传输后 模拟信号,有线通讯,电缆传输,衰减、串扰、回波,模拟集成电路的应用数字通信应用数字信号经过传输后 模拟信号衰,19,模拟集成电路的应用,采用多电平信号已降低所需的带宽,降低了收发电路的带宽要求,数据转换的精度提高,模拟集成电路的应用采用多电平信号已降低所需的带宽降低了收发电,20,模拟集成电路的应用,无线接收,接收信号很弱,几毫伏、,干扰大、,中心频率高,接收信号处理,放大信号,降低噪声,抑制干扰,高频工作,功耗和成本,模拟集成电路的应用无线接收接收信号很弱几毫伏、接收信号处理放,21,模拟集成电路的应用,磁盘驱动,通过磁头将磁信号转换成电信号：几毫伏,放大、滤波、数据转换,高速数据转换：,500,兆赫兹,模拟集成电路的应用磁盘驱动通过磁头将磁信号转换成电信号：几毫,22,模拟集成电路的应用,光通信,光缆传输,极高带宽、极低损耗,高速、远距离传输,信号转换,电信号,光信号,电信号：极小的电流,低噪声、高速接收电路,模拟集成电路的应用光通信光缆传输极高带宽、极低损耗高速、,23,模拟集成电路的应用,高速的数字信号 模拟信号,微处理器,高速的时钟,高速的数据传输,寄生效应对性能的影响,SRAM,、,DRAM,高速的数据读写,巨大的储存单元阵列造成的寄生,灵敏的读出电路,模拟集成电路的应用高速的数字信号 模拟信号微处理器高速的时钟,24,模拟集成电路的“蛋壳”模型,模拟集成电路的“蛋壳”模型,25,2019,年世界模拟,IC,市场,2019年世界模拟IC市场,26,模拟信号带宽的关系,对模拟电路而言，不同的应用对于不同的信号带宽,模拟信号带宽的关系对模拟电路而言，不同的应用对于不同的信号带,27,集成电路工艺的趋势,集成电路工艺的趋势,28,MOS,和,BIPOLAR,器件性能,MOS和BIPOLAR器件性能,29,工艺进化对模拟电路的影响,优势,面积更小、寄生电容更小,跨导更大、速度更快,劣势,沟道电阻下降（增益下降）,阈值电压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,工艺进化对模拟电路的影响优势面积更小、寄生电容更小劣势沟道电,30,模拟信号处理,首先确定系统中的模拟和数字部分的划分,系统分成三个模块,预处理模块：将模拟信号转变为数字信号,数字处理模块：数字信号处理,(DSP),后加工模块：将数字信号转换为模拟信号,模拟信号处理首先确定系统中的模拟和数字部分的划分预处理模块：,31,系统中的模拟电路,预处理模块：,输入信号：传感器输出、语音信号、射频信号等,滤波器,(filter),：根据采样原理，限制输入模数转换器的信号带宽。,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。,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。,系统中的模拟电路预处理模块：输入信号：传感器输出、语音信号、,32,举例,磁盘驱动器数字读,/,写通道,举例磁盘驱动器数字读/写通道,33,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-pass,filter),：,Gm-C,滤波器，具有,2,零点,7,极点。,零极点的相对位置可编程。,具有高频下增益提升功能。,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，,34,低通滤波器的频率响应,调节,Gm-C,滤波器频率响应的方法,对电容值,C,进行数字控制,可编程,对跨导,Gm,进行调节：,单极点低通,Gm-C,滤波器,Gm,由偏置电流或电压确定，易受工艺、温度和电源电压变化的影响,低通滤波器的频率响应调节Gm-C滤波器频率响应的方法对电容值,35,低通滤波器的频率响应,利用,PLL,得到精确的控制电压,PLL,可得到精确的频率。,PLL,的频率和振荡器,(VCO),的特征时间常数成反比。,C/Gm,低通滤波器中的电路和,VCO,的电路是匹配的。,低通滤波器的频率响应利用PLL得到精确的控制电压PLL可得到,36,磁盘驱动器中的模块电路（,2,）,模数转换器,(ADC),6,位,ADC,，,由,VCO,提供采样时钟。采样频率由数字时钟恢复电路控制。,偏移控制：采集,63,个比较器的失调电压，反馈到输入端，抵消由,此引起的失真。,数字信号处理,有限脉冲响应,(FIR,）滤波器或均衡器。峰值检测、定时控制和增,益控制。,时序检测和,Viterbi,解码、,RLL,解码、解扰码。,对于写（发送）：扰码、,RLL,编码、驱动,/DAC/filter,磁盘驱动器中的模块电路（2）模数转换器(ADC)6位ADC，,37,磁盘驱动器中的模块电路（,3,）,写（发送）,扰码、,RLL,编码、驱动,/DAC/filter,磁盘驱动器中的模块电路（3）写（发送）扰码、RLL编码、驱动,38,小结,什么是模拟集成电路设计，模拟集成电路设计和分立模拟,电路与数字电路设计的区别，设计的难点。,设计步骤和直观的、层次的、鲁棒的设计。,模拟集成电路的应用、不同的信号带宽和工艺对模拟