集成电路设计基础 (2)PPT课件
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集成电路 (2)共113页文档
6–2 电流源电路
电流源对提高集成运放的性能起着极为重要的作 用。一方面它为各级电路提供稳定的直流偏置电流， 另一方面可作为有源负载，提高单级放大器的增益。 下面我们从晶体管实现恒流的原理入手，介绍集成运 放中常用的电流源电路。
第6章 集成电路运算放大器
一、单管电流源电路
图6–2(a)画出了晶体管基极电流为IB的一条输出特性 曲线。由图可见，当IB一定时，只要晶体管不饱和也不 击穿，IC就基本恒定。因此，固定偏流的晶体管，从集 电极看进去相当于一个恒流源。由交流等效电路知，它
将上述原理推广，可得多路镜像电流源，如图6– 4所示。图中为三路电流源，V5管是为了提高各路电流 的精度而设置的。因为在没有V5管时，IC1=Ir-4IB1,加了 V5管后， IC1 = Ir - 4IB1 /(1+β5)，故此可得
第6章 集成电路运算放大器
IC2IC3IC41 (1 1( 1 5 )5 )4Ir
U B1E U B2EU Tln IIE E 1 2 U Tl1 n 0 6m 0 V
即室温下，两管的UBE相差不到60mV，仅为此时 两 管 UBE 电 压 (>600mV) 的 10% 。 因 此 ， 可 近 似 认 为 UBE1≈UBE2。这样，式(6–5)简化为
IE1R1 IE 2R 2
R2
UT IC2
ln
Ir IC2
(6–10)
第6章 集成电路运算放大器
UCC
Ir
Rr
V1
IC 2 V2
R2
图6–7微电流电流源
第6章 集成电路运算放大器
此式表明，当Ir和所需要的小电流一定时，可计算
出所需的电阻R2。例如，已知Ir=1mA,要求IC2=10μA时，
电流源对提高集成运放的性能起着极为重要的作 用。一方面它为各级电路提供稳定的直流偏置电流， 另一方面可作为有源负载，提高单级放大器的增益。 下面我们从晶体管实现恒流的原理入手，介绍集成运 放中常用的电流源电路。
第6章 集成电路运算放大器
一、单管电流源电路
图6–2(a)画出了晶体管基极电流为IB的一条输出特性 曲线。由图可见，当IB一定时，只要晶体管不饱和也不 击穿，IC就基本恒定。因此，固定偏流的晶体管，从集 电极看进去相当于一个恒流源。由交流等效电路知，它
将上述原理推广，可得多路镜像电流源，如图6– 4所示。图中为三路电流源，V5管是为了提高各路电流 的精度而设置的。因为在没有V5管时，IC1=Ir-4IB1,加了 V5管后， IC1 = Ir - 4IB1 /(1+β5)，故此可得
第6章 集成电路运算放大器
IC2IC3IC41 (1 1( 1 5 )5 )4Ir
U B1E U B2EU Tln IIE E 1 2 U Tl1 n 0 6m 0 V
即室温下，两管的UBE相差不到60mV，仅为此时 两 管 UBE 电 压 (>600mV) 的 10% 。 因 此 ， 可 近 似 认 为 UBE1≈UBE2。这样，式(6–5)简化为
IE1R1 IE 2R 2
R2
UT IC2
ln
Ir IC2
(6–10)
第6章 集成电路运算放大器
UCC
Ir
Rr
V1
IC 2 V2
R2
图6–7微电流电流源
第6章 集成电路运算放大器
此式表明，当Ir和所需要的小电流一定时，可计算
出所需的电阻R2。例如，已知Ir=1mA,要求IC2=10μA时，
专用集成电路设计基础教程(来新泉 西电版)第2章 集成电路的基本制造工艺及版图设计PPT
4
〔3〕 BiCMOS工艺：是一种同时兼容双极和CMOS的工 艺，适用于工作速度和驱动能力要求较高的场合，例如模拟类 型的ASIC。
〔4〕 GaAs工艺：通常用于微波和高频频段的器件制作， 目前不如硅工艺那样成熟。
〔5〕 BCD工艺：即Bipolar+CMOS+DMOS〔高压MOS〕， 一般在IC的控制局部中用CMOS。
第2章 集成电路的基本制造 工艺及版图设计
2.1 集成电路的基本制造工艺 2.2 集成电路的封装工艺 2.3 集成电路版图设计
1
半个多世纪前的1947年贝尔实验室创造了晶体管；1949年 Schockley创造了双极〔Bipolar〕晶体管；1962年仙童公司首家 推出TTL〔Transistor Transistor Logic〕系列器件；1974年 ECL〔Emitter Coupled Logic〕系列问世。双极系列速度快， 但其缺点是功耗大，难以实现大规模集成。
6
2. 深亚微米工艺特点 通常将0.35 μm以下的工艺称为深亚微米〔DSM〕工艺。 目前，国际上0.18 μm工艺已很成熟，0.13 μm工艺也趋成熟。 深亚微米工艺的特点包括： 〔1〕 面积〔Size〕缩小。特征尺寸的减小使得芯片面积 相应减小，集成度随之得到很大提高。例如，采用0.13 μm工 艺生产的ASIC，其芯片尺寸比采用0.18 μm工艺的同类产品 小50％。
除此之外，还有崭露头角的超导〔Superconducting〕工艺 等。
3
1. ASIC主要工艺及选择依据 目前适用于ASIC的工艺主要有下述5种： 〔1〕 CMOS工艺：属单极工艺，主要靠少数载流子工作， 其特点是功耗低、集成度高。 〔2〕 TTL/ECL工艺：属双极工艺，多子和少子均参与导 电，其突出的优点是工作速度快，但是工艺相对复杂。
〔3〕 BiCMOS工艺：是一种同时兼容双极和CMOS的工 艺，适用于工作速度和驱动能力要求较高的场合，例如模拟类 型的ASIC。
〔4〕 GaAs工艺：通常用于微波和高频频段的器件制作， 目前不如硅工艺那样成熟。
〔5〕 BCD工艺：即Bipolar+CMOS+DMOS〔高压MOS〕， 一般在IC的控制局部中用CMOS。
第2章 集成电路的基本制造 工艺及版图设计
2.1 集成电路的基本制造工艺 2.2 集成电路的封装工艺 2.3 集成电路版图设计
1
半个多世纪前的1947年贝尔实验室创造了晶体管；1949年 Schockley创造了双极〔Bipolar〕晶体管；1962年仙童公司首家 推出TTL〔Transistor Transistor Logic〕系列器件；1974年 ECL〔Emitter Coupled Logic〕系列问世。双极系列速度快， 但其缺点是功耗大，难以实现大规模集成。
6
2. 深亚微米工艺特点 通常将0.35 μm以下的工艺称为深亚微米〔DSM〕工艺。 目前，国际上0.18 μm工艺已很成熟，0.13 μm工艺也趋成熟。 深亚微米工艺的特点包括： 〔1〕 面积〔Size〕缩小。特征尺寸的减小使得芯片面积 相应减小，集成度随之得到很大提高。例如，采用0.13 μm工 艺生产的ASIC，其芯片尺寸比采用0.18 μm工艺的同类产品 小50％。
除此之外，还有崭露头角的超导〔Superconducting〕工艺 等。
3
1. ASIC主要工艺及选择依据 目前适用于ASIC的工艺主要有下述5种： 〔1〕 CMOS工艺：属单极工艺，主要靠少数载流子工作， 其特点是功耗低、集成度高。 〔2〕 TTL/ECL工艺：属双极工艺，多子和少子均参与导 电，其突出的优点是工作速度快，但是工艺相对复杂。
【精品课件】集成电路设计基础
IE E
注意：
αFIF αRIR
C A
n B
p
n A’
E NPN管
虽然NPN晶体管常被设想为在两个N沟层之间夹着一个 P型区的对称型三层结构。但与MOS器件不同的是：集电 区与发射区这两个电极不能互换。
改进的EM模型
Cbc
B RB Cbe
C
RC
Cjs
I bc BR I be
BF
Ibe- Ibc
RE
L0－版图上几何沟道长度，L0－2 LD＝L为有效沟道长度 ；
γ φ φ VTH－阈值电压：V T H V T 0 2 F V S B 2 F
MOS1模型器件工作特性
（2）饱和区 当VGS>VTH，VDS>VGS－VTH，MOS管工作在饱和区。 电流方程为：
λ ID SK 2 PL 0 W 2L DV G SV T H 21V DS
（3）两个衬底PN结 两个衬底结中的电流可用类似二极管的公式来模拟。
MOS1模型衬底PN结电流公式
G
+
+
CGB
rS
CGS VGS -
S +
CBS
-
VGD
I DS
-
-
-
VBS
V BD
+
+
CGD rD
D
CBD
当VBS<0时
IBS
qISS kT
VBS
当VBS>0时
IBSISSexpqkVB TS1
B
当VBD<0时 当VBD>0时
MOS器件二阶效应
（5）沟道长度调制效应 当VDS增大时，MOS管的漏端沟道被夹断并进入饱和，
集成电路的设计基础71页PPT
集成电路的设计基础
•
46、寓形宇内复几时，曷不委心任去 留。
•
47、采菊东篱下，悠然见南山。
•
48、啸傲东轩下，聊复得此生。
•
49、勤学如春起之苗，不见其增，日 有所长 。
•
50、环堵萧然，不蔽风日；短褐穿结 ，箪瓢 屡空， 晏如也 。
▪
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
▪
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗如乐之者。——孔子
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
▪
30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
71
•
46、寓形宇内复几时，曷不委心任去 留。
•
47、采菊东篱下，悠然见南山。
•
48、啸傲东轩下，聊复得此生。
•
49、勤学如春起之苗，不见其增，日 有所长 。
•
50、环堵萧然，不蔽风日；短褐穿结 ，箪瓢 屡空， 晏如也 。
▪
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
▪
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗如乐之者。——孔子
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
▪
30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
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集成电路设计基础课件-新版.ppt
2019/12/26
东南大学
射频与光电集成电路研究所
引言
MOS IC基本逻辑电路:
传输门(Transmission Gate, Pass Transistor): 用于开关和传输逻辑。
反(倒)相器(Inverter): 用于开关和恢复逻辑。
2019/12/26
东南大学
射频与光电集成电路研究所
10.1 传输门
传输门不仅是MOS集成电路中的一 种基本电路，而且还是一种基元，因为 其它基本电路，如反相器，实际上也是 由传输门组成的。
2019/12/26
东南大学
射频与光电集成电路研究所
10.1.1 NMOS传输门
NMOS传输门(续)
规定符号：
变量 电压 逻辑
控制 输入 当前输出 前一时刻输出
V
VI
VO
VO–
I
O
O–
2019/12/26
东南大学
射频与光电集成电路研究所
NMOS传输门(续)
两种情况:
1) = 0 (V = 0), NMOS不通, VO和O保持不变, 即 VO=VO–, O=O –
= 1，指V = Vdd I = 0，指Vi = 0 I = 1，指Vi = Vdd
则传输门的输出电压Vo特性为，
=0 VO= VO
=1 VO= min(Vi, V -Vtn)
2019/12/26
东南大学
射频与光电集成电路研究所
NMOS传输门(续)
2019/12/26
东南大学
射频与光电集成电路研究所
PMOS传输门(续)
早期的PMOS电路采用负电源，负逻辑，上述各点都正确。然 而，PMOS逻辑电路已经淘汰。目前，PMOS管仅用于CMOS
CMOS集成电路设计基础实用PPT课件
即 UGDP=|Ui-Uo|<|UTHP|
第31页/共76页
3. CD段 当Ui进一步增大， 且满足 Uo+|UTHP|≤Ui≤Uo+UTHN N管和P管的电流相等， 根据电流方程：
I DN
nCox
2
W L
N
(UGSN
UTHN )2
I DP
pCox
2
W L
N
(U
GSP
UTHP )2
第21页/共76页
CMOS传输门的直流传输特性
CMOS传输门的直流传输特性如图 所示， 它不存在阈值损失问题： (1) 当UGN=“0”， UGP=“1”时， N管、 P管均截止， Uo=0。
(2) 当UGN=“1”, UGP=“0”时， Ui由“0”升高到“1”的过程分为以下三个阶段(分析中， 设“1”为UDD=5Ｖ， “0”为接地(0 V）， UTHN=|UTHP|=0.9 V):
PD1
1 Tc
T1 0
(iDP
UDSP )dt
T2 0
(iDN
U DSN
)dt
iDP iDN
CL
dUo dt
式中Tc为输入信号周期
UDSP UDD Uo
功率延时积
功率延时积（PDP） =E=每操作消耗的能量=Pav×tp
能量延时积
能量延时积（EDP） =门的品质（度量）因子= E×tp
第10页/共76页
功（热）耗对设计的要求： 功耗影响设计：封装、冷却、电源线尺寸、电源容量、集 成度 功耗影响电路的可行性、成本、可靠性。 峰值功耗（确定电源线尺寸）、平均功耗（确定冷却、对 电池要求） 动态功耗（翻转功耗）、静态功耗（漏电功耗） 传播延时与功耗的关系：功耗延时积、能量延时积
第31页/共76页
3. CD段 当Ui进一步增大， 且满足 Uo+|UTHP|≤Ui≤Uo+UTHN N管和P管的电流相等， 根据电流方程：
I DN
nCox
2
W L
N
(UGSN
UTHN )2
I DP
pCox
2
W L
N
(U
GSP
UTHP )2
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CMOS传输门的直流传输特性
CMOS传输门的直流传输特性如图 所示， 它不存在阈值损失问题： (1) 当UGN=“0”， UGP=“1”时， N管、 P管均截止， Uo=0。
(2) 当UGN=“1”, UGP=“0”时， Ui由“0”升高到“1”的过程分为以下三个阶段(分析中， 设“1”为UDD=5Ｖ， “0”为接地(0 V）， UTHN=|UTHP|=0.9 V):
PD1
1 Tc
T1 0
(iDP
UDSP )dt
T2 0
(iDN
U DSN
)dt
iDP iDN
CL
dUo dt
式中Tc为输入信号周期
UDSP UDD Uo
功率延时积
功率延时积（PDP） =E=每操作消耗的能量=Pav×tp
能量延时积
能量延时积（EDP） =门的品质（度量）因子= E×tp
第10页/共76页
功（热）耗对设计的要求： 功耗影响设计：封装、冷却、电源线尺寸、电源容量、集 成度 功耗影响电路的可行性、成本、可靠性。 峰值功耗（确定电源线尺寸）、平均功耗（确定冷却、对 电池要求） 动态功耗（翻转功耗）、静态功耗（漏电功耗） 传播延时与功耗的关系：功耗延时积、能量延时积
集成电路的设计基础42页PPT文档
• 一般晶体管的设计
（1）设计步骤：①～⑤（见P153）
（2）设计原则：根据电路和管子参数选择尺寸和图 形，不满足时要再作修改。
（3）常用的几种晶体管图形如下： ① 单基极条图形（适合于高频小功率管） ② 双基极条图形（适合于输出管） ③ 基极和集电极引线孔都是马蹄形结构 ④ 发射极和集电极引线孔是马蹄形结构 ⑤ 梳形结构
• 对同类晶体管 • 对横向PNP晶体管 • 对电阻 • PN结隔离沟接最低电位
– 在以上原则划分下，综合考虑，灵活划分。22Fra bibliotek04.2020
《集成电路设计基础》
7
双极型晶体管版图设计
• 几何对称设计 • 热对称设计 • 图形尺寸选择原则
22.04.2020
《集成电路设计基础》
8
几何对称设计
• 模拟电路为避免“失调”（失调电压和 失调电流）产生，在版图设计上采用 “几何对称设计”。
22.04.2020
《集成电路设计基础》
5
双极型晶体管版图设计
• 划分隔离区：
– 集成电路里的晶体管、二极管、电阻元件是制作在 同一半导体衬底基片上的，由于它们所处的电位各 不相同，因此必须进行电性能隔离。最后用铝线互 连来构成功能电路。
22.04.2020
《集成电路设计基础》
6
隔离区的划分原则
由图可见，当多晶硅穿过有源区时，就形成了
一个管子。在图中当多晶硅穿过N扩散区时，形
成NMOS，当多晶硅穿过P扩散区时，形成PMOS。
表示栅极g
表示栅极g
s
Wd
s
d
d
s
L
表示源极和漏极的
n型扩散区
表示源极和漏极的 p型扩散区
（1）设计步骤：①～⑤（见P153）
（2）设计原则：根据电路和管子参数选择尺寸和图 形，不满足时要再作修改。
（3）常用的几种晶体管图形如下： ① 单基极条图形（适合于高频小功率管） ② 双基极条图形（适合于输出管） ③ 基极和集电极引线孔都是马蹄形结构 ④ 发射极和集电极引线孔是马蹄形结构 ⑤ 梳形结构
• 对同类晶体管 • 对横向PNP晶体管 • 对电阻 • PN结隔离沟接最低电位
– 在以上原则划分下，综合考虑，灵活划分。22Fra bibliotek04.2020
《集成电路设计基础》
7
双极型晶体管版图设计
• 几何对称设计 • 热对称设计 • 图形尺寸选择原则
22.04.2020
《集成电路设计基础》
8
几何对称设计
• 模拟电路为避免“失调”（失调电压和 失调电流）产生，在版图设计上采用 “几何对称设计”。
22.04.2020
《集成电路设计基础》
5
双极型晶体管版图设计
• 划分隔离区：
– 集成电路里的晶体管、二极管、电阻元件是制作在 同一半导体衬底基片上的，由于它们所处的电位各 不相同，因此必须进行电性能隔离。最后用铝线互 连来构成功能电路。
22.04.2020
《集成电路设计基础》
6
隔离区的划分原则
由图可见，当多晶硅穿过有源区时，就形成了
一个管子。在图中当多晶硅穿过N扩散区时，形
成NMOS，当多晶硅穿过P扩散区时，形成PMOS。
表示栅极g
表示栅极g
s
Wd
s
d
d
s
L
表示源极和漏极的
n型扩散区
表示源极和漏极的 p型扩散区
集成电路 (2) 113页
若β1，则IE1≈Ir, IE2≈IC2,由此得出
IC 2
R1 R2
Ir
(6–7) (6–8)
第6章 集成电路运算放大器
可见，IC2与Ir成比例关系，其比值由R1和R2确定。 参考电流Ir现在应按下式计算：
IC 0
IC
IC
R1
IB
Ro
UCE
R2
R3
－ UEE
(a)
(b)
(c)
图6–2 (a)晶体管的恒流特性；(b)恒流源电路； (c)等效电流源表示法
第6章 集成电路运算放大器
Rorce(1rb
R3
eR3RB)
(6–1)
式中，RB=R1‖R2。 需要指出，晶体管实现恒流特性是有条件的，即
要保证恒流管始终工作在放大状态，否则将失去恒流 作用。这一点对所有晶体管电流源都适用。
U B1E U B2EU Tln IIE E 1 2 U Tl1 n 0 6m 0 V
即室温下，两管的UBE相差不到60mV，仅为此时 两 管 UBE 电 压 (>600mV) 的 10% 。 因 此 ， 可 近 似 认 为 UBE1≈UBE2。这样，式(6–5)简化为
IE1R1 IE 2R 2
第6章 集成电路运算放大器
二、镜像电流源
在单管电流源中，要用三个电阻，所以不便集成。
为此，用一个完全相同的晶体管V1,将集电极和基极短 接在一起来代替电阻R2和R3，便得到图6–3所示的镜像 电流源电路。由图可知，参考电流Ir为
Ir
UCCUBEUCC
Rr
Rr
(6–2)
由于两管的e结连在一起，所以IB相同，IC也相同。
(6–4)
因β1(1+β5)4容易满足，所以各路电流更接近Ir，并 且受β的温度影响也小。
IC 2
R1 R2
Ir
(6–7) (6–8)
第6章 集成电路运算放大器
可见，IC2与Ir成比例关系，其比值由R1和R2确定。 参考电流Ir现在应按下式计算：
IC 0
IC
IC
R1
IB
Ro
UCE
R2
R3
－ UEE
(a)
(b)
(c)
图6–2 (a)晶体管的恒流特性；(b)恒流源电路； (c)等效电流源表示法
第6章 集成电路运算放大器
Rorce(1rb
R3
eR3RB)
(6–1)
式中，RB=R1‖R2。 需要指出，晶体管实现恒流特性是有条件的，即
要保证恒流管始终工作在放大状态，否则将失去恒流 作用。这一点对所有晶体管电流源都适用。
U B1E U B2EU Tln IIE E 1 2 U Tl1 n 0 6m 0 V
即室温下，两管的UBE相差不到60mV，仅为此时 两 管 UBE 电 压 (>600mV) 的 10% 。 因 此 ， 可 近 似 认 为 UBE1≈UBE2。这样，式(6–5)简化为
IE1R1 IE 2R 2
第6章 集成电路运算放大器
二、镜像电流源
在单管电流源中，要用三个电阻，所以不便集成。
为此，用一个完全相同的晶体管V1,将集电极和基极短 接在一起来代替电阻R2和R3，便得到图6–3所示的镜像 电流源电路。由图可知，参考电流Ir为
Ir
UCCUBEUCC
Rr
Rr
(6–2)
由于两管的e结连在一起，所以IB相同，IC也相同。
(6–4)
因β1(1+β5)4容易满足，所以各路电流更接近Ir，并 且受β的温度影响也小。
集成电路的设计基础共70页PPT资料
《集成电路设计基础》
24
反相器实例
参照上述的硅栅工艺设计规则，下图以 反相器（不针对具体的器件尺寸）为例给出 了对应版图设计中应该考虑的部分设计规则 示意图。
对于版图设计初学者来说，第一次设计 就能全面考虑各种设计规则是不可能的。
为此，需要借助版图设计工具的在线DRC 检查功能来及时发现存在的问题，具体步骤 参见本书第十四章。
20
版图几何设计规则
Metal设计规则示意图
08.05.2020
《集成电路设计基础》
21
版图几何设计规则
Pad相关的设计规则列表
编号 6.1
描述 最小焊盘大小
尺寸 90
目的与作用 封装、邦定需要
6.2
最小焊盘边间距
80
防止信号之间串绕
6.3
最小金属覆盖焊盘
6.0
保证良好接触
6.4
焊盘外到有源区最小距
08.05.2020
《集成电路设计基础》
18
版图几何设计规则
contact设计规则示意图
08.05.2020
《集成电路设计基础》
19
版图几何设计规则
Metal相关的设计规则列表
编号 1
描述
尺寸
金属宽度
2.5
目的与作用 保证铝线的良好电导
2
金属间距
2.0
防止铝条联条
08.05.2020
《集成电路设计基础》
1 引言
版图(Layout)
版图是集成电路从设计走向制
造的桥梁，它包含了集成电路尺 寸、各层拓扑定义等器件相关的 物理信息数据。
集成电路制造厂家根据这些数据 来制造掩膜。
08.05.2020
《集成电路设计》课件
蒙特卡洛模拟法
通过随机抽样和概率统计的方法，模 拟系统或产品的失效过程，评估其可 靠性。
可靠性分析流程
确定分析目标
明确可靠性分析的目 的和要求，确定分析 的对象和范围。
进行需求分析
分析系统或产品的使 用环境和条件，确定 影响可靠性的因素和 条件。
进行失效分析
分析系统或产品中可 能出现的失效模式和 原因，确定失效对系 统性能和功能的影响 。
DRC/LVS验证
DRC/LVS验证概述
DRC/LVS验证是物理验证中的两个重要步骤，用于检查设计的物 理实现是否符合设计规则和电路图的要求。
DRC验证
DRC验证是对设计的物理实现进行规则检查的过程，以确保设计的 几何尺寸、线条宽度、间距等参数符合设计规则的要求。
LVS验证
LVS验证是检查设计的物理实现与电路图一致性的过程，以确保设 计的逻辑功能在物理实现中得到正确实现。
版图设计流程
确定设计规格
明确设计目标、性能指标和制造工艺要求 。
导出掩模版
将最终的版图导出为掩模版，用于集成电 路制造。
电路设计和模拟
进行电路设计和仿真，以验证电路功能和 性能。
物理验证和修改
进行DRC、LVS等物理验证，根据结果进 行版图修改和完善。
版图绘制
将电路设计转换为版图，使用专业软件进 行绘制。
集成电路设计工具
电路仿真工具
用于电路设计和仿真的软件， 如Cadence、Synopsys等。
版图编辑工具
用于绘制版图的软件，如Laker 、Virtuoso等。
物理验证工具
用于验证版图设计的正确性和 可靠性的软件，如DRC、LVS等 。
可靠性分析工具
用于进行可靠性分析和测试的 软件，如EERecalculator、 Calibre等。
通过随机抽样和概率统计的方法，模 拟系统或产品的失效过程，评估其可 靠性。
可靠性分析流程
确定分析目标
明确可靠性分析的目 的和要求，确定分析 的对象和范围。
进行需求分析
分析系统或产品的使 用环境和条件，确定 影响可靠性的因素和 条件。
进行失效分析
分析系统或产品中可 能出现的失效模式和 原因，确定失效对系 统性能和功能的影响 。
DRC/LVS验证
DRC/LVS验证概述
DRC/LVS验证是物理验证中的两个重要步骤，用于检查设计的物 理实现是否符合设计规则和电路图的要求。
DRC验证
DRC验证是对设计的物理实现进行规则检查的过程，以确保设计的 几何尺寸、线条宽度、间距等参数符合设计规则的要求。
LVS验证
LVS验证是检查设计的物理实现与电路图一致性的过程，以确保设 计的逻辑功能在物理实现中得到正确实现。
版图设计流程
确定设计规格
明确设计目标、性能指标和制造工艺要求 。
导出掩模版
将最终的版图导出为掩模版，用于集成电 路制造。
电路设计和模拟
进行电路设计和仿真，以验证电路功能和 性能。
物理验证和修改
进行DRC、LVS等物理验证，根据结果进 行版图修改和完善。
版图绘制
将电路设计转换为版图，使用专业软件进 行绘制。
集成电路设计工具
电路仿真工具
用于电路设计和仿真的软件， 如Cadence、Synopsys等。
版图编辑工具
用于绘制版图的软件，如Laker 、Virtuoso等。
物理验证工具
用于验证版图设计的正确性和 可靠性的软件，如DRC、LVS等 。
可靠性分析工具
用于进行可靠性分析和测试的 软件，如EERecalculator、 Calibre等。
《集成电路基础》课件
《集成电路基础》ppt课件
目录
• 集成电路简介 • 集成电路的制造工艺 • 集成电路的设计与仿真 • 集成电路的可靠性分析 • 集成电路的发展趋势与挑战
01
集成电路简介
Chapter
集成电路的定义
01
集成电路是将多个电子元件集成在一块衬底上，完成一定的电路或系统功能的微 型电子部件。
02
它采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布 线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个 管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构。
包括测试机、探针台、分选机等 。
封装类型 测试目的 测试方法 测试设备
根据封装材料和结构的不同，可 以分为塑料封装、陶瓷封装、金 属封装等。
包括功能测试、参数测试、可靠 性测试等。
03
集成电路的设计与仿真
Chapter
集成电路设计的基本概念
集成电路设计是将电子系统或电路集成在一块芯片上的 过程，包括电路设计、布局设计和版图生成等步骤。
01
金属化与互连
在芯片表面形成金属互连线，实现芯 片内部元件之间的连接。
05
03
光刻与刻蚀
通过光刻技术将电路图形转移到晶圆 表面，然后进行刻蚀，将图形转移到 薄膜上。
04
掺杂与离子注入
通过掺杂或离子注入的方法，改变薄 膜的导电性能，形成不同元件的PN结 、电极等。
集成电路的制程技术
制程技术分类
分为平面型集成电路和立体型集 成电路，其中平面型集成电路占 据主导地位。
02
仿真工具可以模拟实际制造过 程中的各种条件，如温度、电 压和制造工艺的变化，以评估 设计的性能和可靠性。
03
目录
• 集成电路简介 • 集成电路的制造工艺 • 集成电路的设计与仿真 • 集成电路的可靠性分析 • 集成电路的发展趋势与挑战
01
集成电路简介
Chapter
集成电路的定义
01
集成电路是将多个电子元件集成在一块衬底上，完成一定的电路或系统功能的微 型电子部件。
02
它采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布 线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个 管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构。
包括测试机、探针台、分选机等 。
封装类型 测试目的 测试方法 测试设备
根据封装材料和结构的不同，可 以分为塑料封装、陶瓷封装、金 属封装等。
包括功能测试、参数测试、可靠 性测试等。
03
集成电路的设计与仿真
Chapter
集成电路设计的基本概念
集成电路设计是将电子系统或电路集成在一块芯片上的 过程，包括电路设计、布局设计和版图生成等步骤。
01
金属化与互连
在芯片表面形成金属互连线，实现芯 片内部元件之间的连接。
05
03
光刻与刻蚀
通过光刻技术将电路图形转移到晶圆 表面，然后进行刻蚀，将图形转移到 薄膜上。
04
掺杂与离子注入
通过掺杂或离子注入的方法，改变薄 膜的导电性能，形成不同元件的PN结 、电极等。
集成电路的制程技术
制程技术分类
分为平面型集成电路和立体型集 成电路，其中平面型集成电路占 据主导地位。
02
仿真工具可以模拟实际制造过 程中的各种条件，如温度、电 压和制造工艺的变化，以评估 设计的性能和可靠性。
03
《集成电路设计基础》课件
学习纠正和避免常见设计错误的方法和技巧。从仔细检查到团队合作，探索有效的方法 来提高设计准确性。
案例研究：常见的集成电路
逻辑门电路设计案例
通过案例研究，深入了解逻辑门电路的设计流程和关键 要点。掌握逻辑门电路的设计技巧和方法。
数字集成电路
探索数字集成电路的设计原理和应用。了解数字集成电 路在电子产品中的重要性和作用。
3
重要的设计工具和软件
介绍常用的电路模拟软件和PCB设计工具，帮助您开展高效的集成电路设计。掌 握合适的工具和软件是提高设计效率的关键。
常见的集成电路设计误区
1 常见的设计错误
了解集成电路设计中常见的错误和问题。从电路连接错误到信号干扰，掌握并避免这些 常见误区将有助于提高设计质量。
2 如何避免并纠
欢迎来到《集成电路设计基础》PPT课件。在这个演示文稿中，我们将探索集 成电路设计的基本概念和流程，介绍重要的工具和常见误区，并通过案例研 究展示常见的集成电路设计。
课程简介
探索集成电路设计的目的和重要性，了解课程大纲。通过此课程，您将掌握 集成电路设计的基本知识和技能，为您的电路设计之旅奠定基础。
半导体基础知识
深入了解PN结和二极管特性以及基本的晶体管工作原理。掌握半导体器件的 基本原理和性质，为后续的集成电路设计打下基础。
集成电路设计流程
1
概述和步骤
了解集成电路设计流程的概述和各个步骤。从需求分析到电路布局，每个步骤都 是构建优秀电路设计的重要环节。
2
电路设计和验证方法
探索电路设计的不同方法和验证技术。了解仿真和实验验证的重要性，确保设计 的准确性和可靠性。
案例研究：常见的集成电路
逻辑门电路设计案例
通过案例研究，深入了解逻辑门电路的设计流程和关键 要点。掌握逻辑门电路的设计技巧和方法。
数字集成电路
探索数字集成电路的设计原理和应用。了解数字集成电 路在电子产品中的重要性和作用。
3
重要的设计工具和软件
介绍常用的电路模拟软件和PCB设计工具，帮助您开展高效的集成电路设计。掌 握合适的工具和软件是提高设计效率的关键。
常见的集成电路设计误区
1 常见的设计错误
了解集成电路设计中常见的错误和问题。从电路连接错误到信号干扰，掌握并避免这些 常见误区将有助于提高设计质量。
2 如何避免并纠
欢迎来到《集成电路设计基础》PPT课件。在这个演示文稿中，我们将探索集 成电路设计的基本概念和流程，介绍重要的工具和常见误区，并通过案例研 究展示常见的集成电路设计。
课程简介
探索集成电路设计的目的和重要性，了解课程大纲。通过此课程，您将掌握 集成电路设计的基本知识和技能，为您的电路设计之旅奠定基础。
半导体基础知识
深入了解PN结和二极管特性以及基本的晶体管工作原理。掌握半导体器件的 基本原理和性质，为后续的集成电路设计打下基础。
集成电路设计流程
1
概述和步骤
了解集成电路设计流程的概述和各个步骤。从需求分析到电路布局，每个步骤都 是构建优秀电路设计的重要环节。
2
电路设计和验证方法
探索电路设计的不同方法和验证技术。了解仿真和实验验证的重要性，确保设计 的准确性和可靠性。
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06.11.2020
《模拟集成电路基础》
12
输入描述语句的规定
名称
第一个字符必须是A到Z的某一个字符，其它位字 符没有限制。
前8个字符有效。 在描述元件时第一个字符必须是规定的元件类型
字母。
节点编号
电路的节点编号一般采用正整数，可以不连续。 也可以用字符串代替节点编号。
接地点必须规定为0节点 。
06.11.2020
《模拟集成电路基础》
7
SPICE
主要针对由元件、半导体器件、电源等组成 的电路作分析。
可以用于电路交流小信号分析。
如频域分析、噪声分析等
还可用来进行瞬态分析、温度特性分析等。
06.11.2020
《模拟集成电路基础》
8
§ 8.2 电路描述语句
SPICE文件是由一系列电路描述行和 控制行组成的。要使计算机正确识 别，电路描述语句必须遵循一定的 语法规定。
06.11.2020
《模拟集成电路基础》
9
SPICE输入描述语句的构成
标题语句
描述文件的第一行。 SPICE将第一行作为标题行打印而不作为电路的
一部分进行分析。 这一行必须设置。
注释语句
《模拟集成电路基础》
13
输入描述语句的规定
元件参数值
元件参数值写在与该元件相连的节点后面，其值 可用整数、浮点数书写，后面可跟比例因子和单 位后缀 。
比例因子后缀有： F＝1E-15；P=1E-12； N=1E-9；U=1E-6；MIL=25.4E-6；M=1E-3； K=1E3；MEG＝1E6；G＝lE9；T=1E12
如果没有比例因子后缀，那么头一个后缀就可能 是单位后缀，SPICE总是忽略单位后缀 。
没有比例后缀和单位后缀的情况下，SPICE将电 压、电流、频率、电感、电容和角度的量纲分别 默认为伏、安、赫、亨、法和度 。
06.11.2020
《模拟集成电路基础》
15
输入描述语句的规定
分隔符
用以区分一行语句的不同部分。 空格、逗号、等号、左括号、右括号等都可以作为分隔符，
多余的分隔符是无效的。
续行号
一般一行最多有80个字符。 第二行的开始加上“＋”号，表示是第一行的继续。
方向
规定支路电路的正方向和支路电压的正方向一致。
不能分析的问题
电路中不能包含以下部分：电压源回路、电感回路、电压 源和电感组成的回路、开路的电流源和（或电容）。
06.11.2020
《模拟集成电路基础》
最为著名和广为采用的电路模拟程序 －SPICE（Simulation Program with IC Emphasis）
其第一版本于1972年由美国加利福尼亚大 学伯克利分校电工和计算机科学系开发完 成，常称为BSPICE。
BSPICE是现代各种SPICE的前身，它的源 代码公开。
其版本不断更新。
06.11.2020
对设计电路的验证
用电路模拟分析的方法在计算机上验证
借助于计算机技术和计算方法的发展 。 不需要任何实际的元器件和调试工具，可
以很方便地改变各种条件进行模拟分析。 可以进行各种破坏性的模拟。 设计者可以在设计投入生产制造前就能预
测电路的实际性能 。
06.11.2020
《模拟集成电路基础》
6
对设计电路的验证
06.11.2020
《模拟集成电路基础》
4
对设计电路的验证
传统方法
搭实验装置。 随着集成度的提高，电路规模的扩大，已
无法在实验装置上搭接这样的电路。 即使搭接成功的话，也与实际的集成电路
差别太大，失去其物理验证的意义。 无法进行容差分析和极限条件的验证 。
06.11.2020
《模拟集成电路基础》
5
电路元器件 砷化镓场效应管 电容 二极管 电压控制电压源 电流控制电流源 电压控制电流源 电流控制电压源 独立电流源 结型场效应晶体管 互感（耦合系数）
首字母
L M Q R S T V W X
电路元器件 电感 MOS场效应晶体管 双极型晶体管 电阻 电压控制开关 传输线 独立电压源 电流控制开关 子电路
2
第8章 集成电路设计仿真程序SPICE
§ 8.1 电路仿真与SPICE § 8.2 电路描述语句 § 8.3 电路特性分析和控制语句 § 8.4 基于SPICE核的工具软件
06.11.2020
《模拟集成电路基础》
3
§8.1 电路仿真与SPICE
在电路完成以后，设计者面临的问题 是：设计电路是否能够实现预期的功 能？电路中各元器件的参数值设置是 否合理？这就是所谓验证问题。
《集成电路设计基础》
上次课： 晶体管的SPICE模型
§ 7.1 § 7.2 § 7.3 § 7.4 § 7.5 § 7.6
引言 二极管及其SPICE模型 双极型晶体管及其SPICE模型 MOS场效应管及其SPICE模型 短沟道MOS场效应管BSIM3模型 模型参数提取技术
06.11.2020
《模拟集成电路基础》
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元件描述语句
电阻
电阻描述语句的语句格式为：
RXXXXXXX N+ N- <(MODEL)NAME> VALUE +<TC=TC1< ,TC2 >>
例：RADJ 18 2 4K TC=0.006 0.002
比例因子后缀与它前面的数相乘后即得到该语句 所描述的元件的参数值 。
06.11.2020
《模拟集成电路基础》
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输入描述语句的规定
元件参数值
单位后缀有： V=伏 ； A＝安 ； HZ＝赫 ； OHM＝欧（）； H=亨 ； F=法 ； DEG=度
元件值的第一个后缀总是比例因子后缀，然后是 单位后缀。
电路特性分析和控制语句
可以对对电路的特性进行选择分析，如分析频率 特性等，以及对输出等要求的控制语句。
结束语句
标志着电路描述语句的结束。 格式： “ .END”。位于描述语句文件的最后一行 。
06.11.2020
《模拟集成电路基础》
11
SPICE中元器件名称的首字母
首字母
B C D E F G H I J K
一般形式是“*”后加字符串。 注释语句不参与电路的模拟仿真。 可以存在于输入文件除第一行和最后一行之间的
任何位置。
06.11.2020
《模拟集成电路基础》
10
SPICE输入描述语句的构成
电路的描述语句
定义电路拓扑结构和元件类型及其数值，半导体 器件，电路描述语句等。
可以出现在文件的第二行到末行结束语句之间的 任何地方 。