CMOS模拟集成电路第14章—振荡器
CMOS 模拟集成电路课件完整
VTHN VTHN0
2qsi Na Cox
VGS 1 0 1.0 VDS 2 0 5
.op .dc vds 0 5 .2 Vgs 1 3 0.5 .plot dc -I(vds) .probe
*model .MODEL MNMOS NMOS VTO=0.7 KP=110U +LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7
.end
Systems
Ch13 开关电容电路
Ch14 DAC/ADC
complex Ch10 运算放大器 Ch7 频率响应
Ch11 稳定性和频 率补偿
Ch8 噪声
Ch12 比较器 Ch9 反馈
Ch3 电流源电流镜 simple Ch4 基准源 Circuits
Devices
Ch5 单级放大器 ch2 MOS器件
*Output Characteristics for NMOS M1 2 1 0 0 MNMOS w=5u l=1.0u
VGS 1 0 1.0 VDS 2 0 5
设计
属性/规范
系统/电路1
系统/电路2 系统/电路3
……
一般产品描述、想法 系统规范要求的定义
系统设计 电路模块规范定义
电路实现 电路仿真
否
是否满足系统规范
是 物理（版图）设计
物理（版图）验证
寄生参数提取及后仿真
否
是否满足系统规范
模拟CMOS集成电路设计：震荡器
為了在溫度和製程變化下能確保振盪出現，一般來說我 們選擇迴路增益至少為所需值的二或三倍。
類比CMOS積體電路設計 第十四章 振盪器
682
振盪回授系統
振盪回授系統的不同觀點。
類比CMOS積體電路設計 第十四章 振盪器
683
例題 14.1
益可被導出為
A0
1
1
OSC 0
2
那就是說A0=√2。如預期地，此數值比三級環形振盪器還小。
類比CMOS積體電路設計 第十四章 振盪器
695
例題 14.3〈續〉
答： 利用每級 45o 相位偏移，振盪器提供了四個相位及其互補組態。如圖 14.16所示。
類比CMOS積體電路設計 第十四章 振盪器
696
例題 14.4
維持於飽和區時，我們得到 ISSRP≦VTH，也就是在每個汲極之峰對峰振
幅不可超過 VTH。
如何決定最小供應電壓呢?如果 VDD 被降低時，在每個差動對之共 源極節點電壓會下降，如圖14.17(a)之 VP，且最後會驅使繼承電晶體進 入三極管區。因此我們必須計算最差情況之 VP 值，注意 VP 的確隨時間 變化，因為當輸入差變大時，M1 和 M2 所攜帶之電流不同。
答：
如果每級電路增益比 2 大，則振幅會成長直到每個差動對遇到完全的切 換，那就是說直到 ISS 在每半個週期中完全被導入其中一邊。所以在每 個節點之振幅為 ISSR1，從圖14.12之波形來看，我們也觀察到每級電路 都在一部份週期中位於其高增益區中(舉例來說當 |VX－VY| 很小時)。
類比CMOS積體電路設計 第十四章 振盪器
691
CMOS模拟集成电路设计
CMOS模拟集成电路设计CMOS模拟集成电路是一种基于互补金属氧化物半导体(CMOS)技术实现的集成电路，主要用于设计和制造各种模拟电路，如运放、滤波器、振荡器、功率放大器等。
本文将介绍CMOS模拟集成电路设计的原理、方法和相关技术。
CMOS模拟集成电路的设计原理是基于CMOS技术中的n型和p型金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOS和PMOS)。
这两种晶体管互补工作在导通和截止之间，通过改变栅极电压来控制电流的流动。
此外，CMOS技术还使用了源沟道结构和金属氧化物半导体(MOS)的结构特性，以提供可靠的电流和电压增益。
CMOS模拟集成电路设计的方法涉及到几个关键的步骤。
首先，设计师需要进行电路架构设计，确定电路所需的功能和性能指标。
然后，根据电路的需求，设计师需要选择和设计适当的基本电路单元，如差分放大器、共源共极放大器等。
接下来，设计师需要利用各种仿真工具对电路进行模拟和验证，以确保电路的稳定性和可靠性。
最后，设计师需要进行版图设计和布线，生成最终的集成电路布局。
在CMOS模拟集成电路设计过程中，设计师需要考虑到多种因素。
首先，设计师需要选择适当的工艺和器件参数，以满足电路性能和功率需求。
其次，设计师需要进行功耗和噪声分析，以优化电路的能耗和信号质量。
此外，设计师还需要考虑温度和工作条件下电路的性能稳定性。
CMOS模拟集成电路设计中的一项重要任务是电路的性能评估和优化。
设计师可以使用各种技术和工具来提高电路的性能，如电流镜设计、电源抑制技术、反相器结构优化等。
此外，设计师还可以通过器件和工艺的改进来提高电路的性能。
总结起来，CMOS模拟集成电路设计是一项复杂的任务，需要设计师具备深厚的电路和器件知识，以及熟练的仿真和设计工具的使用。
通过深入理解电路原理和方法，设计师可以设计出高性能和可靠的模拟集成电路。
在未来，随着CMOS技术的不断发展和改进，CMOS模拟集成电路将在各种应用领域发挥越来越重要的作用。
模拟电路振荡器
模拟电路振荡器振荡器是一种电子设备，能够产生连续的周期信号。
它在无线通信、计算机科学、音频设备等众多领域中起到重要作用。
本文将介绍模拟电路振荡器的原理、分类以及应用。
一、振荡器原理振荡器的基本原理是通过正反馈回路实现信号的自激振荡。
它包括振荡电路和反馈网络两部分组成。
振荡电路是指产生振荡信号的核心部分，常用的有RC振荡器、LC振荡器和晶体振荡器等。
其中，RC振荡器利用电容和电阻的组合构建振荡回路，LC振荡器则利用电感和电容的组合实现振荡。
晶体振荡器则借助石英晶体的特性来产生稳定的振荡信号。
反馈网络则是将一部分输出信号返回到振荡电路的输入端，以增强信号的幅度并使振荡持续下去。
常见的反馈网络包括电阻反馈、电感反馈和晶体反馈等。
二、振荡器分类根据振荡器输出信号的波形，振荡器可以分为正弦波振荡器、方波振荡器和脉冲振荡器等不同类型。
1. 正弦波振荡器正弦波振荡器能够产生幅度恒定、频率稳定的正弦波信号。
常见的正弦波振荡器有Wien桥振荡器、Colpitts振荡器和Hartley振荡器等。
它们的不同之处在于反馈网络的构成和工作原理。
2. 方波振荡器方波振荡器能够产生占空比为50%的方波信号。
其中，多谐振荡器和施密特触发器是常见的方波振荡器，它们利用多谐波分析和触发器的特性来生成方波信号。
3. 脉冲振荡器脉冲振荡器能够生成宽度小于周期的脉冲信号。
常用的脉冲振荡器有双稳态多谐振荡器和单稳态多谐振荡器等。
它们通过电容充放电的方式来生成脉冲信号。
三、振荡器应用振荡器在各个领域中都有广泛的应用。
以下是一些常见的应用示例：1. 通信系统中的局部振荡器：在无线电、电视和手机等通信系统中，振荡器被用于产生高频信号，以实现信号的调频和解调。
2. 时钟电路：计算机、数字电子设备和集成电路中都需要时钟信号来同步各个部件的工作。
振荡器作为时钟电路的核心元件被广泛应用。
3. 音频设备：振荡器作为音频发生器被用于产生各种音调和声音效果，应用于音乐合成器、音频合成器等音频设备。
第14章版图设计基础(半导体集成电路共14章)讲解
AHDL
SPECTURE
逻辑图
寄存器传输级 描述 寄存器传输级 模拟与验证
综合 逻辑模拟 与验证
DC modelsim
SPICE/ SPECTURE
电路图
电路模拟 与验证
版图生成
CADENCE的Virtuso
APOLLO(自动)
版图几何设计规则和 电学规则检查
同右
网表一致性检 查和后仿真
4.PAD单元
PAD单元部分包括： （1）绑定金属线所需的 可靠连接区域 （2）ESD保护结构 （4）与内部电路相连的 接口 （3）输入、输出缓冲器
（1）绑定金属线所需的可靠连接区域
（2）ESD保护结构 ESD:ElectroStatic Discharge
输入I/O栅保护电路
其余ESD保护电路见P397
Dog Bone
接触孔 ：
CON.1 最大/最小接触孔尺寸 CON.2 接触孔最小间距 CON.3 CON.5 扩散区的接触孔与边沿的距 离 多晶硅栅上的接触孔到多晶 硅栅边界的距离 0.40x0.40
CON.5 CON.2 CON.3 CON.1 CON.6 CON.5 Legend Comp Poly 2 Contact
PAD 3.13 PAD.3.14
M3
Via2
M2
via1
M1
键合点（PAD）
PAD.1 PAD.2 PAD.3.1
宽度 间距 顶层金属四周覆盖键合点距离
70 30 2.5
说明：实际版图中的pad都是有保护电路的，且厂商会 提供经过若干次实验的电路。
二、版图设计步骤(人工)
版图检查与验证
总体版图
半导体 集成电路
模拟cmos集成电路设计知识点总结
模拟cmos集成电路设计知识点总结模拟CMOS集成电路设计是一个涉及多个学科领域的复杂课题，包括电子工程、物理、材料科学和计算机科学等。
以下是一些关键知识点和概念的总结：1. 基础知识：半导体物理：理解半导体的基本性质，如本征半导体、n型和p型半导体等。
MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）工作原理：理解MOSFET的基本构造和如何通过电压控制电流。
2. CMOS工艺：了解基本的CMOS工艺流程，包括晶圆准备、热氧化、扩散、光刻、刻蚀、离子注入和退火等步骤。
理解各种工艺参数对器件性能的影响。
3. CMOS电路设计：了解基本的模拟CMOS电路，如放大器、比较器、振荡器等。
理解如何使用SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）进行电路模拟。
4. 噪声：理解电子器件中的噪声来源，如热噪声、散粒噪声和闪烁噪声等。
了解如何减小这些噪声的影响。
5. 功耗：理解CMOS电路中的功耗来源，如静态功耗和动态功耗。
了解降低功耗的方法，如电源管理技术和低功耗设计技术。
6. 性能优化：理解如何优化CMOS电路的性能，如提高速度、减小失真和提高电源效率等。
7. 可靠性问题：了解CMOS电路中的可靠性问题，如闩锁效应和ESD（静电放电）等。
8. 版图设计：了解基本的版图设计规则和技巧，以及如何使用EDA（Electronic Design Automation）工具进行版图设计和验证。
9. 测试与验证：理解如何测试和验证CMOS集成电路的性能。
10. 发展趋势与挑战：随着技术的进步，模拟CMOS集成电路设计面临许多新的挑战和发展趋势，如缩小工艺尺寸、提高集成度、应对低功耗需求等。
持续关注最新的研究和技术进展是非常重要的。
以上是对模拟CMOS集成电路设计的一些关键知识点的总结，具体内容可能因实际应用需求和技术发展而有所变化。
深入学习这一领域需要广泛的知识基础和持续的研究与实践。
第14章集成电路版图设计PPT课件
• 完成一个反相器的版图设计
2020/9/21
25
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版图设计中的相关主题
1. Antenna Effect 2. Dummy 的设计 3. Guard Ring 保护环的设计 4. Match的设计
2020/9/21
层次表示 含义
Nwell
N阱层
Active
N+或P+有源 区层
Poly 多晶硅层
Contact 接触孔层
Metal Pad
金属层
焊盘钝化 层
标示图
15
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16
2020/9/21
17
2020/9/21
Hale Waihona Puke N阱设计规则编 描 述尺
目的与作用
号
寸
1.1 N阱最小宽 (1μ0m.) 保证光刻精度和器
• 设计规则是各集成电路制造厂家根据本身的工艺特点和技术水平而制定的。 因此不同的工艺，就有不同的设计规则。
• 掩膜上的图形决定着芯片上器件或连接物理层的尺寸。因此版图上的几何图
形尺寸与芯片上物理层的尺寸直接相关。
2020/9/21
13
版图几何设计规则
• 版图设计规则：是指为了保证电路的功能和一定的成品率而提出的一 组最小尺寸，如最小线宽、最小可开孔、线条之间的最小间距。
• 1.设计规则检查(DRC) • 2.版图寄生参数提取(LPE) • 3.寄生电阻提取(PRE) • 4.电气规则检查(ERC) • 5.版图与线路图比较程序(LVS)
第14章集成电路版图设计
度
0
件尺寸
1.2 N阱最小间 10. 防止不同电位阱间
距
0
干扰
1.3 N阱内N阱 2.0 保证N阱四周的场
覆盖P+
注N区环的尺寸
1.4 N阱到N阱 8.0 外N+距离
减少闩锁效应
P+、N+有源区设计规则
编 描 述 尺寸
目的与作用
号
2.1 P+、N+有 3.5 保证器件尺寸，
源区宽度
减少窄沟道效应
2.2 P+、N+有 3.5 减少寄生效应
生成时钟树文件
2020/1/13
调试的方法
• insert and delete buffers
• upsize and downsize cells
• change cell position
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布线
2020/1/13
基本布线方式
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布时钟
2020/1/13
生成SDF文件
2020/1/13
2020/1/13
DRC 文件
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共85页
7
• 第五张mask是p＋mask。 p＋在Nwell中用来定义PMOS管。
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共85页
8
• 第六张mask就是定义接触孔。 腐蚀SiO2到需要接触的层的表面。其次要能够 使金属接触到扩散区或者多晶硅区。
2020/1/13
共85页
9
• 第七张mask就是金属1（metal1）。 需要选择性刻蚀出电路所需要的连接关系。
2020/1/13
2020/1/13
2020/1/13
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2013-8-4
13
VCO
• 4.1 环形振荡器调节（续）
正反馈引起的延时变化 半边电路等效： I1↑→|-1/gm3,4|↓ →（ -1/gm3,4）||R1,2=R/(1-gm3,4R)↑ →fosc ↓ -2/gm
半边等效
缺点：R1R2上的电流在控制过程中会发 生变化，输出摆幅在调节范围内变化
2 RS LP L1 1 2 2 L1 L 1
RP
2 L1 2
RS
Q 2 RS
谐振频率
1
1 LP C P
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9
LC振荡器
• 3.2 “调谐”电路
LC回路作负载
谐振时， Av g m1 RP
接成反馈形式，谐振时，总相移等于180， 所以不能振荡
2013-8-4
21
VCO的数学模型
5、VCO的数学模型
• 相位与频率
d dt
2013-8-4
dt 0
22
VCO的数学模型
• VCO
Vout (t ) Vm cos( out dt 0 ) Vm cos( 0t KVCO Vcont dt 0 )
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10
LC振荡器
• 3.3 交叉耦合振荡器
起振条件： 谐振时，总相移为0
g m1 RP1 g m 2 RP 2 1
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11
VCO
4、压控振荡器
• 定义
中心频率 调节范围ω2－ ω1
调节线性度 输出摆幅 功耗 电源与共模抑制 输出信号纯度： 信号抖动（Jitter）;相位噪声 2013-8-4
12
VCO
• 4.1 环形振荡器调节
改变负载 每一级中，M3M4处于线性区（三 极管区），由Vcont控制
1 Ron3,4CL
缺点：输出摆幅在调节范围内变化大
改变电流源
控制ISS改变振荡频率
固定负载管的VDS，保证输出摆幅 （ISSRon）：M5工作在线性区，通过 A1反馈固定VDS，M3和M4跟随M5的 导通电阻。
CMOS模拟集成电路设计
振荡器
提纲
提纲
• • • • • 1、概述 2、环形振荡器 3、LC振荡器 4、压控振荡器 5、VCO的数学模型
2013-8-4
2
概述
1、概述
• 振荡条件
负反馈系统
巴克豪森准则
2013-8-4
3
环形振荡器
2、环形振荡器
• 环形振荡器起振
单极点负反馈系统相移：max 270 ° 双极点负反馈系统相移：360°@∞ 三极点负反馈系统相移 环路增益
17
VCO
• 4.2 LC振荡器的调节
1 LC
反偏pn结可以当作变容二极管
保证变容二极管反偏或正偏较弱
2013-8-4
19
VCO
• 4.2 LC振荡器的调节（续）
变容二极管
N阱与衬底的电容 减小串连电阻
2013-8-4
20
VCO
• 4.2 LC振荡器的调节（续）
变容二极管 消除N阱与衬底的电容的影响 采用PMOS器件电路
1个TD
Y跳变 1个TD
Z跳变
振荡周期2NTD＝6TD
2013-8-4
7
LC振荡器
3、LC振荡器
• 3.1 LC振荡回路
理想（无损）并联LC回路
1 LC
实际（有损）并联LC回路含电阻成份 品质因数
Q L1 RS
阻抗
2013-8-4 8
LC振荡器
• 3.1 LC振荡回路（续）
串联→并联 在较窄的频率范围内ZS＝ZP 得到
H (s)
3 A0
H 0 ( s)
A0 s 1
0
arctan
osc 60 0
3
s 1 0
3
osc 3 0
3 A0 2 osc 1 0
ห้องสมุดไป่ตู้1
A0＝2
4
2013-8-4
环形振荡器
• 振幅限制
三级环形振荡器的闭环增益
分母
2013-8-4
5
环形振荡器
• 振幅限制（续）
三级环形振荡器中，A0不同时，极点情况
不起振 当A0>2时，
2013-8-4
振荡
振荡，→∞，实际 上电路经历非线性， 最终达到“饱和”
6
环形振荡器
• 反相器构成的环形振荡器
大信号工作 X跳变 1个TD
正反馈引起的延时变化（续） 为了避免消耗了额外的电压余度， 采用电流折叠结构
2013-8-4
16
VCO
• 4.1 环形振荡器调节（续）
插值法改变延迟
快路径导通，慢路径关断，产生最大振荡频率； 快路径关断，慢路径导通，产生最小振荡频率； Vcont落在两极中间时，产生中间振荡频率。
2013-8-4
剩余相位
ex KVCO Vcont dt
ex
Vcont K VCO (s) s
积分器的传输函数
2013-8-4
23
2013-8-4
14
VCO
• 4.1 环形振荡器调节（续）
正反馈引起的延时变化（续）
利用差动对，使IT=ISS+I1，保证 输出振幅为2R1,2IT
为了避免M1M2没有电流通过， 在P点增加一个小恒流源IH，以 避免因此造成振荡停止。 缺点：消耗了额外的电压余度
2013-8-4
15
VCO
• 4.1 环形振荡器调节（续）