第四章 集成电路设计

第四章 模拟集成电路设计
教学目的和要求 1、了解集成电路设计流程和集成电 路设计的基本方法。 2、学习基于Pspice仿真软件的器件 级模拟电路的设计方法。 3、了解常用的集成电路设计的技术。
第一节 集成电路设计流程与实现方法
一、集成电路设计的思路 1、集成电路的设计要求：根据电路功能 和性能的要求，在正确选择系统配置、电路 形式、器件结构、工艺方案和设计规则的情 况下，尽量减小芯片面积，降低设计成本， 缩短设计周期，以保证全局优化，设计出满 足要求的集成电路。集成电路设计的最终输 出结果是掩膜版图，通过制版和工艺流片可 以得到所需要的集成电路。
第二节 模拟集成电路系统设计
集成运放的内部电路组成原理框图如3.2.1
+
vid
-
差分输 入级
电压 放大
输出级
v0
偏置电路
输入级:由差分式放大电路组成，其对称特 性可以提高电路的共模抑制比和其它方面的性 能，它的两个输入端构成整个电路的反相输入 端和同相输入端。 中间级：由电压放大级、偏置电路组成， 同时还要完成电平移动电路等辅助功能。电压 放大级的主要功能是提高电压增益，它可由一 级或多级放大电路组成。偏置电路是为各级提 供合适的工作电流，常由各种电流源电路组成。 输出级：一般由电压跟随器或互补电压跟随 器所组成，以降低输出电阻，提高带负载能力， 同时输出级还包括适当的过载保护电路等。
（2）逻辑设计 概念：指确定满足一定逻辑功能的由 逻辑单元组成的逻辑结构，其输出一般是网 表和逻辑图。 逻辑综合的原则：根据一个系统（子系统） 与性能的要求，在一个包含众多结构、功能、 性能均已知的逻辑元件的逻辑单元库的支持 下，寻找出一个逻辑网络结构的最佳的（至 少是较佳的）实现方案。包括两个方面内容： i)逻辑结构的生成与优化； ii)逻辑网络的性 能优化。
平衡输出共模电压增益为：
CMRR
Ad 2 CMRR Ac 2
Ad 2 Ac 2 2 RE 1 re1 Rc1 re1 12 Rc1 2 RE
2 RE 1 re1 Rc1 re1 2 1 Rc1 2 RE
（4）共射差分级跨导Gm 跨导:是指输入电压变化dVid引起集电 极电流变化dIc，用公式表示为：

0

0

R0 r0 1 g m r // RE 1 g m RE 得 : R0 r0 g m RE 1
二、双极集成运放输入级 参数补偿原理:是指依靠电路的对称性设法 使集成运放一些重要参数，如失调电压、失调电 流以及失调参量随温度、时间变化尽可能达到最 小。
图3.2.6是差模输入混Л模型等效电路
差分放大器差模电压增益为:
单端输出 双端输出
Ad单 Ad双
V01 Rc Vd 2re V01 V02 Rc Vd re
（2）差分放大器共模电压增益
当差分放大器两个输入端输入两个幅 度相等，相位相同的输入信号Vi1= Vi2= ViC=时，则称之为共模输入。由于两个输 入信号幅度相同，相位也相同，因而它们 在RE上的信号电流大小、方向都相同，其 结果在RE上的信号压降为2I△eRE，这样 共模输入时，差分放大器可以等效成两个 独立的，具有射极反馈电阻为2RE的单管 放大器，如图3.2.7所示。
6、逻辑单元阵列法：又被称为 FPGA（现场可编程门阵列），是主要 的在系统可编程技术实现的物理基础。 它也是直接可以从市场上购得的产品， 经设计人员通过开发工具对其进行“编 程”来实现特定的逻辑功能。 它内部配置有：可编程的逻辑功能模 块，可编程的连线资源和可编程输入/输 出功能模块。 特点：现场可编程，可实现比PAL、 GAL器件更强的功能。
（6）差分放大器失调电压VOS 图3.2.9 差分放大器失调电压
Vos KT 1 Rc1 A1 I 2 ' q 1 Rc1 A1 I es1
' es1

（7）差分放大器输入失调电流IOS 输入失调电流指输出直流电压为零时， 两个输入端基极偏置电流之差，即输入失调 电流。即:IOS=Ib1-Ib2
40I e n 1 单位 : I e A Gm1 1 26I e n 1.5 单位 : Gm1 M
n为修正因子,小电流时n=1.5,大电流时n=1
平衡输出时,共射差分用跨导表示:
40I e Rc Ad 1 26I e Rc
n 1 n 1.5
I os I b1 I b 2 I b

1
1
RRcc11

I os I b1 I b 2 I
1 b 1


Rc1 Rc1

（8）差分输入级输入失调电压温漂 失调电压温漂是输入失调电压VOS随温 度的变化。
dVos VBE 2 K Rc1 KT 2 1 dT T T Rc1 q 其中: 为基区扩散电阻温度系 数
（4）版图设计 概念：根据逻辑与电路功能和性能要求 以及工艺条件的限制（如：线宽、间距、 制版设备所允许的基本图形等），设计集 成电路制造过程中所需的光刻掩膜版图。 单元库中的版图是对应于某一具体工艺 的，因此，一般都能满足设计规划，在人 工调整时，要特别注意设计规划。 版图设计与集成电路制造工艺技术紧密 相连，是集成电路设计的最终目标。
图3.2.7 共模输入等效电路
Vi2
图3.2.8 共模输入混Л等效电路
单管电压增益为:
共模电压 单端输出 增益为:
双端输出
Ac单 Ac双
V01 Rc Vic re 2 RE V01 V02 0 Vic
（3）共模抑制比CMRR
“共模抑制比” 定义为：差模电压增益 Ad与共模电压Ad增益之比。
版图 设计
统 一 据 库
生产定型
（1）系统功能设计 概念：系统功能设计是最高一级的设 计，主要是指根据所设计系统的要求（包 括芯片的功能、性能、尺寸、功耗等）， 进行功能划分和数据流、控制流的设计， 完成功能设计。 功能块划分的原则是：既要使功能块之 间的连线尽可能地少，接口清晰，又要求 功能模块规模合理，便于各个功能块各自 独立设计。
其中: 为基区扩散电阻温度系 数 dVos VBE 2 K Rc1 KT 2 1 dT T T Rc1 q
所谓“热对称”设计就是在版图设计 时，把输出级所有功耗存在较大变化的元 器件，以硅片中心线为基准而对称分布。
2、共集——共基（CC—CB）差分输入级
特点：利于有源负载， 替代第一代集成运放的电阻 负载，提高了输入级的电压 增益。复合差分输入级， 由于采用β高的npn晶体管 和共基接法的pnp管组成输 入级，既提高了运放的输入 阻抗，又改善了横向pnp管 的频响特性。
第三节 电路基本模块设计 （设计方案选择）
一Байду номын сангаас准备知识
1、共射双极晶体管放大器混小信号模型
图3.2.2为共射单管放大器混小信号模型等效 电路。
图中：
rx r 200
' bb
VT (m V) r 1 re gm 1 r0 VA re
I E (m A)
VT , rin rx r I c I c
（3）电路设计 概念：根据所要求的电路性能，例如：速度、 功耗、电源电压、逻辑操作类型、信号电平的容 限、电路工作频率、放大倍数等确定电路的结构 和各元器件的参数；同时应考虑工艺上可能发生 的偏差和使用时温度的变化等，使设计的电路仍 然能达到规定的性能。 数字电路：将门级电路元件细化为电路级元 件。 模拟电路：在行为仿真通过后，由设计人员 结合自己的设计经验进行电路设计，（建议用成 熟的功能模块为基础，适当进行必要的调整）。
二、集成电路的设计流程
1、概念 （1）自顶向下设计：运用分层分级设计 和模块化设计原理，将一个复杂的集成电路 逐级到单元功能足够简单，可以进行高效设 计的设计级别，每一级所要完成的功能及上 一级与下一级的接口均有严格规定的设计。 （2）综合：指通过附加一定的约束条件 从高一级设计层次直接转换到低一级设计层 次的过程。 （3）模拟：对实际电路系统加以抽象， 提取其模型输入计算机，然后给定输入激励 号，利用该模型计算出各节点和输出端的信 号，验证设计其功能和性能的过程。
1、共射差分输入级——第一代集成运 放输入级,其电路形式如图3.2.4所示:
图3.2.4 共射差分输入
图3.2.5差分输入等效电路
（1）差分放大器差模电压增益 Vd Vd 设 : Vi1 , Vi 2 2 2 则差模输入电压:
Vi1 Vi 2 Vd
差模输入时,在RE上的电流变化为0,共 射差分放大器可看成两个独立的RE=0的共 射单管放大器，如图3.2.5。
-----采用有源负载是第二代 集成运放的重要标志。
（2）共集——共基复合差分级电压增益 n 1 I c 3 A 20I c 3 RL1 Ad 1 Gm1 RL1 n 1.5 RL1 M 13I c 3 RL1 RL是输入有效负载
三、集成电路设计实现方法
1、全定制法：是一种基于晶体管级的 设计方式。设计者使用版图编辑工具，从 晶体管的版图尺寸，位置及互连线开始设 计。要求设计者对电路、逻辑、结构等各 个层次进行精心的设计。
特点：芯片工作效率高，速度快，功耗低， 面积小，但设计周期长，开发阶段投资风险大。
2、定制法：（又称库单元法）：基于事先 精心设计并存在单元库中的单元电路而设计的 方法。在设计时，设计者根据电路要求，从库 中调出所需单元电路和压焊块，进行自动布局 和布线，最后得到被设计电路的掩膜版图。 整个设计工作都由制造商完成，通常分为两大 类：a)标准单元法；b）通用单元法。 特点：芯片效率较高，设计上的自由度较 大，芯片中没有无用的单元或晶体管，芯片面 积较小。