模仿集成電路設計

集成電路設計可分為兩大類(lèi)：模仿和數字。為了顯現這兩類(lèi)設計辦法的特征，我們必需首先定義模仿信號和數字信號。信號能夠被以為是電壓、電流或電荷等電量的可視值。信號應該反映物理系統的狀態(tài)或行為信息。模仿信號定義為在連續時(shí)間范圍內具有連續幅度變化的信號，圖1.1-1( a)為模仿信號的示例。數字信號是只在一些離散幅度值上有定義的信號，換句話(huà)說(shuō)，數字信號是一些量化了的離散值。血型的數字信號是只要兩種幅值定義的信號的二進(jìn)制加權和，如圖1.1-1( b)和式(1.1-1)所示。圖1.1-1 (b)是圖1.1-1(a)所示模仿信號的3位表示。

一個(gè)二進(jìn)制數bi取值僅為0或1。因此，能夠用只工作在兩個(gè)穩定狀態(tài)的器件來(lái)完成數字電路。這招致廠(chǎng)很強的規則性，并可用代數辦法描繪電路的功用。岡此，數字電路設計者能夠得心應手地設計更復雜的電路。

模仿集成電路中還會(huì )遇到另一種信號，即模仿采樣數據信號。模仿采樣數據信號是指在連續幅值范圍內僅在時(shí)間離散點(diǎn)上有定義的信號。通常，采樣模仿信號堅持的是采樣周期完畢時(shí)的值，構成的是采樣堅持信號。模仿采樣堅持信號如圖1.1-1( c)所示。

電路設計是為處理特定問(wèn)題構思一個(gè)電路的發(fā)明性過(guò)程。對電路停止剖析和比擬可以更好天文解設計。如圖1.1-2(a)所示，電路剖析是從電路動(dòng)身找出其特性的過(guò)程。剖析過(guò)程的-個(gè)重要特性是答案或特性是唯一的。另一方面，電路綜合或者設計是這樣一個(gè)過(guò)程，從請求的特性動(dòng)身，找出滿(mǎn)足這些特性的電路。對設計來(lái)說(shuō)計劃并不獨一，于是為設計者提供了發(fā)揮發(fā)明力的時(shí)機。比方以設計一個(gè)1.5Ω的電阻為例，能夠用三個(gè)0.5Ω電阻的串聯(lián)完成，也能夠用兩個(gè)1 Ω的電阻并聯(lián)后再與一個(gè)1 Ω的電阻串聯(lián)來(lái)完成，等等。一切設計都會(huì )滿(mǎn)足1.5 Ω電阻的請求，固然有些設計的其他特性可能會(huì )更好。圖1.1-2示出了綜合（設計）與剖析之間的不同。

理解集成和分立模仿電路設計的不同是很重要的。與集成電路不同，分立電路不把有源和無(wú)源元件制造在同一襯底上，而將器件嚴密地制造枉同一襯底上的一個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)就是器件間的匹配也能夠作為設計思索的—，個(gè)下具。兩種設計方式的一個(gè)不同點(diǎn)是在集成電路設計中有源器件和無(wú)源器件的兒何尺寸是在設計者的控制之F的。在設計過(guò)程中這種控制賦予沒(méi)計者更人的自在度。另一個(gè)不同點(diǎn)就是集成電路設計無(wú)法用電路實(shí)驗板考證。因而，設計者必需采用計算機仿真的辦法來(lái)考證其電路的性能。再一個(gè)不同點(diǎn)是，在集成電路設計中，設計者將會(huì )更多地遭到與所用下藝相關(guān)的元器件類(lèi)型的約束。

設計一個(gè)模仿集成電路分為很多步驟。圖l.l-3所示為一個(gè)集成電路設計的普通過(guò)程。

主要的步驟有：

1．定義

2．綜合或裝配

3．仿真或模型化

4．幅員設計

5．思索幅員寄生參數后的仿真（后仿真）

6，制造

7．測試和考證

上述一切步驟，除了加工制造外，其他過(guò)程均需設計者擔任。第一步是功用的定義和綜合。

這一步十分重要，由于這決議了設計的性能。當這些步驟完成后，設計者必需在制造之前可以確認這個(gè)設計。為此，下一步就是對電路停止仿真，察看電路性能。開(kāi)端設計者只能運用電路物理層的近似參數仿真，一旦完成幅員設計，就能夠用從幅員得到的寄生參數信息檢查仿真結果。爾后設計者可重復用模仿結果改良電路的性能。一旦滿(mǎn)足了性能請求，就能夠進(jìn)入下一步—一電路的幾何描繪（幅員）。通常狀況下，這種幾何描繪由在不同層面上（Z軸）的各種外形的矩形或多邊形（x-y平面）構成的計算機數據庫組成，它與電路的電性能親密相關(guān)。如前所述，幅員完成后，需求將幅員的寄生效應思索進(jìn)去再次仿真。假如性能滿(mǎn)足，就能夠制造電路了。

制成之后，設計者將會(huì )面臨最后一步——肯定制成的電路能否滿(mǎn)足設計請求。假如在整個(gè)設計過(guò)程中設計者沒(méi)有認真思索這一步，那么在停止電路測試以及判別電路能否滿(mǎn)足設計請求時(shí)可能會(huì )遇到艱難。

正如前面所提到的，分立與集成模仿電路設計的區別之一是后者無(wú)法用電路實(shí)驗板考證。計算機仿真技術(shù)曾經(jīng)有了長(cháng)足的開(kāi)展，能提供恰當的模型。

其優(yōu)點(diǎn)包括：

·不需求電路實(shí)驗板

·具有監測電路任一處信號的才能

·可以將反應環(huán)路拆開(kāi)

·可以方便的修改電路

.可以在不同的工藝和溫度條件下剖析電路

計算機仿真也有一些缺陷：

·模型的精度問(wèn)題

·由于不收斂而得不出仿真結果

·對大電路停止仿真很費時(shí)間

·無(wú)法用計算機替代人的思想

由于仿真與設計過(guò)程親密相關(guān)，本書(shū)將在恰當的中央停止引見(jiàn)。

在完成上述各個(gè)設計步驟的過(guò)程中，設計者運用了三種不同的描繪格式：設計描繪、物理層描繪和模型/仿真描繪。設計描繪的格式用來(lái)肯定電路；物理層描繪用來(lái)定義電路的幾何外形；模型肪真描繪用來(lái)對電路停止仿真。設計者必需在每種描繪格式中都能對設計停止描繪。例如，模仿集成電路設計的第一步能夠用設計描繪格式完成，顯然，幅員設計階段能夠用物理層描繪格式，仿真階段可采用模型/仿真描繪格式。

模仿集成電路設計還能夠用分層的觀(guān)念來(lái)描繪。表1.1-1展現了由器件、電路和系統構成的縱向層次，橫向分為設計、物理和模型三個(gè)層次。器件級是設計的最底層。能夠分別用器件性能、幾何圖形和器件模型作為設計、物理和模型的相應描繪。電路級是設計的較高層，能夠用器件的術(shù)語(yǔ)來(lái)表示。電路級的設計、物理和模型描繪的格式普通為：電壓電流關(guān)系、參數化的幅員和宏模型。設計的最高層是系統級——用電路來(lái)表示。系統級的設計、物理和模型描繪的格式為：數學(xué)或圖形描繪、芯片規劃規劃以及行為模型。

本書(shū)的組織體系偏重于集成電路設計的層次化觀(guān)念，表1.1-2示出了模仿電路設計與相應各章的對應關(guān)系。在器件級，第2章和第3章引見(jiàn)CMOS工藝技術(shù)及模型。為了設計CMOS模仿集成電路，設計者必需理解工藝技術(shù)，因而第2章概要地引見(jiàn)了CMOS工藝技術(shù)以及南工藝思索得出的設計規則。這些信息關(guān)于設計者了解工藝的限制和約束是十分重要的。在開(kāi)端設計之前，設計者應該曾經(jīng)曉得工藝和器件模型的電參數。建模在綜合與仿真這兩個(gè)步驟中是關(guān)鍵局部，這在第3章中做引見(jiàn)。設計者還應理解實(shí)踐器件的模型參數，以便肯定假定模型參數能否適宜，理想狀況下設計者已取得能夠對這些參數停止丈量的測試芯片。最終，制成后的模型參數測試可被用來(lái)測試完好的電路。器件描繪辦法在附錄B中做了引見(jiàn)。

第4章與第5章主要引見(jiàn)由兩個(gè)管子及兩個(gè)以上管子構成的電路，這類(lèi)電路稱(chēng)為簡(jiǎn)單電路。在第6章到第8章中引見(jiàn)如何由這些簡(jiǎn)單電路設計更復雜的電路。最后，在第9章和第10章中給出了由這些復雜電路設計的模仿系統。各種設計層次間的界線(xiàn)有時(shí)并不太明白。但是，根本的關(guān)系是有效的，能夠給讀者一個(gè)模仿集成電路設計的框架構造概念。

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