模拟集成电路的特点及设计平台_李儒章

with, with emphasis on electronic design autom ation ( EDA) t ools and hardwa re platforms for EDA, a s well as the
design librar y associa ted wit h pr ocess. Fina lly, the design flows of analog and RF IC’s is elabora ted, and process
产品开发到设计手段和工艺条件的提高都受到人们 调、升压、降压、稳压等功能。在电子系统中, 需要采
广泛的关注, 数字 IC 的市场占有份额也明显领先于 用不同功能的模拟 IC。模拟 IC 所处理信号的多变
模拟 IC。但是, 我们毕竟处在一个物质社会中, 声、 性、功能的复杂性以及性能指标的精确性, 使其设计
字 IC 处理的是低与高( 即 0 和 1) 两种状态的信号; 代电子系统, 都离不开模拟 IC。模拟 IC 在电子系统
而模拟 IC 所处理的是信号大小、电压高低这样的连 中执行对模拟信号的接收、混频、放大、比较、乘除运
续信号。随着数字时代的到来, 数字 IC 从功能扩展、 算、对数运算、模拟/ 数字转换、采样/ 保持、调制/ 解
在模拟 IC 版图设计方面, 由于模拟 IC 和所采 用器件的不规则性, 加上布局/ 布线对电路性能的影 响, 目前主要采用人工设计, 即根据电路图中的器件 类型、结构、大小及连接关系, 利用版图设计工具进 行器件的布局和布线。版图设计中, 可采用参数化单 元( P -Cell ) 版图和保存在版图库中的器件版图来进 行版图设计, 以提高设计的效率。目前的设计工具提 供了完善的版图验证工具, 在保证版图满足设计规 则的同时, 还可保证器件的大小以及连接关系与电 原理图完全一致, 从而消除版图设计中的人为错误。 对于精度和频率要求较高的模拟 IC, 还可以在版图 设计完成后, 通过寄生的参数提取进行后仿真, 从而 减小寄生效应对电路性能的影响, 达到一次设计成
摘 要: 讨论了常规和射频模拟集成电路( IC) 设计和工艺的特点, 介绍了模拟集成电路设计平
台, 着重论述了电子设计自动化的软件工具、硬件平台, 以及设计与工艺接口的设计数据库。详细介
绍了模拟 IC 及 RF IC 的设计流程和工艺设计包。
关键词: 模拟 IC; 射频 IC; 电子设计自动化; 设计工具; 硬件平台; 设计流程
1 引 言
1958 年, 杰克·基尔比在锗材料上用 5 个元件 实现了一个简单的振荡器电路, 成为世界上第一块 集成电路。这一发明揭开了二十世纪信息革命的序
来进行数据的传输, 因而模拟 IC 所起的作用是数字 IC 无法替代的。从全球半导体市场来看, 2002 年, 模拟 IC 的全球收入为 239 亿美元, 2003 年的增长 幅度为 15% 左右, 达到 270 多亿美元, 市场份额保
IC 仿真要求提供精确的元件值( 如方块电阻、单位 面积电容) 和有源器件的模型参数以及它们与温度 的关系。这些参数必须从实际工艺流片结果中通过
器件测试、统计分析和参数提取才能得到。如果工艺 的稳定性不好, 将导致实际器件与模型参数所描述 器件的电性能不一致, 有时还会导致流片结果在性 能上, 甚至功能上, 都很难达到设计的要求。因此, 器 件模型参数必须来源于工艺, 它们是模拟 IC 工艺线 在设计系统上的真实反映。
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李儒章: 模拟集成电路的特点及设计平着通信技术的飞速发展, 一种有别于上述集 成电路的模拟 IC 越来越引起人们的重视, 这就是射 频集成电路( RF IC) 。它的特点是电路工作在 1～5 GHz 频率范围内。目前, RF IC 的产品有低噪声放 大 器 ( LNA) 、锁相环( PLL) 和 压控振荡 器( VCO) 等。它通常与其它模拟 IC 一起组成一个小系统, 比 如, 手机前端 RF 处理电路中就包括了 LNA、P LL 和 VCO 等电路。RF IC 主要应用于有线通信和无线 通信。其中, 在无线领域中的典型应用为蜂窝电话无 线电、定位系统、无线连接应用等, 在有线领域中的 应用为基于光纤网络的同步数据传输。
段。据统计, 2003 年全球半导体产值为 1 640 多亿美
模拟 IC 用于处理幅度、时间以及频率等连续变
元, 并且还将以 12. 5 % 的增长率发展。
化的信号(如正弦波等), 数字 IC 则处理阶梯变量
传统的 IC 主要有数字 IC 和模拟 IC 两大类。数 ( 0, 1) 信号。可以说, 任何一套与现实世界接口的现
模拟 IC 本身包括了许多无法用表达式有效描
述的参数指标, 如增益、噪声、线性度、动态范围和温 度漂移等, 因此, 它没有一个独立于电路本身的设计 步骤。目前, 许多模拟 IC 要在电路结构确定后, 通过 修改元件的面积、宽/ 长比等几何尺寸, 使电路达到 所要求的性能指标。因此, 模拟 IC 设计是一个知识 密集、多阶段和反复迭代加以完善的过程, 其设计自 动化程度大大低于数字 IC。多数模拟 IC 只能由经 验丰富的专业设计师借助 CAD 工具来完成设计。
随着应用频率的不断提高和应用功能的不断扩 大, RF IC 的设计变得越来越复杂。它不仅需要一条 基于硅的高水平工艺线和一套设计自动化 CAD 工 具, 而且还需要针对器件模型化以及工艺与设计接 口的设计自动化两方面开展工作。图 2 给出了这一 关系的结构示意图。
图 2 实现 R F I C 设计的结构关系图
RF IC 设计要求先进的 RF / 混合信号工艺技术 和自动化设计环境。无线领域应用中的单片 RF IC 设计不仅要求优良的有源器件( 如 BJT 和 MOS 器 件) 、高精度噪声指数的精细模型以及失真分析等, 还要 求高 Q 值 的无 源器 件( 即 电感、变 容器 和电 容) 。而有线 RF IC 的设计则要求非常高速的有源 器件的工艺、器件( 尤其是 F ET 器件) 的 RF 仿真模 型, 以及互连线模型和场方程的求解软件。
从 CA D 设计工具来看, 常规模拟 IC 的仿真工 具主要采用晶体管级的类似于 Spice 的电路仿真程 序, 即通过建立节点方程并通过方程的求解, 得到电 路的功能和性能, 达到仿真的目的。所进行的仿真通 常包括直流( DC) 仿真、瞬态仿真( 时域仿真) 和交流 仿真( 频域仿真) 。其中, DC 仿真用于电路的工作点 设计和分析; 瞬态仿真用于分析电路的输入/ 输出波 形响应, 如延迟时间、上升/ 下降时间、输出幅度等参 数的分析; 交流仿真则主要用于放大器设计中的频 率响应的分析, 包括增益、带宽和相位等指标。在这 三种仿真中, 通过设置多个温度点即可完成电路的 温度性能仿真。对于目前所使用的 CAD 工具, 由于 其提供了较好的图形界面用于电路图的输入、一体 化的仿真和波形分析, 因而设计师在使用这类工具 时比较得心应手。与数字 IC 仿真中要求的门级延 迟、阈值电压和驱动能力等参数完全不同的是, 模拟
模拟 IC 按芯片结构可分为混合集成型和单片 集成型; 按电路的应用范围可分为线性 IC、混合信 号 IC 和射频( RF ) IC。其中, RF IC 是近几年为满足 通信系统的要求而发展出来的一个门类。由于混合 型模拟 IC 的设计和加工有别于单片模拟 IC, 所以, 本文所提到的模拟 IC 均针对单片集成模拟 IC。 2. 1 常规模拟 IC 及设计方法
中图分类号: T N431. 1
文献标识码: A
The Characteristics of Analog IC and Its Design Platform
LI Ru-zhang
( Nat ional Laboratory of Anal og Int egr at ed Ci rcuit s; Sichu an I nst it ute of Sol id -St ate Cir cuit s, CET C, Chong qing 400060, P. R. China)
常规模拟 IC 按其应用范围或功能, 可以分为线 性和混合信号 IC 两大类, 如图 1 所示。
图 1 常规模拟 IC 的分类
为了适应不同的需求, 在模拟 IC 中, 相同功能 ( 相同门类) 的产品品种很多, 这些品种的性能指标 有着非常大的差异。以放大器门类中的运算放大器 为例, 按其本身的性能, 可分为高速、高增益带宽、低 噪声、低失调、高电压、低电压、大功率、低功耗、高精 度等, 还可分为单运放、双运放、四运放、单电源、双 电源等。放大器的这些特点使得它成为应用范围最 广、品种最多的一类模拟 IC。
光、图像和温度等都是模拟信号, 需要使用模拟信号 和工艺的难度都高于数字 IC 的设计和工艺难度; 并
收稿日期: 2004-04-10; 定稿日期: 2004-05- 10
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李儒章: 模拟集成电路的特点及设计平台
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且两者所采用的设计工具和设计对工艺加工平台的 要求也是完全不同的。
又如模拟/ 数字( A/ D) 转换器, 从结构上, 可分 为全并行、流水线、积分型、两 步转换型、逐次比较 型、插值型以及 2 -$ 过采样等结构; 从输出类型看, 有 T TL、ECL ( 包括 PECL) 、CMOS 和 LV DS 等电 平输出; 从转换器本身的单元构成来看, 又有内含和 非内含基准电路、内含采/ 保和非内含采/ 保电路、内 时钟和外时钟电路等之分。因此, 数据转换器在体现 其种类多、应用范围广、功能模块复杂的同时, 也反 映出它本身的设计难度和工艺难度。可以说, 数据转 换器产品( 尤其是 A/ D 转换器) 的设计和加工水平 代表了常规模拟 IC 设计和加工的最高水平。
Abstr act: T he char acter istics of conventional ana log integr ated cir cuits and radio frequency integrat ed circuits