1、CMOS模拟集成电路设计 CMOS Analog Circuit Design,专业拓展课,主讲:尹玉军 讲师/工程师 电话:85842192 Email: ,课程介绍,本课程主要介绍集成电路(IC)的基本知识、CMOS技术与器件模型、CMOS子电路与放大器、 Smart Spice软件使用,并能设计简单电路,通过Smart Spice软件进行仿真验证。先修课程:电路基础、模拟电子技术参考教材:CMOS模拟集成电路设计美Phillip E. Allen, Douglas R. Holberg电子工业出版社,课程介绍(续),总课时:45 周学时:3 学分:3考核方式:基本知识+电路仿真设计成绩总
2、评:平时(40%)+考核(60%)成绩等级:优(90)、良(8089)、中(7079)、及格(6069)、不及格(60)缺勤1/3总课时,成绩评定为不及格!,课时分配,第一讲 集成电路介绍(3课时) 第二讲 CMOS技术与器件模型(3课时) 第三讲 CMOS子电路与放大器(3课时) 第四讲 Smart Spice软件介绍(6课时) 第五讲 NMOS与PMOS的仿真(6课时) 第六讲 CMOS反相放大器的设计(18课时) 复习考核(6课时),第一讲 集成电路介绍,第一讲主要内容,集成电路的定义及分类 集成电路的特点及发展 集成电路的封装 集成电路的EDA工具 集成电路的设计流程,集成电路的定义及
3、分类,1、集成电路(IC) IC:Integrated Circuit 集成电路是电路的单芯片实现 集成电路是微电子技术的核心 定义:采用一定工艺,把电阻、电 感、电容、晶体管等元件及布线互 连,一起制作在一块半导体基片上 ,然后封装在一个管壳内,成为具 备一定电路功能的微型结构。,集成电路的定义及分类,2、分类 按功能结构分为 模拟集成电路: Analog Integrated Circuit 应用举例:收音机、录放机、电视机等 数字集成电路: Digital Integrated Circuit 应用举例:3G手机、数码相机、计算机、数字电视等 混合集成电路:Hybrid Integrat
4、ed Circuit,集成电路及分类,2、分类 模拟集成电路按频率分为 低频: LF,Low Frequency 中频:MF,Medium Frequency 高频: HF,High Frequency 射频: RF,Radio Frequency,集成电路的定义及分类,2、分类 按集成度分为 小规模集成电路SSI(Small) 中规模集成电路MSI(Medium) 大规模集成电路LSI(Large) 超大规模集成电路VLSI(Very Large) 特大规模集成电路ULSI(Ultra Large) 巨大规模集成电路GSI(Giga) SI:Scale Integrated circuits
5、,集成电路的定义及分类,2、分类 按导电类型分为 双极型集成电路 制作工艺复杂,功耗较大,代表集成电路有TTL、 ECL、HTL、LST-TL、STTL等类型。 单极型集成电路 制作工艺简单,功耗也较低,易于制成大规模集成电 路,代表集成电路有CMOS、NMOS、PMOS等类型。,集成电路的定义及分类,2、分类 按制作工艺分为 半导体集成电路 膜集成电路(可分为厚膜集成电路和薄膜集成电路) 按应用领域分为 通用集成电路 专用集成电路 按外形分为 圆形(金属外壳晶体管封装型,一般适合用于大功率)、 扁平型(稳定性好,体积小)和双列直插型。,集成电路的特点及发展,1、集成电路的特点 体积小、重量轻
6、、引出线和焊接点少、 寿命长、可靠性高、性能好、成本低、 便于大规模生产不仅广泛应用于工用、民用电子设备, 同时在军事、通讯、遥控等方面也得到 广泛应用。,集成电路的特点及发展,2、集成电路的发展 发明者 杰克基尔比(Jack Kilby) 1958年9月12日,美国德州仪器公司工程 师杰克.基尔比发明了世界上第一个【集成 电路IC】。揭开了人类二十世纪电子革命 的序幕,同时宣告了数字信息时代的来临。 2000年他获得了诺贝尔物理学奖,这是一 个迟来了四十二年的诺贝尔物理学奖。,集成电路的特点及发展,2、集成电路的发展 世界集成电路发展历史 1947年:贝尔实验室肖特莱等人发明了晶体管,这是
7、微电子技术发展中第一个里程碑; 1950年:结型晶体管诞生;R Ohl和肖特莱发明了离子 注入工艺; 1951年:场效应晶体管发明; 1956年:C S Fuller发明了扩散工艺;,集成电路的特点及发展,2、集成电路的发展 世界集成电路发展历史 1958年:仙童公司Robert Noyce与德州仪器公司基尔 比间隔数月分别发明了集成电路,开创了世界微电子 学的历史; 1960年:H H Loor和E Castellani发明了光刻工艺; 1962年:美国RCA公司研制出MOS场效应晶体管; 1963年:F.M.Wanlass和C.T.Sah首次提出CMOS技 术,今天95%以上集成电路芯片都
8、基于CMOS工艺;,集成电路的特点及发展,2、集成电路的发展 世界集成电路发展历史 1964年:Intel公司摩尔提出摩尔定律,预测晶体管集 成度将会每18个月增加1倍; 1966年:美国RCA公司研制出CMOS集成电路,并研 制出第一块门阵列(50门); 1967年:应用材料公司(Applied Materials)成立, 现已成为全球最大的半导体设备制造公司; 1971年:Intel推出1kb动态随机存储器(DRAM),标 志着大规模集成电路出现;,集成电路的特点及发展,2、集成电路的发展 世界集成电路发展历史 1971年:全球第一个微处理器4004由Intel公司推出, 采用的是MOS工
9、艺,这是一个里程碑式的发明; 1974年:RCA公司推出第一个CMOS微处理器1802; 1976年:16kb DRAM和4kb SRAM问世; 1978年:64kb动态随机存储器诞生,不足0.5平方厘米 的硅片上集成了14万个晶体管,标志着超大规模集成 电路(VLSI)时代的来临;,集成电路的特点及发展,2、集成电路的发展 世界集成电路发展历史 1979年:Intel推出5MHz 8088微处理器,之后,IBM 基于8088推出全球第一台PC; 1981年:256kb DRAM和64kb CMOS SRAM问世; 1984年:日本宣布推出1Mb DRAM和256kb SRAM; 1985年:
10、80386微处理器问世,20MHz; 1988年:16M DRAM问世,1平方厘米大小的硅片上 集成有3500万个晶体管,标志着进入超大规模集成电 路(VLSI)阶段;,集成电路的特点及发展,2、集成电路的发展 世界集成电路发展历史 1989年:1Mb DRAM进入市场; 1989年:486微处理器推出,25MHz,1m工艺,后 来50MHz芯片采用 0.8m工艺; 1992年:64M位随机存储器问世; 1993年:66MHz奔腾处理器推出,采用0.6工艺; 1995年:Pentium Pro, 133MHz,0.6-0.35工艺; 1997年:300MHz奔腾问世,采用0.25工艺;,集成电
11、路的特点及发展,2、集成电路的发展 世界集成电路发展历史 1999年:奔腾问世,450MHz,采用0.25工 艺,后采用0.18m工艺; 2000年:1Gb RAM投放市场; 2000年:奔腾4问世,1.5GHz,采用0.18工艺; 2001年:Intel宣布2001年下半年采用0.13工艺。 2003年:奔腾4 E系列推出,采用90nm工艺。,集成电路的特点及发展,2、集成电路的发展 世界集成电路发展历史 2005年:intel 酷睿2系列上市,采用65nm工艺。 2007年:基于全新45纳米High-K工艺的intel酷睿2 E7/E8/E9上市。 2009年:intel酷睿i系列全新推出
12、,创纪录采用了领先 的32纳米工艺,并且下一代22纳米工艺正在研发。,集成电路的特点及发展,2、集成电路的发展 我国集成电路发展历史 1965年-1978年:以计算机和军工配套为目标,以开发 逻辑电路为主要产 品,初步建立集成电路工业基础及 相关设备、仪器、材料的配套条件; 1978年-1990年:主要引进美国二手设备,改善集成电 路装备水平,在“治散治乱”的同时,以消费类整机作为 配套重点,较好地解决了彩电集成电路的国产化;,集成电路的特点及发展,2、集成电路的发展 我国集成电路发展历史 1990年-2000年:以908工程、909工程为重点,以 CAD为突破口,抓好科技攻关和北方科研开发基
13、地的 建设,为信息产业服务,集成电路行业取得了新的发 展。,集成电路的特点及发展,2、集成电路的发展 集成电路的发展规律 摩尔定律(Moores Law) - Min. transistor feature size decreases by 0.7X every three years - True for at least 30 years! (Intel公司前董事长Gordon Moore首次于1965提出),集成电路的特点及发展,2、集成电路的发展 集成电路的发展方向 更高速度 更低噪声 更大动态范围 更高精度 更低功耗 更低电源电压,集成电路的封装,1、SIP (single in-
14、line package) 单列直插式封装。引脚从封装一个侧面引出,排列成 一条直线。当装配到印刷基板上时 封 装呈侧立状。引 脚中心距通常为2.54mm,引脚数从2 至23,多数为定 制产品。 2、DIP (dual in-line package) 双列直插式封装。引脚从封装两侧引出,封装材料有 塑料和陶瓷两种。 应用范围包括标准逻辑IC,存贮器 LSI,微机电路等。引脚中心距2.54mm,引脚数从6 到64。封装宽度通常为15.2mm。,集成电路的封装,3、BGA (ball grid array) 球形触点陈列,表面贴装型封装之一。在印刷基板的 背面按陈列方式制作出球形凸点用 以代替引
15、脚,在印 刷基板的正面装配LSI 芯片,然后用模压树脂或灌封方 法进行密封。也称为凸点陈列载体(PAC)。引脚可超过 200,是多引脚LSI 用的一种封装。封装本体也可做得 比QFP(四侧引脚扁平封装)小。,集成电路的封装,4、COB (chip on board) 板上芯片封装,是裸芯片贴装技术之一,半导体芯片 交接贴装在印刷线路板上,芯片与 基 板的电气连接用 引线缝合方法实现,芯片与基板的电气连接用引线缝 合方法实现,并用 树脂覆 盖以确保可靠性。 5、LCC (Leadless chip carrier) 无引脚芯片载体。指陶瓷基板的四个侧面只有电极接 触而无引脚的表面贴装型封装。是
16、高 速和高频IC 用封 装。,集成电路的封装,6、PGA (pin grid array) 陈列引脚封装。插装型封装之一,其底面的垂直引脚 呈陈列状排列。封装基材基本上都 采用多层陶瓷基板。 在未专门表示出材料名称的情况下,多数为陶瓷 PGA,用于高速大规模 逻辑 LSI 电路。成本较高。 7、QFP (quad flat package) 四侧引脚扁平封装。表面贴装型封装之一,引脚从四 个侧面引出呈海鸥翼(L)型。基材有 陶 瓷、金属和塑料 三种。,集成电路的封装,8、SOP (small Out-Line package) 小外形封装。表面贴装型封装之一,引脚从封装两侧 引出呈海鸥翼状(L
17、 字形)。材料有 塑料 和陶瓷两种。 9、PLCC (plastic leaded chip carrier) 带引线的塑料芯片载体。表面贴装型封装之一。引脚 从封装的四个侧面引出,呈丁字形 ,是塑料制品。,集成电路的EDA工具,1、SPICE (Simulation program with integrated circuit emphasis)是最为普遍的电路级模拟程序,各软件厂 家提供提供了Vspice、Hspice、Pspice等不同版本 spice软件,其仿真核心大同小异,都是采用了由美国 加州Berkeley大学开发的spice模拟算法。 SPICE可对电路进行非线性直流分析、非
18、线性瞬态分 析和线性交流分析。,集成电路的EDA工具,2、ADS 先进设计系统(Advanced Design System),是安捷 伦科技有限公司(Agilent)为了高效的进行产品研发生 产,而设计开发的一款EDA软件。软件迅速成为工业 设计领域EDA软件的佼佼者,因其强大的功能、丰富 的模板支持和高效准确的仿真能力(尤其在射频微波 领域),而得到了广大IC设计工作者的支持。,集成电路的EDA工具,2、ADS ADS电子设计自动化功能包含时域电路仿真 (SPICE- like Simulation)、频域电路仿真 (Harmonic Balance 、Linear Analysis)、三
19、维电磁仿真 (EM Simulation)、 通信系统仿真(Communication System Simulation)、 数字信号处理仿真设计(DSP);ADS支持射频和系 统设计工程师开发所有类型的RF设计,从简单到复 杂,从离散的射频/微波模块到用于通信和航天/国防的 集成MMIC,是当今国内各大学和研究所使用最多的微 波/射频电路和通信系统仿真软件软件。,集成电路的EDA工具,3、Cadence Cadence公司的电子设计自动化(Electronic Design Automation)产品涵盖了电子设计的整个流程,包括 系统级设计,功能验证,IC综合及布局布线,模拟、 混合信号
20、及射频IC设计,全定 制集成电路设计,IC物理验证, PCB设计和硬件仿真建模等。,集成电路的设计流程,模拟集成电路的设计流程 1、系统划分 按功能要求进行系统设计,并将系统指标进行划分。 2、电路设计 根据划分的电路指标完成电路设计。 3、前仿真 电路功能的仿真,包括功耗,电流,电压,温度,压 摆幅,输入输出特性等参数的仿真。,集成电路的设计流程,模拟集成电路的设计流程 4、版图设计(Layout) 依据所设计的电路画版图。一般使用Cadence软件。 5、后仿真 对所画的版图进行仿真,并与前仿真比较,若达不到 要求需修改或重新设计版图。 6、流片 将版图文件生成GDSII文件交予Found
21、ry流片。,集成电路的设计流程,模拟集成电路的设计流程 7、测试 将流片后的芯片进行测试,分为在片测试和键合测试。 8、投产 对于设计成功的集成电路投入大规模生产。 9、封装 将生产的集成电路芯片进行封装。,你有一颗中国心吗? 你想设计一颗中国芯吗? 你想成为一名,集成电路设计工程师 IC Design Engineer,吗?,集成电路设计涉及硬件软件两方面专业知识。硬件包括数字逻辑电路、模拟电路、高频电路等。 软件包括基础的数字逻辑描述语言,如VHDL等,微机汇编语言及C语言。,集成电路设计工程师的知识面,某IC设计公司的招聘信息,职位:IC设计工程师 要求:1、电子、微电子、通信、控制等相
22、关专业2、熟悉Cadence, ADS, SPICE等EDA工具3、具有优秀的团队协作精神,较强沟通能力,责任心强,能够承受工作压力4、具有一定的集成电路设计项目经验者优先 薪资:月薪RMB 500015000,集成电路设计的几本经典书籍,1、Phillip E. Allen, Douglas R. Holberg, CMOS Analog IC Design 2、P. R. Gray et al., Analysis and Design of Analog Integrated Circuits 3、Behzad Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits,