经典模拟集成电路设计基础
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模拟集成电路版图基础
Module 3 模拟集成电路版图基础
模拟集成电路版图基础
Lab3-1 CMOS 无源器件结构与版图 • 知识单元： • 1、电阻 • 2、电容 • 3、电阻和电容画法实例
模拟集成电路版图基础
一、电阻：1、方块电阻
• 方块电阻测量方法： – 用poly 来做一个电阻，先做一个正方形，长，宽相等。通过在其两端加 电压，测量电流的方法，可以得到它的阻值。
• 电阻并联： – 会达到什么结果呢？200ohms。把四个200ohms 的方块组合成一 个更大的方块，可以同样得到200ohms 的电阻值。可以把这个方 块越做越大，但最终测得电阻值将始终为200ohms。
• 对于不同大小的方块来说，阻值是一样的。由此可以用每方块多少电 阻来讨论电阻大小（200ohms/squares）。只考虑方块数，所有相同 材料的方块有相同的电阻值。
模拟集成电路版图基础
3．其他类型电阻
• N+电阻：
– 无需增添任何新的掩模版或层，只是用原先已有的其 他层来替代poly，就可以获得很多种电阻类型。
• P+电阻：
– 一般来说是做在nwell 中，因此必须增加第三个的端点 连接nwell，而且必须连接到最正的电平，一般来说是 vdd。这样可以防止寄生PN 结的影响。
模拟集成电路版图基础
扩散电阻与Poly电阻对比
• 使用工艺中已有的层来做电阻，做一些较小的修 改就可以得到所需要的方块电阻。扩散电阻和 Poly 电阻的一样，也要考虑delta 效应的影响。 扩散电阻是做在衬底上的，因此在边缘变化比较 大，工艺上不那么好控制。而且在做的时候必须 注意第三个端点的连接。
模拟集成电路版图基础
直接nwell电阻
• 直接nwell电阻： – 只不过需要2 个N+作为电阻头。 – 对于较大的阻值的电阻可用nwell 来做。 – Nwell 掺杂低，经过光照，电阻值会降低，呈现不稳定 的现象。 • 处理方法：在nwell 上覆盖金属，并将其电位接到电 源电压上，若无法接到电源电压时，可将其接到电 阻两端较高电位端。 • 在nwell 电阻四周加电源电压，以降低电压系数。当 well 电阻要接到pad，则必须于外围环绕pseudo collector，电位接到地，以防止其对其他的电路造 成latch-up。
模拟集成电路版图基础
Lab3-1 CMOS 无源器件结构与版图 • 知识单元： • 1、电阻 • 2、电容 • 3、电阻和电容画法实例
模拟集成电路版图基础
一、电阻：1、方块电阻
• 方块电阻测量方法： – 用poly 来做一个电阻，先做一个正方形，长，宽相等。通过在其两端加 电压，测量电流的方法，可以得到它的阻值。
• 电阻并联： – 会达到什么结果呢？200ohms。把四个200ohms 的方块组合成一 个更大的方块，可以同样得到200ohms 的电阻值。可以把这个方 块越做越大，但最终测得电阻值将始终为200ohms。
• 对于不同大小的方块来说，阻值是一样的。由此可以用每方块多少电 阻来讨论电阻大小（200ohms/squares）。只考虑方块数，所有相同 材料的方块有相同的电阻值。
模拟集成电路版图基础
3．其他类型电阻
• N+电阻：
– 无需增添任何新的掩模版或层，只是用原先已有的其 他层来替代poly，就可以获得很多种电阻类型。
• P+电阻：
– 一般来说是做在nwell 中，因此必须增加第三个的端点 连接nwell，而且必须连接到最正的电平，一般来说是 vdd。这样可以防止寄生PN 结的影响。
模拟集成电路版图基础
扩散电阻与Poly电阻对比
• 使用工艺中已有的层来做电阻，做一些较小的修 改就可以得到所需要的方块电阻。扩散电阻和 Poly 电阻的一样，也要考虑delta 效应的影响。 扩散电阻是做在衬底上的，因此在边缘变化比较 大，工艺上不那么好控制。而且在做的时候必须 注意第三个端点的连接。
模拟集成电路版图基础
直接nwell电阻
• 直接nwell电阻： – 只不过需要2 个N+作为电阻头。 – 对于较大的阻值的电阻可用nwell 来做。 – Nwell 掺杂低，经过光照，电阻值会降低，呈现不稳定 的现象。 • 处理方法：在nwell 上覆盖金属，并将其电位接到电 源电压上，若无法接到电源电压时，可将其接到电 阻两端较高电位端。 • 在nwell 电阻四周加电源电压，以降低电压系数。当 well 电阻要接到pad，则必须于外围环绕pseudo collector，电位接到地，以防止其对其他的电路造 成latch-up。
模拟集成电路版图设计基础
三、版图与线路图、工艺的关系
• 1、逻辑图（线路图）------版图-----工艺（流片，形成实物产品） • 2、版图决定于线路图，版图必须和线路图完全一一对应，
根据版图提出的线路图，必须完全实现需求的逻辑功能 • 3、版图受工艺的限制，要么按照特征尺寸画版图，
要么对应具体工艺的特征长度，给出每一种情况的具体数值 • 4、版图的两大任务：
4.相关设置
七、如何绘制版图
5.从原理图将器件导入版图 • 待前面基本设置完成之后便可从原理图将器件导入版图中 • 导入后版图中的器件排布位置和原理图中一致 • 有三种方法可以完成导入
七、如何绘制版图
6.连接器件（常用快捷键）
七、如何绘制版图
6.连接器件（常用快捷键）
七、如何绘制版图
7.实际操作
NMOS晶体管的3倍。 • 两种晶体管的长度看似相同，但却不同，我们很难辨别它们的差异； • 对于N阱来说，N＋区域实际上是与VDD相连接的，而电路图中没有显
示这一连接关系； • 对于衬底来说，P＋区域实际上是与VSS相连接的。而电路图中没有显
示这一连接关系。
七、如何绘制版图
1.需要的软件工具
七、如何绘制版图
光刻胶 Si3 N4
（1）对P型硅片进行氧化， 生成较 薄 的 一 层 Si3N4 ， 然 后进 行 光 刻 ， 刻出有源区后进行场氧化。
紫外线照射
掩膜版 掩膜版图形
P-Si
Si3 N4
P-Si
Si3 N4
P-Si
SiO2
集成电路工艺基础
P-Si (b)
P-Si (c)
P-Si
N＋ (d )
多晶硅 0.5 ～2m
3.1 匹配中心思想 3.2 匹配问题 3.3 如何匹配 3.4 MOS管 3.5 电阻 3.6 电容 3.7 匹配规则
第七章-MOS管模拟集成电路设计基础
右图所示的是威尔电流 镜的改进结构。由M4构成的 有源电阻“消耗”了一个VGS， 使M2、M3的源漏电压相等。 如果M1和M2的宽长比相同， 从M1、M2的栅极到M2、M3 的源极的压差为2VGS2，如果 M2、M3相同，则M4的栅源 电压就为VGS2，使M3管的源 漏电压和M2的源漏电压相 同，都为VGS2。这样的改进 使参考支路和输出支路电流 以一个几乎不变的比例存在。
图7.3.2 NMOS威尔逊电流镜
M2在电路中相当于一个串联电阻(有源电阻)，构成电流串联负反馈。M3 的漏节点提供了M1的偏置电压，如果因为某种原因使输出电流Io增加，这个增 加了的电流同时也将导致M2的VGS2增加，使得M1的栅源电压VGS1减小，从而 使电流减小。反之，如果某种原因使Io减小，同样也会因M2的作用阻止电流变 小。正是因为M2的电流串联负反馈的作用，使Io趋于恒流，提高了交流输出电 阻。
（a）NMOS管
（b）PMOS管 图7.2.1 有源电阻
1、电流偏置电路
在模拟集成电路中，电流偏置电路的基本形式是电流
镜。所谓的电流镜是由两个
或多个并联的相关电流
支路组成，各支路的电
流依据一定的器件比例
关系而成比例。
1) NMOS基本电流镜
NMOS基本电流镜
由两个NMOS晶体管组
成，如图7.3.1所示。
图(a)，V1=VGS1，V2=VGS1+VGS2；图(b)是一个CMOS的分压器结构，它的分压原 理与NMOS并没有什么区别，它的Vo也可以用上式计算。
图6点，那就是它们的输出电 压值随着电源电压的变化将发生变化。究其原因是因为电漏电压的 波动直接转变为MOS晶体管的VGS的变化。如果电源电压的波动能够被 某个器件“消化”掉，而不对担当电压输出的VGS产生影响就可以使 输出电压不受电源电压波动的影响。
模拟集成电路设计精粹
该书将模拟集成电路设计中的重要概念以直观形象的语言进行描述，使得读 者可以更好地理解这些概念。例如，作者在介绍MOST器件时，通过对其工作原理 的详细阐述，使读者可以更好地理解该器件的特性；在介绍BJT器件时，通过对 其电流电压关系的描述，使读者可以更好地理解该器件的运作方式。
该书还侧重介绍了与现代集成电路工艺相关的最新电路的研究方向和热点。 例如，在介绍放大器设计时，作者不仅介绍了传统的放大器设计方法，还介绍了 最新的集成电路工艺中使用的放大器设计方法，使得读者可以了解最新的技术发 展趋势。
这本书的作者首先对MOST和BJT两种器件模型进行了深入的分析和比较。这 两种模型是模拟集成电路设计的基础，对它们的理解深度直接影响到设计师的设 计能力和效率。作者对这两种模型的深入阐述，让我对它们的理解和应用有了更 清晰的认识。
随后，作者以此为两条线索，分别介绍了相应的基本单元电路和各类放大器 的详细分析。这里的内容让我对模拟集成电路的基本构成和功能有了更深入的理 解，也让我对放大器的工作原理和设计方法有了全新的认识。
作者简介
作者简介
这是《模拟集成电路设计精粹》的读书笔记，暂无该书作者的介绍。
感谢观看
《模拟集成电路设计精粹》是一本理论与实践相结合的书籍，它既为初学者 提供了入门的知识，也为经验丰富的工程师提供了宝贵的参考。这本书的，无疑 将推动模拟集成电路设计领域的发展，并为从业人员提供了一本不可或缺的工具 书。无论大家是工程师、研究人员还是学生，都可以从这本书中获得启发和帮助。
阅读感受
在我作为一名电子工程师的生涯中，我深深地理解到，模拟集成电路设计是 一种艺术，更是一种科学。在我最近阅读的《模拟集成电路设计精粹》一书中， 我得到了许多宝贵的启示和深入的理解。
《模拟集成电路设计》教学大纲
《模拟集成电路设计》课程教学大纲一、课程基本信息1、课程编码：2、课程名称（中/英文）：模拟集成电路设计/ Design of Analog integrated Circuits3、学时/学分：56学时/3.5学分4、先修课程：电路基础、信号与系统、半导体物理与器件、微电子制造工艺5、开课单位：微电子学院6、开课学期（春/秋/春、秋）：秋7、课程类别：专业核心课程8、课程简介（中/英文）：本课程为微电子专业的必修课，专业核心课程，是集成电路设计方向最核心的专业课程之一。
本课程主要介绍典型模拟CMOS集成电路的工作原理、设计方法和设计流程、仿真分析方法，以及模拟CMOS集成电路的最新研发动态。
通过该课程的学习，将为学生今后从事集成电路设计奠定坚实的理论基础。
9、教材及教学参考书：教材：《模拟集成电路设计》，魏廷存，等编著教学参考书：1）《模拟CMOS集成电路设计》（第2版）.2）《CMOS模拟集成电路设计》二、课程教学目标本课程为微电子专业的必修课，专业核心课程，是集成电路设计方向最核心的专业课程之一。
通过该课程的学习，将为学生今后从事集成电路设计奠定坚实的理论基础。
本课程主要介绍典型模拟CMOS集成电路的工作原理、设计方法和设计流程、仿真分析方法，以及模拟CMOS模拟集成电路的最新研发动态。
主要内容有：1）模拟CMOS集成电路的发展历史及趋势、功能及应用领域、设计流程以及仿真分析方法；2）CMOS元器件的工作原理及其各种等效数学模型（低频、高频、噪声等）；3）针对典型模拟电路模块，包括电流镜、各种单级放大器、运算放大器、比较器、基准电压与电流产生电路、时钟信号产生电路、ADC与DAC电路等，重点介绍其工作原理、性能分析（直流/交流/瞬态/噪声/鲁棒性等特性分析）和仿真方法以及电路设计方法；4）介绍模拟CMOS集成电路设计领域的最新研究成果，包括低功耗、低噪声、低电压模拟CMOS集成电路设计技术。
集成电路版图设计基础第五章：模拟IC版图
电源分布是版图设计中非常重要 的一个环节，它涉及到如何合理 地分布电源网络，以保证电路的
稳定性和性能。
常用的电源分布技术包括电源网 格、电源岛和电源总线等，这些 技术可以有效减小电源网络的阻
抗和减小电压降。
热设计
在模拟IC版图设计中，热设计 是一个不可忽视的环节，它涉 及到如何有效地散热和防止热 失效。
验证与测试
功能验证
通过仿真测试或实际测试，验证版图实现的电路功能是 否正确。
时序验证
检查电路时序是否满足设计要求，确保电路正常工作。
ABCD
性能测试
对版图实现的电路进行性能测试，包括参数、频率、功 耗等方面的测试。
可测性、可维护性和可靠性测试
对版图进行测试，验证其在测试、维修和可靠性方面的 表现是否符合要求。
02
模拟IC版图设计流程
电路设计
确定设计目标
根据项目需求，明确电路 的功能、性能指标和限制 条件。
选择合适的工艺
根据电路需求，选择合适 的工艺制程，确保电路性 能和可靠性。
电路原理图设计
使用电路设计软件，根据 电路功能和性能要求，设 计电路原理图。
参数提取与仿真验证
对电路原理图进行仿真验 证，提取关键参数，确保 电路性能满足设计要求。
版图布局
确定版图布局方案
模块划分与放置
根据电路原理图和工艺制程要求，确定合 理的版图布局方案。
将电路原理图划分为若干个模块，合理放 置在版图上，确保模块间的连接关系清晰 、简洁。
电源与地线设计
考虑可测性、可维护性和可靠性
合理规划电源和地线的分布，降低电源和 地线阻抗，提高电路性能。
在版图布局时，应考虑测试、维修和可靠 性等方面的需求。
模拟集成电路设计经典教材
1、 CMOS analog circuit design by P .E.ALLEN评定：理论性 90 实用性 70 编写100精彩内容：运放的设计流程、比较器、开关电容这本书在国内非常流行， 中文版也翻译的很好， 是很多人的入门教材。
建议大家读影印版， 因为 ic 领域的绝大部分文献是以英文写成的。
如果你只能读中文版，你的学习资料将非常有限。
笔者对这本书的评价并不高，认为该书理论有余，认为该书理论有余，实用性实用性不足，在内容的安排上也有不妥的地方，比如没有安排专门的章节讲述反馈， 在小信号的计算方面也没有巧方法。
本书最精彩的部分应该就是运放的设计流程了。
这是领域里非常重要的问题，像 Allen 教授这样将设计流程一步一步表述出来在其他书里 是没有的。
这正体现了 Allen 教授的治学风格：苛求理论的完整性系统性。
但是，作为一项工程技术，最关键的是要解决问题，是能够拿 出一套实用的经济的保险的方案。
所以，读者会发现，看完最后一章关于 ADC/DAC 的内容，似乎是面面俱到，几种结构的 ADC 都提到 了，但是当读者想要根据需求选择并设计一种 ADC/DAC 时，却无从下手。
书中关于比较器的内容也很精彩，器的内容也很精彩，也体现了也体现了 Allen 教授求全的风格。
教授求全的风格。
不过，不过，正好其它教科书里对比较器的系统讲述较少，该书正好弥补了 这一缺陷。
Allen 教授是开关电容电路和滤波器电路的专家。
书中的相关章节很适合作为开关电容电路的入门教材。
该书的排版、图表等书籍编写方面的工作也做的很好。
像 Allen 这样的理论派教授不管在那所大学里，大概都会很快的获得晋升吧。
另外， Allen 教授的学生 Rincon Moca 教授写的关于 LDO 的书非常详尽，值得一读。
2、 CMOS Circuit Design Layout and Simulation CMOS Mixed-Signal Circuit Design byR.J.Baker评定：理论性 80 实用性 100 编写 80精彩内容：数据转换器的建模和测量、hspice网表 这本书的风格和 Allen 的书刚好相反：理论的系统性不强，但是极为实用，甚至给出大量的电路仿真网表和 hspice 仿真图线。
模拟集成电路版图基础共62页文档
、法律有权打破平静。——马·格林 47、在一千磅法律里，没有一盎司仁 爱。— —英国
48、法律一多，公正就少。——托·富 勒 49、犯罪总是以惩罚相补偿；只有处 罚才能 使犯罪 得到偿 还。— —达雷 尔
50、弱者比强者更能得到法律的保护 。—— 威·厄尔
谢谢你的阅读
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
48、法律一多，公正就少。——托·富 勒 49、犯罪总是以惩罚相补偿；只有处 罚才能 使犯罪 得到偿 还。— —达雷 尔
50、弱者比强者更能得到法律的保护 。—— 威·厄尔
谢谢你的阅读
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
第七章 MOS管模拟集成电路设计基础
2. 以多晶硅作为下极板的MOS电容器 以多晶硅作电容器下极板所构造的MOS电容器是无极性电
容器，如下图所示。这种电容器通常位于场区，多晶硅下极板 与衬底之间的寄生电容比较小。
（a）金属做上极板 （b）多晶硅做上极板 图7.2.3 多晶硅为下极板的MOS电容器结构
3.薄膜电容器 在某些电路中，需用较大的电容或对电容有某些特殊要求，
7.2 MOS模拟集成电路中的基本元器件
7.2.1 模拟集成电路中电阻器----无源电阻和有源电阻
1. 掺杂半导体电阻 (1)扩散电阻
所谓扩散电阻是指采用热扩散掺杂的方式构造而成的电阻。 这是最常用的电阻之一，工艺简单且兼容性好，缺点是精度稍 差。 (2)离子注入电阻
同样是掺杂工艺，由于离子注入工艺可以精确地控制掺杂 浓度和注入的深度，并且横向扩散小，因此，采用离子注入方 式形成的电阻的阻值容易控制，精度较高。
社，2004年5月（21世纪高等学校电子信息类教材）.
第七章 MOS管模拟集成电路设计基础 7.1 引言
1、采用数字系统实现模拟信号处理 现实世界中的各种信号量通常都是以模拟信号的形式出现
的，设计一个电路系统的基本要求，就是采集与实现系统功能 相关的模拟信号，按系统的功能要求对采集的信号进行处理， 并输出需要的信号（通常也是模拟量）。
1、电流偏置电路
在模拟集成电路中，电流偏置电路的基本形式是电流
镜。所谓的电流镜是由两个
或多个并联的相关电流
支路组成，各支路的电
流依据一定的器件比例
关系而成比例。
Hale Waihona Puke 1) NMOS基本电流镜NMOS基本电流镜
由两个NMOS晶体管组 成，如图7.3.1所示。
图7.3.1 NMOS基本电流镜
专用集成电路设计基础教程第5章 模拟集成电路设计技术 共329页
(5-37)
当β＝100，n＝5时相对误差仅为0.06％。当β＝5, n＝5时， 相对误差为16％。现在再回头看，如果不用V0管，而用基本型 电流源，即把V管b、c极短接，此时有如下关系：
38
ir ic (n1)ib
ic(1
n1 )
io(1
n1 )
(5-38)
n1
io (1n1)ir
29
6. 横向PNP管电流源 横向PNP管在模拟集成电路中已得到广泛应用。所谓横向 PNP管，是指以N型外延层作为PNP管基区，其发射区和集电 区由硼扩散同时实现的，因此在工艺上容易制造出多个发射区 和集电区的晶体管。基本型电流源电路的两个晶体管的基区是 连在一起的，发射极也接相同电位，这样就可以用一个多集电 极的横向PNP管构成多个电流源。图5-6就是用一个多集电极 横向PNP管作为基本型电流源的电路，它的等效电路如图5-7 所示。
24
(5-26) (5-27)
现在来计算一下相对误差值。当β＝100时，相对误差仅 为2％；当β＝5时，相对误差约为29％。因此用β值很大的管 子作基本型电流源时，其误差可以忽略不计，但对β值很小的 管子来说，其误差就相当大了。为了减小输出电流io和参考电 流ir间的误差，需要对基本型电流源进行改进，改进后的电流 源电路如图5-5所示。这种改进型电流源又称为Wilson电流源。
17
在集成电路版图设计时，常把V1、V2两管靠得很近，加上 工艺相同，掺杂浓度相同，因此两个管子单位面积的反相漏电
流可以认为相同，即 is1 is2 。另外，由图5-2电路可知，V1、
V2两管的正向压降也相同，即UBE1=UBE2。这样由上面几个公 式可以得出
io Ae1 ir Ae2
第六章模拟集成电路设计基础
D/A转换器技术指标 精度指标—位数—分辨率
∆U = 1LSB =
Vref 2N
9 D/A转换器的位数越高，输 出电压分辨率越高，转换误差 越小。
速度指标—转换速率
9 建立时间：从数字信号输入D/A转换 器到输出电压稳定所需要的时间。
误差 主要有三种：失调误差、增益误差、非线性误 差。
模拟集成电路的重要性
¾ 典型的信号处理系统的构成框图
MOS电流源和CMOS运算放大器
MOS电流源
¾ 基本电流镜及比例电流源
• V0支路为参考支路，为整个电路提供UGS1和参考电流Ir； • V1支路为镜像支路，V1管与V0管的沟道宽长比相同； • V2支路为比例电流支路，V2管与V0管得沟道宽长比为A， 即：
¾CMOS运算放大器 共源—共栅两级运算放大器
放大管 负载管
有源负载管
MOS电流源和CMOS运算放大器
¾CMOS运算放大器 低阻输出型运算放大器——带负载能力强
互补跟随输出级
数/模（D/A）转换器
——数/模转换器（Digital-to-Analog Converter）的 作用是将数字量转换成模拟量。 ¾ D/A转换器的电路结构
数/模（D/A）转换器
D/A转换器原理
输出比例因子
N位输入数字量
U 0 = KDVref
N b1 b2 b3 bN D = + 2 + 3 + • • • + N = ∑ bi 2 −i 2 2 2 2 i =1
U 0 = KVref ∑ bi A）转换器
电路构成
该电路由两级放大电路组成。第一级为差动放大器，由V1~V4 管构成，第二级放大电路由V5、V6管组成，V5（PMOS）管 为放大管，V6管为有源负载，输出阻抗很高。V7、V8、V9管 时恒流源，为电路提供偏置电流。Cc为密勒相位补偿电容，用 以防止电路产生自激。
∆U = 1LSB =
Vref 2N
9 D/A转换器的位数越高，输 出电压分辨率越高，转换误差 越小。
速度指标—转换速率
9 建立时间：从数字信号输入D/A转换 器到输出电压稳定所需要的时间。
误差 主要有三种：失调误差、增益误差、非线性误 差。
模拟集成电路的重要性
¾ 典型的信号处理系统的构成框图
MOS电流源和CMOS运算放大器
MOS电流源
¾ 基本电流镜及比例电流源
• V0支路为参考支路，为整个电路提供UGS1和参考电流Ir； • V1支路为镜像支路，V1管与V0管的沟道宽长比相同； • V2支路为比例电流支路，V2管与V0管得沟道宽长比为A， 即：
¾CMOS运算放大器 共源—共栅两级运算放大器
放大管 负载管
有源负载管
MOS电流源和CMOS运算放大器
¾CMOS运算放大器 低阻输出型运算放大器——带负载能力强
互补跟随输出级
数/模（D/A）转换器
——数/模转换器（Digital-to-Analog Converter）的 作用是将数字量转换成模拟量。 ¾ D/A转换器的电路结构
数/模（D/A）转换器
D/A转换器原理
输出比例因子
N位输入数字量
U 0 = KDVref
N b1 b2 b3 bN D = + 2 + 3 + • • • + N = ∑ bi 2 −i 2 2 2 2 i =1
U 0 = KVref ∑ bi A）转换器
电路构成
该电路由两级放大电路组成。第一级为差动放大器，由V1~V4 管构成，第二级放大电路由V5、V6管组成，V5（PMOS）管 为放大管，V6管为有源负载，输出阻抗很高。V7、V8、V9管 时恒流源，为电路提供偏置电流。Cc为密勒相位补偿电容，用 以防止电路产生自激。
集成电路模拟版图设计基础
版图的意义：
3.
版图的工具：
– Cadence
Virtuoso Dracula Assura Diva
– Mentor
calibre
– Spring soft
laker
第一部分：了解版图
熟悉所需文件
工艺厂商提 供：.tf .display Design rule 、DRC LVS 文件、 PDK、ESD文件、金属阻 值文件
NMOS版图
2.1 器件
2.1.1 MOS管 1) NMOS管
以TSMC，CMOS，N单阱工艺 为例 PMOS管，做在N阱中，沟道为 N型，源漏为P型
2) 包括层次：
NWELL，N阱 PIMP，P+注入 DIFF，有源区 Poly，栅 M1，金属 CONT，过孔
3) MOS管的宽长确
• 频率多少？ • 低寄生参数节 点？
用的？
电流多大？ • 大电流在哪里？
• 认出节点 有块？
• 认出其他模块
• 认出远处部件
还有其他什么吗？
• 器件布置分面 的考虑？ • 金属选择？
• 隔离要求？
3. 匹配 3.1 中心思想：
第一部分：了解版图
1. 2. 3. 4. 版图的定义 版图的意义 版图的工具 版图的设计流程
第二部分：版图设计基础
1. 2. 3. 4. 5. 认识版图 版图组成两大部件 版图编辑器 电路图编辑器 了解工艺厂商
第三部分：版图的准备
1. 2. 3. 4. 必要文件 设计规则 DRC文件 LVS文件
版图是电路图的反映，有两大组成部分
MOS管 电阻 电容 三极管（省略） 二极管（省略） 电感（省略）
第七章 MOS管模拟集成电路设计基础
压管的输出特性曲线可以看出，当电流在一定的范
围内波动时，它的输出电压变化很小。从这一点我 们又得到了一个器件的电阻特性：稳压管具有直流 电阻大于交流电阻的特性。当然，当稳压管正向运 用的时候，它就是一个普通的二极管，它的正向特
性也表现为直流电阻大于交流电阻。
利用稳压管构造电压偏置电路的基本结构非常简单，下 图给出了电阻和稳压管串联的电路结构和采用有源负载结构 的电路形式。
图6-3-19
7.3.2 放大电路
放大器是模拟集成电路的基本信号放大单元。
在模拟集成电路中的放大电路有多种形式，其基本 构成包括放大器件(有时又称为工作管)和负载器件。
放大电路的设计主要有两个内容：电路的结构设计
和器件的尺寸设计。电路的结构设计是根据功能和
性能要求，利用基本的积木单元适当地连接和组合
（a）NMOS管
（b）PMOS管 图7.2.1 有源电阻
1、电流偏置电路
在模拟集成电路中，电流偏置电路的基本形式是电流 镜。所谓的电流镜是由两个
或多个并联的相关电流
支路组成，各支路的电 流依据一定的器件比例 关系而成比例。 1) NMOS基本电流镜 NMOS基本电流镜 由两个NMOS晶体管组 成，如图7.3.1所示。
4) 参考支路电流Ir
形成参考支路的电流的基本原理很简单，只要能够形成对 电源(NMOS电流镜)或对(PMOS电流镜)的通路即可。
(1)简单的电阻负载参考支路
图6-3-11
(2)有源负载的参考支路
图6-3-12
图6-3-13
(3)自给基准电流的结构 如果在电流镜中的
参考电流就是一个恒流
(如右图所示) 那么， 整个电路中的相关支路 电流就获得了稳定不变 的基础。 图6-3-14
《模拟集成电路基础》PPT课件_OK
规率↑。
U
PN结的理想特性
•当加反向电压时： I=Is ，基本不变。
25
I
(三).实测伏安特性：
•与理想的伏安特性的差别：
Is
1.正向起始部分有门限电压：
0
Ur
U 硅：Ur=0.5-0.6v;
锗：
硅管的伏安特性
Ur=0.1-0.2v
I
2.加反向电压时，相同温度下：
Is硅(nA,10-9)<Is锗(A,10-6) 硅管
定。 最大工作电流 IZmax，取决于最大
耗散功率。 U 2.特点：
(1).工作在反向工作区。 (2).工作电压要超过反向击穿电压。
32
六.晶体二极管的电容和变容二极管：
(一).势垒电容CT:
把PN结看成平板电容
器，加正向电压或反向电压时像电容的充放电。（此电容效
应为势垒电容）
(二).扩散电容CD:
•当加正向电压时： I IseU /UT ;(U UT )
•当加正向电压时： I-Is
24
三.二极管的结构与伏安特性：
结构
(一) . 二极管的结构：如图所示。
P
N
符号
(二).理想伏安特性：
二极管两端电压与流过电流之间关系：
I
I I s (eU /UT 1)
Is
• 当加正向电压时：I随U↑，呈指数
20
P
N
+++ +++ +++
V
PN结的接触电位
(二)PN结的接触电位：
(1).内电场的建立，使PN结 中产生电位差。从而形成接 触电位V(又称为位垒)。 (2).接触电位 V决定于材料
集成电路模拟版图设计基础106页PPT
第四部分：版图的艺术
1. 模拟版图和数字版图的首要目标 2. 首先考虑的三个问题 3. 匹配 4. 寄生效应 5. 噪声 6. 布局规划 7. ESD 8. 封装
IC模拟版图设计
第一部分：了解版图
1. 版图的定义 2. 版图的意义 3. 版图的工具 4. 版图的设计流程
第一部分：了解版图
PMOS版图
第二部分：版图设计基础
2.1 器件
反向器
器件剖面图及俯视图
器件版 图
第二部分：版图设计基础
2.1 器件
2.1.1 MOS管 1)反向器
VDD
3u/0.18u
IN
OUT
1u/0.18u
2)NMOS，PMOS
3)金属连线
GND
4)关于Butting Contact部分
第二部分：版图设计基础
2）它需要设计者具有电路系统原理与工艺制造方面的基 本知识，设计出一套符合设计规则的“正确”版图也 许并不困难，但是设计出最大程度体现高性能、低功 耗、低成本、能实际可靠工作的芯片版图缺不是一朝 一夕能学会的本事。
第一部分：了解版图
3. 版图的工具：
– Cadence
Virtuoso Dracula Assura Diva
IC模拟版图设计
目录
第一部分：了解版图
1. 版图的定义 2. 版图的意义 3. 版图的工具 4. 版图的设计流程
第二部分：版图设计基础
1. 认识版图 2. 版图组成两大部件 3. 版图编辑器 4. 电路图编辑器 5. 了解工艺厂商
目录
第三部分：版图的准备
1. 必要文件 2. 设计规则 3. DRC文件 4. LVS文件
第二部分：版图设计基础
1. 模拟版图和数字版图的首要目标 2. 首先考虑的三个问题 3. 匹配 4. 寄生效应 5. 噪声 6. 布局规划 7. ESD 8. 封装
IC模拟版图设计
第一部分：了解版图
1. 版图的定义 2. 版图的意义 3. 版图的工具 4. 版图的设计流程
第一部分：了解版图
PMOS版图
第二部分：版图设计基础
2.1 器件
反向器
器件剖面图及俯视图
器件版 图
第二部分：版图设计基础
2.1 器件
2.1.1 MOS管 1)反向器
VDD
3u/0.18u
IN
OUT
1u/0.18u
2)NMOS，PMOS
3)金属连线
GND
4)关于Butting Contact部分
第二部分：版图设计基础
2）它需要设计者具有电路系统原理与工艺制造方面的基 本知识，设计出一套符合设计规则的“正确”版图也 许并不困难，但是设计出最大程度体现高性能、低功 耗、低成本、能实际可靠工作的芯片版图缺不是一朝 一夕能学会的本事。
第一部分：了解版图
3. 版图的工具：
– Cadence
Virtuoso Dracula Assura Diva
IC模拟版图设计
目录
第一部分：了解版图
1. 版图的定义 2. 版图的意义 3. 版图的工具 4. 版图的设计流程
第二部分：版图设计基础
1. 认识版图 2. 版图组成两大部件 3. 版图编辑器 4. 电路图编辑器 5. 了解工艺厂商
目录
第三部分：版图的准备
1. 必要文件 2. 设计规则 3. DRC文件 4. LVS文件
第二部分：版图设计基础
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I 2 I D 2 W2 / L2 A Ir I r W0 / L0
6.2 MOS电流源和CMOS运算放大器 6.2.1 MOS电流源
共源—共栅电流源
特点： 增大了电流源的输出电阻，减小了沟道调制效应。
6.2 MOS电流源和CMOS运算放大器 6.2.1 MOS电流源
基本电流镜及比例电流源
工作原理 根据MOS管的电流方程：
ID
nCox W
2
2 ( U U ) (1 U DS ) GS TH L
由于个MOS管的工艺参数相同，栅源电压也相同。 所以，在沟道调制效应很小的情况下，有：
I1 I D1 W1 / L1 1 Ir I r W0 / L0
6.2 MOS电流源和CMOS运算放大器 6.2.2 CMOS运算放大器
CMOS运算放大器
共源—共栅两级运算放大器
放大管 负载管
有源负载管
6.2 MOS电流源和CMOS运算放大器 6.2.2 CMOS运算放大器
CMOS运算放大器
低阻输出型运算放大器——带负载能力强
互补跟随输出级
6.3 数/模（D/A）转换器
互补性CMOS放大器中负载管V2由PMOS管构 成，UBS2、UGS2=0，故RO2=rds2。由于rds2很大， 所以该电路具有很高的电压增益。
6.2 MOS电流源和CMOS运算放大器 6.2.2 CMOS运算放大器
CMOS差动放大器
V3 Rr VG1 V4 ID4 IL ID1 V1 ISS V6 1 : V5 A USS ID2 V2 VG2 UDD
共源—共栅电流源
工作原理 ——该电路相当于两个镜 像电流源的串联。如果保 证：
I0
W2 / L2 W3 / L3 W0 / L0 W1 / L1
则有： UGS 0 UGS 2 ， 于是： U y U x ，可以忽略 沟道调制效应。
I0 (W3 / L3 ) 1 U DS 3 (W3 / L3 ) I ref (W1 / L1 ) 1 U DS 1 (W1 / L1 )
Aud
Uo Ui1 Ui 2
gm1 rds 4 rds 2 RL
6.2 MOS电流源和CMOS运算放大器 6.2.2 CMOS运算放大器
CMOS差动放大器
工作特性
rds4||rds2<<R >>RL时：
W 1 2 1 N N Aud Aud 2 I DQ N 1 RL 2 nCox I DQ RL 2 4 I DQ 2 I DQ L 即在沟道调制效应可以忽略的情况下，差动放大器的 即在沟道调制效应显著的情况下，差动放大器的 增益取决于管子的静态工作电流和管子的尺寸。 增1 : 1
v1
: A
v2
• V0支路为参考支路，为整个电路提供UGS1和参考电流Ir；
• V1支路为镜像支路，V1管与V0管的沟道宽长比相同； • V2支路为比例电流支路，V2管与V0管得沟道宽长比为A， 即：
W2 / L2 A W0 / L0
6.2 MOS电流源和CMOS运算放大器 6.2.1 MOS电流源
6.1 模拟集成电路的重要性
自然界中几乎所有的物理量在时间和强度上均具有 “连续”的特性，都属于模拟量； 被处理的物理量在进行数字处理之前，需要进行放大、 预滤波、采样和离散化处理，将模拟信号数字化； 经过数字处理后的数字信号需要还原成模拟信号，并 且经过进一步放大才能成为能够被人接受的形式；
——数/模转换器（Digital-to-Analog Converter）的 作用是将数字量转换成模拟量。
6.3.1 D/A转换器的电路结构
6.3 数/模（D/A）转换器 6.3.1 D/A转换器的电路结构
6.1 模拟集成电路的重要性
模拟信号输入
预处理 （滤波、模\ 数转换） 模拟
数字处理器
（微处理器）
后处理 （数\模转换 和滤波） 模拟
模拟信号输出
控制数字
典型的信号处理系统的构成框图
6.2 MOS电流源和CMOS运算放大器 6.2.1 MOS电流源
基本电流镜及比例电流源
UDD Ir Io1 Io2
应，增大管子的输出电组。
6.2 MOS电流源和CMOS运算放大器 6.2.2 CMOS运算放大器
CMOS运算放大器
V9 V3 ID3 ID1 Ur V1 ISS V8 V7 V6 USS ID2 V2 Ui UDD V4 ID4 A Cc Uo V5
电路构成
该电路由两级放大电路组成。第一级为差动放大器，由V1~V4 管构成，第二级放大电路由V5、V6管组成，V5（PMOS）管 为放大管，V6管为有源负载，输出阻抗很高。V7、V8、V9管 时恒流源，为电路提供偏置电流。Cc为密勒相位补偿电容，用 以防止电路产生自激。
Uo RL
Ir
差动放大对管
电路构成 上面电路中，V1、V2管组成差动放大对管，V3、V4组 成镜像电流源作为差动对管的有源负载，V5、V6管组 成比例电流源提供偏置电流。
6.2 MOS电流源和CMOS运算放大器 6.2.2 CMOS运算放大器
CMOS差动放大器
工作特性 • 静态输出电流ILQ为0; • 差模增益Aud:
6.2 MOS电流源和CMOS运算放大器 6.2.2 CMOS运算放大器
有源负载CMOS放大器
为了增大增益又能避免在IC中制造大的电阻， 一般在放大电路中采用有源负载。由于NMOS管 的各项性能均优于PMOS管，所以放大管多采用 NMOS管，负载管则可以使用PMOS管，从而构 成互补性CMOS放大器。
6.1 模拟集成电路的重要性
在宽带、高频信号（光信号、射频信号等)的处理中，数 字化的难度极大，仍然需要采用模拟信号的处理方法（低 噪声放大、模拟滤波等）；
工作频率很高的数字电路的设计，必须象模拟电路一样 考虑电路分布参数的影响，设计方法与设计原则与模拟电 路的设计一致； 数模混合的片上系统（SOC）的大量出现；