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3、out,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,CMOS集成电路的版图作用,芯片加工：从版图到裸片,是一种多层平面“印刷”和叠加过程。,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,教材和参考书,P.Allen,D.Holberg,“CMOS Analog Circuit Design”,B.Razavi,“Design of Analog Integrated Circuit Design”,电子工业出版社,清华大学出版社,西安交通大学出版社,P.Gray,“Analysis and Design of Analog Integrated Circuits”,高等教育出版社,D.Johns,K.Marti
4、n,“Analog Integrated Circuit Design,机械工业出版社,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,教材和参考书,电路设计与仿真-CMOS电路模拟与设计-基于Hspice,科学出版社,其他搜集整理的资料,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,考核方式,总原则学到东西、相对公平考核方式闭卷考试,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,授课内容,绪论,重要性、一般概念,单级放大器,无源/有源电流镜,差动放大器,放大器的频率特性,噪声,运算放大器,反馈,稳定性和频率补偿,共源、共漏、共栅、共源共栅,定性分析、定量分析、共模响应、吉尔伯特单元,弥勒效应、极点与节点关系、各类单级放大器
5、频率特性分析,统计特性、类型、电路表示、各类单级放大器噪声分析、噪声带宽,特性、四种反馈结构、负载影响、对噪声的影响,性能参数、一级运放、两级运放、各指标分析,多极点系统、相位裕度、频率补偿,器件物理基础,MOSFET结构、IV特性、二级效应、器件模型,带隙基准源,与电源无关、与温度无关、PTAT电流、恒Gm、速度与噪声,基本/共源共栅/有源电流镜,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,本讲,研究模拟电路的重要性模拟电路设计的难点研究AIC的重要性研究CMOS AIC的重要性电路设计一般概念抽象级别健壮性设计符号约定,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,为什么要研究模拟电路？,现代电路系统不可或
6、缺的一部分数字电路的信号处理能力不断增强再强大也无法完全取代模拟电路在电路系统中的角色RF、ESD、ADC、DAC、PLL应用实例自然界信号的处理数字通信磁盘驱动电路无线接收器光接收器传感器微处理器和存储器,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,自然界信号的处理,自然界信号是模拟量声音、光、震动等,速度、精度、功耗,信号处理,信号太小时需要先放大,滤除信号频带外的干扰,探测器输出,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,数字通信,电缆数据传输长距离、高速时有限带宽，大衰减，不适于高速远距离传输解决办法？,信号衰减、失真,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,数字通信,用下图示接收电路,西电微电子学院董
7、刚模拟集成电路设计,数字通信,采用多电平传输以降低信号带宽降低了发送和接收电路的带宽要求发送端增加DAC，接收端用ADC识别,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,磁盘驱动电路,磁盘数据读取磁性信号数据磁头电信号数据读取方法：放大滤波数字化,幅度仅几mV；有较大噪声和失真,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,无线接收器,RF接收器天线接收的信号幅度仅几V，有很大干扰信号，中心频率1GHz以上,对接收电路要求放大小信号，极低噪声抑制干扰信号高频工作功耗，成本等,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,光接收器,光纤数据传输极高带宽，很低损耗，适用于高速、远距离传输电信号数据光信号数据电信号数据（小电流
8、）接收电路要低噪宽带，以高速检出小信号,1040Gb/s,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,传感器信号的处理电路,传感器系统遍布生活各角落力（加速度计），热（电子温度计），声（麦克风，超声系统），光（数码相机），磁（磁头），高能粒子（安检X光机）等探测器信号的处理电路放大、滤波、ADC、DSP、数据传输等,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,传感器信号的处理电路,加速度计探测器信号处理电路,检测该电容绝对值的变化量,1的改变量，高精度信号检出电路很难设计,检测两个电容的差值,降低信号检出电路的设计难度,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,微处理器和存储器,微处理器典型的数字电路高端CPU的设
9、计离不开资深AIC设计师的参与寄生电容/电阻/电感、封装等对电路性能指标（速度等）的影响高速数据线、时钟线的时序正确必须把很多数字信号当作模拟信号来考虑、处理存储器存储单元、灵敏放大器等都必须由AIC设计师设计。高速、大规模存储器更是如此,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,结论,模拟电路是现代电路系统中必不可少的一部分数字电路无法完全取代模拟电路电子产业需要大量优秀的模拟电路设计师,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,本讲,研究模拟电路的重要性模拟电路设计的难点研究AIC的重要性研究CMOS AIC的重要性电路设计一般概念抽象级别健壮性设计符号,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,模拟电路设
10、计的难点在哪里？,设计关注点多：包括速度、功耗、增益、精度、电源电压等；数字电路主要是速度、功耗高精度模拟电路对低噪声、低串扰、抗干扰等要求很高；数字电路在这方面要求低很多器件的二阶效应对电路性能影响大；对工艺参数变化的敏感度比数字电路高很多设计的自动化程度低，很多靠手工设计；数字电路设计自动化程度高模拟电路的建模和仿真难度大，对设计者经验和直觉的要求高针对DIC加工工艺设计、加工的AIC会增加设计难度数模混合会增大AIC的设计难度,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,本讲,研究模拟电路的重要性模拟电路设计的难点研究AIC的重要性研究CMOS AIC的重要性电路设计一般概念抽象级别健壮性设计符
11、号,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,模拟电路为什么要走向IC？,模拟电路的实现方式在PCB板上，用分离元件搭建电路系统在一个衬底上加工出各类基本元件并实现元件间的互连，构成整个电路系统AIC集成度在逐年增加，特征尺寸逐年下降（Moore定律），能集成的电路规模在增大AIC的优点高集成度高速度高精度低功耗大批量时成本低,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,AIC的实现工艺,基于Si材料双极工艺核心元件为NPN、PNP晶体管MOS工艺核心元件为NMOS、PMOS晶体管体硅工艺、SOI工艺等基于其他材料GaAs（极高迁移率，超高速）、锗等,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,本讲,研究模拟电路的
12、重要性模拟电路设计的难点研究AIC的重要性研究CMOS AIC的重要性电路设计一般概念抽象级别健壮性设计符号,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,用CMOS工艺实现AIC的优势？,CMOS工艺的核心元件MOSFET金属-氧化物-半导体场效应晶体管发明早（1930），在IC上实用晚（1960s初期）CMOS工艺发明于60年代中期特点：低功耗、高集成度、制造成本低首先用于DIC，再用于AIC,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,用CMOS工艺实现AIC的优势？,与双极工艺比优点输入阻抗大，加工成本低，低功耗，易于实现数模混合电路（是实现SOC较佳选择），设计自由度大（小信号特性依赖于器件尺寸和直流
13、偏量，双极只依赖于直流偏量）缺点低增益，速度慢（在改善，几十GHz），噪声大（也在改善）,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,本讲,研究模拟电路的重要性模拟电路设计的难点研究AIC的重要性研究CMOS AIC的重要性电路设计一般概念抽象级别健壮性设计符号,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,抽象级别,抽象从不同高度（角度）“观察”同一个事物为什么要抽象？我们关心的对象或感兴趣的程度是变化的把复杂度控制在一定范围内抽象级别器件级晶体管级（电路级）结构级系统级AIC设计师应能在不同抽象级间自由切换成功的高性能IC都是分工协作、优势汇总的结果，IC设计师需要学会协作,西电微电子学院董刚模拟集成电路设
14、计,抽象级别,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,健壮性AIC设计,设计过程设计要求确定工艺线设计、仿真流片加工测试分析电路性能会随工艺、电源电压、温度变化而改变PVT健壮性AIC对PVT的变化敏感度低,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,符号,信号直流偏置信号交流小信号总信号=直流偏置+交流小信号教材上一般用大写字母表示信号量根据上下文很容易判断出它属于哪一类信号,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,总结,数字电路无法完全取代模拟电路，模拟电路是现代电路系统中必不可少的一部分模拟电路设计的难点比数字电路不同关注点、噪声和干扰、器件二阶效应、设计自动化程度、建模和仿真、工艺、数模混合AIC具有
15、高速度、高精度、低功耗、大批量时成本等优点用CMOS工艺设计、加工AIC具有加工成本低、易实现数模混合等优点，被广泛采用,西电微电子学院董刚模拟集成电路设计,下一讲,绪论,重要性、一般概念,单级放大器,无源/有源电流镜,差动放大器,放大器的频率特性,噪声,运算放大器,反馈,稳定性和频率补偿,共源、共漏、共栅、共源共栅,定性分析、定量分析、共模响应、吉尔伯特单元,弥勒效应、极点与节点关系、各类单级放大器频率特性分析,统计特性、类型、电路表示、各类单级放大器噪声分析、噪声带宽,特性、四种反馈结构、负载影响、对噪声的影响,性能参数、一级运放、两级运放、各指标分析,多极点系统、相位裕度、频率补偿,器件物理基础,MOSFET结构、IV特性、二级效应、器件模型,带隙基准源,与电源无关、与温度无关、PTAT电流、恒Gm、速度与噪声,基本/共源共栅/有源电流镜,
