cmos运算放大器版图设计_毕业设计.doc

1、摘 要集成电路掩膜版图设计是实现电路制造所必不可少的设计环节，它不仅关系到集成电路的功能是否正确，而且也会极大程度地影响集成电路的性能、成本与功耗。本文依据基本 CMOS 集成运算放大电路的设计指标及电路特点，绘制了基本电路图，通过 Spectre 进行仿真分析，得出性能指标与格元器件参数之间的关系，据此设计出各元件的版图几何尺寸以及工艺参数，建立出从性能指标到版图设计的优化路径。运算放大器的版图设计，是模拟集成电路版图设计的典型，利用Spectre 对设计初稿加以模拟，然后对不符合设计目标的参数加以修改，重复这一过程，最终得到优化设计方案。最后根据参数尺寸等完成了放大器的版图设计以及版图的

2、DRC、LVS 验证。关键词：集成电路，运算放大器，版图设计，仿真ABSTRACTIntegrated circuit layout design is an essential design part to realize circuit mask manufacturing, it is not only related to the integrated circuit to function correctly, but also can greatly affect the performance of the integrated circuit, the cost and the

3、 power consumption.Based on the basic CMOS integrated operational amplifier circuit characteristic and design target, we have rendered the basic circuit diagram, and simulation by Spectre, the simulated results are derived parameters and their relationship between determining factors, thereby defini

4、ng a line with the design target domain size and processing parameters, finally we builded an optimization from the performance index to layout design .Operational amplifier IC layout design, is the design model of analog integrated circuit layout . Here we used Spectre to design draft which should

5、be simulated, then modified which do not comply with the design goals of the parameters , repeat the process, and finally get the optimization design scheme. Finally, according to the parameters such as size finished the amplifier layout design and the DRC, LVS verification.KET WORDS: Integrated cir

6、cuit, Operational amplifier, layout design, Simulation目 录前 言 .5第 1 章 绪论 .61.1 课题背景 .61.1.1 研究背景 .61.1.2 研究内容 .71.2 电路设计流程 .81.3 主要工作以及任务分配 .101.3.1 主要工作 .101.3.2 任务分配 .10第 2 章 版图基础知识 .112.1 版图的设计简介 .112.1.1 版图的概念 .112.1.2 版图中层的意义 .112.2 CMOS 工艺技术 .142.2.1 概述 .142.2.2 CMOS 工艺的一些主要步骤 .152.2.3 CMOS 制造工

7、艺的基本流程 .162.3 设计规则 .182.4 MOS 集成运放的版图设计 .22第 3 章 CMOS 运算放大器简介 .233.1 概述 .233.2 两级 CMOS 运算放大器的优点 .243.3 两级运算放大器原理简单分析 .24第 4 章 CMOS 运算放大器的仿真 .274.1 概述 .274.2 MOS 运算放大器技术指标总表 .274.3 仿真数据 .294.3.1 DC 分析 .294.3.2 测量输入共模范围 .304.3.3 测量输出电压范围 .314.3.4 测量增益与相位裕度 .334.3.5 电源电压抑制比测试 .344.3.6 运放转换速率和建立时间分析 .36

8、4.3.7 CMRR 的频率响应测量 .38第 5 章 算放大器版图设计 .405.1 Cadence 使用说明 .405.2 版图设计 .425.3 CMOS 运放版图 .43第 6 章 总 结 .44参考文献 .44致谢词 .45外文资料原文 .45外文资料译文 .46前 言集成电路(Integrated Circuit)是把大量有源和无源器件及它们之间的互连线路集成在一起,形成一个具体的功能模块。集成电路的出现和迅速发展，彻底改变了人类文明和人们的日常生活。集成电路电子电路，但它不同于数以万计的一般意义上的电子电路集成在一个微型芯片的晶体管，电阻，电容和电感等电子元件，这是一个奇妙的设计

9、和制造方法，人类社会的进步，创造前所未有的奇迹，现实是奇迹集成电路版图设计。相对于数字集成电路的规律性和离散性，计算机辅助设计方法学在给定所需功能行为描述的数字系统设计自动化方面已经非常成功。但并不适用于模拟电路设计。一般来说，模拟电路设计仍然需要手工进行。因此，仔细研究模拟电路的设计过程，熟悉那些提高设计效率、增加设计成功机会的原则是非常必要的。模拟集成电路的设计流程可以分为前段设计和后端设计两大部分。前段设计包括电路的设计、原理图输入和电路仿真；后端设计（又称为物理设计）包括版图的绘制与验证。根据参数要求设计好电路后，在设计环境中输入原理图并对设计的电路进行仿真，也就是对电路结构、元件尺寸

10、的设计、负载估计及布局前电路的模拟。对电路的分析主要包括直流分析、瞬态分析、交流分析、噪声分析、模拟参数分析、温度分析等。后端绘制的版图后首先要通过版图验证，版图验证包括设计规则验证、电气规则检查、版图与电路原理图对比验证。运算放大器（简称运放）是许多混合信号系统和模拟系统中的一个组成部分。不同层次的复杂的运算放大器是用来实现多种功能的：高速放大或过滤的直流偏置。每一代 CMOS 技术，由于供应减少电压和晶体管沟道长度的运算放大器的设计，继续为运放的设计提出一个复杂的问题。本文依据基本 CMOS 集成运算放大电路的设计指标及电路特点，绘制基本电路图，用 Spectre 进行仿真模拟，从模拟的结

11、果中推导出各个参量和其决定因素之间的关系，从而确定出符合设计指标所的版图几何尺寸以及工艺参数。利用Spectre 对设计初稿加以模拟，然后对不符合设计目标的参数加以修改，重复这一过程，最终得到优化设计方案。最后根据参数尺寸等进行版图设计以及验证。第 1 章 绪论1.1 课题背景1.1.1 研究背景 运算放大器（简称运放）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际地电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数字运算，故得名“运算放大器” 。运算放大器（简称运放）是许多混合信号系统和模拟系统中的一个组成部分。不同层次的复杂的运算放大器是用来实现多种功能的：高速放大

12、或过滤的直流偏置。每一代 CMOS 技术，由于供应减少电压和晶体管沟道长度的运算放大器的设计，继续为运放的设计提出一个复杂的问题。我们粗略地把运放定义为“高增益的差动放大器” 。所谓“高” ，指的是对应用，其增益已足够了，通常增益范围在 10 。由于运放一般用来实现一个反馈510系统，其开环增益的大笑根据闭环增益电路的精度要求来选取。20 年前，大多数的运放是各种应用的一个通用模块。这些努力试图创造一个“理想”的运算放大器，例如，高电压增益，高输入阻抗和低输出阻抗。然而，却要牺牲成本费用的其他性能如输出幅度，速度和功耗。与次相反，今天的运放设计，放大器的设计从开始就认识到妥协之间的各种参数，这

13、样一个妥协，最终将需要更多地考虑整体的设计，因此，我们需要知道满足每个人从适当的值的参数。例如，如果高速度的要求，增益误差要求不高的选择电路结构应有利于前者，后者可以牺牲。运算放大器的版图设计，是模拟集成电路版图设计的典型，利用 Cadence 对设计初稿加以模拟，然后对不符合设计目标的参数加以修改并进行模拟，重复这一过程，最终得到优化设计方案，其关键在于寻找目标与决定因素之间的关系。1.1.2 研究内容模拟集成电路设计过程可以分为俩大部分设计的前端和后端。前段设计包括设计电路、输入原理图和仿真电路；后端设计（也可以叫物理设计）包括版绘制版图及其验证。前段设计包括设计电路结构和输入原理图。根据

14、要求参数设计所需电路后，把原理图输入到设计环境中并对其进行电路仿真，也就是对元件尺寸的设计、电路的结构、布局前电路及负载估计进行模拟。在此过程中要求芯片的生产厂家提供出可以模拟库文件以便用于仿真。分析电路主要还包括瞬态分析、直流分析、交流分析、温度分析、模拟参数分析、噪声分析等。如果仿真结果完全符合了设计的要求以后就可以将电路提供给后端从而进行版图方面的设计。后端中在绘制完成版图后最初要通过版图的一些验证，版图的验证包括版图与电路原理图的对比验证（LVS; Layout Versus Schematic） 、电气规则的检查（ERC; Electrical Rule Check） 、设计规则的验

15、证（ DRC; Design Rule Check） 。DRC验证是对电路的一些布局进行几何空间的验证从而保证厂家在工艺技术方面可以实现线路的连接；ERC 验证用来检查电气连接中的一些错误，像电源和地是否短路、器件是否悬空等等所制定的一些电特性。在设计的规则检查中包括了 ERC 检查的规则，一般来说只需要 LVS 和后仿真能够通过， ERC 都不会有问题，所以ERC 验证不经常出现，而厂家也就不会提供出 ERC 的规则文件。LVS 验证是把电路图与版图作一个拓扑关系的对比，从而检查出在布局前后元件值、衬底的类型是否相符，电路连接的方式是否保持一致。版图中的一些寄生元件将对集成电路的某些性能产生

16、严重的影响。因此必须要对从版图中提取出来的网表（其中包含着寄生元件）进行仿真，此过程称为后仿真。最后的模拟验证是将包含有寄生效应的整个电路加进输入信号。通过了电气规则的检查，设计规则的检查，电路抽取的验证和后仿真，就可以提交各芯片厂家试流片了。在严格按照设计程序进行电路仿真并通过版图验证和后仿真之后，投片是否成功，关键是看芯片制造厂了。本论文主要分析 CMOS 集成运算放大各个部分的主要原理；完成对 CMOS 运放的设计，用 Spectre 进行仿真模拟，从模拟的结果中推导出各个参量和其决定因素之间的关系，从而确定出符合设计指标所的版图几何尺寸以及工艺参数，建立出从性能指标到版图设计的优化路径

17、。运算放大器的版图设计，是模拟集成电路版图设计的典型，利用 Spectre 对设计初稿加以模拟，然后对不符合设计目标的参数加以修改，重复这一过程，最终得到优化设计方案。最后根据参数尺寸等进行版图设计以及验证。本设计采用全制定模拟集成电路设计方法，严格根据模拟集成电路的正向设计流程，采用上华 0.6umCMOS 双多晶双铝 CMOS 混合工艺设计规则，全部设计过程在 Cadence 的设计平台上完成。1.2 电路设计流程一般完整的 CMOS 电路设计包括多个步骤，将它简要分为 4 步，如图 1.1 所示。下面对每一步的工作进行简单的说明。首先是确定设计目标。根据目标的需求，以及需要使用的电路工艺

18、，决定具体的电路要求。这些要求包括：增益、电源电压、功耗、带宽、电路面积、噪声、失真、输入输出动态范围等。在这里设计者要对目标有清晰透彻的理解，并可通过一些方法如建模等对目标的可实现性进行验证，从而使后续工作能够顺利的进行。其次是构造电路并进行仿真。通常也可以称此阶段为电路设计。但是，这里的“设计”只是整个电路设计流程中的一步。这里要对电路的各个主要性能进行仿真，对不符合要求的参数进行修改，并重新仿真。重复这一过程。使其最终能达到所需要的性能指标。再次是版图的绘制。所谓电路原理图是指器件符号与连线的抽象关系的表示，并不是实际中的电路连接，因此我们必须将电路原理图转化为具有实际物理意义的版图，从

19、而确定出电路各器件以及连线的真实形状。电路原理图中的器件符号被版图中的器件所代替，而原理图中的连线也用版图中的导线来表示，最终电路的形状就被版图的形状所代替了。因此也可以这么说，所见的版图就是需要的电路，最终将版图提交给生产厂家。版图完成之后，把数据交给晶片制造厂进行生产，一般需要经过 6 至 8 周的时间，厂家会制造好电路，将芯片返回给设计者。最后是对完成的芯片进行一些测试。在管壳或测试 PCB 板上封装上芯片，使用测试仪器，通过设计外围电路进行测试，得到所设计电路的测试结果进行对比。图 1.1 模拟集成电路设计流程在经过“确定目标电路仿真版图制作流片测试”这 4 个步骤后，才能算完成了全部

20、的电路设计流程。将最后的测试结果和最初的电路指标进行比较，总结电路设计的结果。从而为下一次的电路设计做准备。1.3 主要工作以及任务分配1.3.1 主要工作（1）收集 CMOS 运算放大器和模拟集成电路版图设计的相关资料。（2）分析 CMOS 运算放大器电路的构成和基本原理并对其相关电路进行筛选。（3）学习有关参考书籍，掌握有关设计、计算方法。（4）方案论证与比较。（5）电路的单元设计（6）对电路进行仿真和参数分析（7）版图设计与优化。（8）DRC 验证及修改仿真。（9）设计总结。1.3.2 任务分配（1）第 3 周：资料收集及整理。（2）第 4 周：设计基本原理图，并提交毕业设计开题报告。（3）第 5 周第 8 周：对设计的电路进行版图设计。（4）第 9 周第 14 周：根据从版图中提取的参数，进行软件仿真。将仿真结果与设计参数进行比较，如不满足设计指标要求，则修改版图，再提取参数、仿真对比，知道满足需要为止。（5）第 15 周第 16 周：撰写设计报告，提交符合规范的设计报告。（6）第 17 周：答辩。