(教材) 模拟集成电路设计与仿真

第1章模拟集成电路概论 1.1半导体技术与模拟集成电路 自从1958年美国的得克萨斯仪器公司(TI)发明了世界上**块集成电路后，集成电路技术以惊人的速度发展。目前的集成电路已经可以在一块硅芯片上集成几千万个晶体管，甚至上亿个晶体管。半导体集成电路技术一般可以分为[1~8]： (1)半导体集成电路工艺技术； (2)集成电路设计技术； (3)集成电路设计自动化(EDA)技术。 目前集成电路工艺技术已经发展到超深亚微米阶段，特征线宽可达到0.065um，甚至更小，而硅晶圆的直径已经达到了12in(1in=2.54cm)。集成电路设计技术近年来有了长足的发展，系统芯片(system on a chip，SoC)设计技术已经成为超大规模集成电路设计的主流技术。由于集成电路代工企业(foundry)的崛起，集成电路设计业已经成为一个增长十分迅速的、独立的新兴产业。这里需要指出的是，集成电路设计业的成长与集成电路设计自动化产业技术的发展密不可分。 在对电路进行分类时常常会提到“数字电路”和“模拟电路”在集成电路设计领域，数字集成电路和模拟集成电路意味着集成在一个电子系统的这两种电路有不同的使命，两者具有协调、互补的关系。另外，由于设计数字集成电路和模拟集成电路的流程、方法以及对设计者知识面的要求各不相同，因此，事实上已经形成了“数字集成电路设计工程师”和“模拟集成电路设计工程师”两个不同的群体。包含有数字电路和模拟电路的SoC芯片是数字工程师和模拟工程师通力合作的结果。这种数模混合的SoC芯片设计技术的发展是与近年来的系统设计和数模混合电路电子设计自动化(EDA)工具的进步，特别是各种可重用和重构的集成电路智权芯核(intellectual property，IP)的开发与积累分不开的。当然，数字和模拟集成电路本身也是集成电路的产品。 本章主要讲述与模拟集成电路有关的内容，不涉及数字集成电路。需要注意的是，模拟电路设计是与数字电路设计同步发展起来的，与集成电路的制造工艺和EDA工具的变迁密不可分。本书中不仅分析模拟集成电路的基本理论知识，而且结合目前国际上主流的模拟集成电路设计EDA工具，给出了具体设计电路的方法，以达到读者通过练习能够快速掌握实际的模拟集成电路设计技术的目的。 这里需要强调的是，对从事开发与设计模拟集成电路技术的工作人员来讲，除了模拟集成电路设计外，还应该具备对电路系统、芯片应用环境的分析能力，以及逻辑分析的能力[5]。 1.2模拟集成电路的分类及制造工艺 1.2.1模拟集成电路的分类 模拟电路历史悠久，而且其设计对象的范围也很大。模拟集成电路随着半导体集成电路工艺的发展，以及各种模拟电路应用的普及得到迅速发展。目前的模拟集成电路种类繁杂，可以分为通用模拟集成电路、专用模拟集成电路两大类。 另一方面，如果按照被处理的信号的频率来分类，可以大致分为低频模拟集成电路和高频模拟集成电路两大类。高频集成电路，在设计时有时虽然频率的位数只增加1位，但电路的设计方法与低频电路的设计方法会完全不同。如果电路处理的信号频率属于射频(radio frequency，RF)频率，那么这类集成电路属于RF模拟集成电路。 通用模拟集成电路正如其名所意，没有限定产品的种类，具有多种产品的共同的功能，也就是用途广泛的模拟集成电路。而像无线电专用和音频专用模拟集成电路等，原则上只能在某一类产品范围内使用的模拟集成电路，则是专用模拟集成电路。通用模拟集成电路的种类较少，这是模拟集成电路的特点。下面以美国国家半导体公司(NSC)的产品目录为例，介绍通用模拟集成电路与专用模拟集成电路。 1.通用模拟集成电路 (1)运算放大器(operational amplifier，OP-AMP)、比较器和缓冲器。运算放大器包括高速、高精度、低噪声、低功耗、轨对轨(rail-to-rail)等各种通用运算放大器。比较器包括高速、高精度比较器。缓冲器主要是单位增益的输入和输出电压的电平转换。 (2)参考基准。电压与电流源基准，包括低噪声系数、低噪声电压与电流基准。 (3)电源管理。主要包括低压差线性稳压器(low-drap output，LDO)、升压与降压式直流电压转换器(direct-current voltage converter，DC-DC)、电池充放电保护电路等。 (4)模数与数模转换电路(analog-to-digital converter/digital-to-analog converter，ADC/DAC)。主要有高精度sigma-delta()型ADC与DAC电路、高速ADC/DAC电路、低功耗ADC/DAC电路。 2.专用模拟集成电路 (1)音频放大专用运算放大器。包括各种输出类型的放大器、耳机放大器、立体声放大器等。 (2)专用显示驱动电路。包括发光二极管(LED)、液晶显示(LCD)、平板显示器(flat panel)、VF、CR丁监视器专用显示驱动电路等。 (3)专用接口电路。包括全差分信号与单端信号的接口与缓冲器、差分与单端信号的接发送器、各种标准的以太网接口电路，以及其他标准的专用接口电路。 (4)温度传感控制电路。温度开关、数字与模拟温度传感控制电路、硬件温度监控电路。 (5)其他专用模拟集成电路。如汽车专用模拟集成电路、无线专用模拟集成电路、通信专用模拟集成电路、时钟发生电路等。 以下给出几个模拟集成电路的结构图并进行说明。图1-1所示是一个典型的低压差线性稳压器(LDO)的结构[9]。LDO主要使用在电池供电的便携式电子产品中。便携式电子设备在使用过程中，电池的输出电压逐渐下降，另外电子设备丰富的功能使得在使用时对电能的要求变化很大，因此需要通过稳压器对输入电压(电池电压)进行调整，使输出电压，即电子设备的供电电压在各种情况下达到稳定。如图1-1所示，LDO由电流与电压基准电路、误差放大器、调整管和反馈电阻组成。误差放大器将输出反馈电压与参考电压进行比较，并放大其差值用来控制调整管的导通状态，从而达到稳定输出电压的目的。 图1-1LDO的结构 图1-2是降压式直流电压转换器(DC-DC)的结构[10]，这是一种基于开关电源稳压原理的电压型脉宽调制型(pulse-freguency modulation，PWM)控制的降压式直流电压转换器。图1-2中虚线内的器件是芯片外部的器件，Rout是负载电阻，RF1、RF2是反馈电阻，电感与电容组成滤波器。输出电压经过采样后得到反馈电压，并与参考电压比较得到误差电压，误差放大器将误差电压放大后得到比较器正端的电压信号，它与锯齿波信号在PWM比较器内比较后得到开关控制信号，以决定开关管的开通与关闭时间，达到稳定输出电压的目的。 图1-2DCDC的结构 图1-3是电能计量专用集成电路结构。该电路首先对交流电压与电流进行采样，得到的采样信号经过模拟与数字转换电路得到两路数字信号，数字信号经过相位矫正、滤波后进行相乘和滤波而得到功率值，经过数据与频率信号的转换后将信号输出以驱动步进马达，进行电能计量。 图1-3电能计量专用集成电路结构 通过上述例子可以看到，规模较大的专用模拟集成电路芯片往往包含有运算放大器、电压与电流基准等电路，而运算放大器的性能往往决定了整个模拟集成电路的性能，因此运算放大器是模拟集成电路的基本电路，也是核心电路。另外，专用模拟集成电路内部包含有通用模拟集成电路的通用模块。通用模拟集成电路应用于许多领域，其作为半导体产品具有寿命长、性能稳定的特点，因此用户不必像使用专用模拟集成电路那样要承担巨额的开发费用。并且因为有许多生产厂家都在生产同一种型号的产品，不必要担心买不到所需要的芯片，价格低廉也是通用模拟集成电路的特点。通用模拟集成电路的生产厂家比较容易做生产安排，因为通用电路的市场是巨大的。 随着半导体技术的微细化进程的发展，以及各种加工工艺技术水平的提高，专用电路的种类也大大增加。目前的系统芯片(SoC)实际上包含有系统电路的全部功能，例如，各种标准的接口电路、驱动电路、ADC/DAC、功率管理等由模拟集成电路来承担，信号处理与传输、存储等则由数字电路完成。 1.2.2模拟集成电路的制造工艺技术 目前，模拟集成电路的制造工艺主要有双极型工艺、CMOS工艺、BiCMOS、砷化镓和锗硅工艺。其中，砷化镓和锗硅工艺技术用于制造射频集成电路，BiCMOS技术是双极型工艺和CMOS工艺的集合，既能制造双极型器件，又能制造NMOS和PMOS晶体管，具有两种工艺的优点。另外，还有抗干扰性能强的SOS(silicon on silicon)工艺技术等。 大多数的数字集成电路都是用CMOS工艺生产的，考虑到系统芯片同时具有数字和模拟电路功能，以及工艺的成本问题，可以预计今后模拟集成电路的制造工艺也将以CMOS工艺为主。 1.3模拟集成电路设计流程 设计者的设计水平和能力与不断发展的半导体集成电路工艺技术之间存在距离，这一问题会在今后很长时间内存在。但是随着集成电路设计工具的进步带来的集成电路IP的复用技术以及模拟、数字及混合信号电路设计验证技术的提高，使得集成电路设计能力与半导体工艺技术之间的距离逐渐减小。 由于模拟CMOS集成电路处理的信号和电路工作原理与数字集成电路的不同，因此两者的设计流程是不同的。在数字电路中，为了提高集成度和降低电路的功耗，要求微细化和低电压驱动。但是模拟集成电路的技术是建立在运算放大器、电流镜电路等基本电路模块的基础上。这类电路的基本特点是相邻器件的特性一致性，即器件的精度和配对性要好;而器件的小型化和低电源电压与器件的精度和配对特性正好相反。 在CMOS数字电路中，PMOS管和NMOS管是配对使用的，在信号处理过程中通过一方导通，另一方截止的方法来降低功耗，因此人们将这种关系称为互补关系。但是在模拟集成电路中，为了保证信号的不失真，所有的MOS管必须处于导通状态，并不存在互补关系。 模拟集成电路的设计工作由系统设计、电路设计、版图设计和测试程序设计等多个部分组成。如今手工设计超深亚微米模拟集成电路已经不可能，必须采用先进的EDA软件工具在计算机上进行设计。基于模拟集成电路与数字集成电路完成的功能，以及设计参数的不同，因此在设计流程上是不同的，模拟集成电路一般采用模块化设计，即按系统定义和要求，设计基本的单元电路，例如运算放大器、比较器和基准电流电压源等，并进行复用。由于模拟电路的性能差异较大，因此关键的单元需要重新设计。模拟集成电路设计和开发的基本流程如图1-4所示[5]。 1.3.1系统定义与设计 按照电子产品的要求，研究拟开发的模拟集成电路的必要功能和性能，以及实现的方法。这一阶段，可以用印刷电路板和电子元器件进行实验，以验证电路系统功能。现在更多的是用Matlab/Simulink，以及Cadence公司的Artist或IUS系统仿真工具进行设计。 1.3.2电路定义与设计 按系统要求定义电路、设计电路。具体步骤为，输入具体的晶体管级电路图，对电路进行仿真，检测是否达到要求。检测内容除了基本功能外，需要对输入/输出动态范围、频率特性、相位裕量、电流/电压增益、温度特性和误差等特性进行分析。如果不符合要求，则需要对电路进行改进，并重新验证。如果电路规模较大，则需要将电路按功能分成几块，分别进行设计验证，*后组合到一起。电路仿真工具比较多，*著名的有HSPICE和Cadence公司的Spectre仿真器等。 图1-4模拟集成电路设计和开发流程 提到模拟集成电路的仿真器，一般都要讲到SPICE