模拟集成电路设计基础

Module 3 模拟集成电路版图基础
模拟集成电路版图基础
Lab3-1 CMOS 无源器件结构与版图 • 知识单元： • 1、电阻 • 2、电容 • 3、电阻和电容画法实例
模拟集成电路版图基础
一、电阻：1、方块电阻
• 方块电阻测量方法： – 用poly 来做一个电阻，先做一个正方形，长，宽相等。通过在其两端加 电压，测量电流的方法，可以得到它的阻值。
• 电阻并联： – 会达到什么结果呢？200ohms。把四个200ohms 的方块组合成一 个更大的方块，可以同样得到200ohms 的电阻值。可以把这个方 块越做越大，但最终测得电阻值将始终为200ohms。
• 对于不同大小的方块来说，阻值是一样的。由此可以用每方块多少电 阻来讨论电阻大小（200ohms/squares）。只考虑方块数，所有相同 材料的方块有相同的电阻值。
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3．其他类型电阻
• N+电阻：
– 无需增添任何新的掩模版或层，只是用原先已有的其 他层来替代poly，就可以获得很多种电阻类型。
• P+电阻：
– 一般来说是做在nwell 中，因此必须增加第三个的端点 连接nwell，而且必须连接到最正的电平，一般来说是 vdd。这样可以防止寄生PN 结的影响。
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扩散电阻与Poly电阻对比
• 使用工艺中已有的层来做电阻，做一些较小的修 改就可以得到所需要的方块电阻。扩散电阻和 Poly 电阻的一样，也要考虑delta 效应的影响。 扩散电阻是做在衬底上的，因此在边缘变化比较 大，工艺上不那么好控制。而且在做的时候必须 注意第三个端点的连接。
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直接nwell电阻
• 直接nwell电阻： – 只不过需要2 个N+作为电阻头。 – 对于较大的阻值的电阻可用nwell 来做。 – Nwell 掺杂低，经过光照，电阻值会降低，呈现不稳定 的现象。 • 处理方法：在nwell 上覆盖金属，并将其电位接到电 源电压上，若无法接到电源电压时，可将其接到电 阻两端较高电位端。 • 在nwell 电阻四周加电源电压，以降低电压系数。当 well 电阻要接到pad，则必须于外围环绕pseudo collector，电位接到地，以防止其对其他的电路造 成latch-up。

三、版图与线路图、工艺的关系
• 1、逻辑图（线路图）------版图-----工艺（流片，形成实物产品） • 2、版图决定于线路图，版图必须和线路图完全一一对应，
根据版图提出的线路图，必须完全实现需求的逻辑功能 • 3、版图受工艺的限制，要么按照特征尺寸画版图，
要么对应具体工艺的特征长度，给出每一种情况的具体数值 • 4、版图的两大任务：
4.相关设置
七、如何绘制版图
5.从原理图将器件导入版图 • 待前面基本设置完成之后便可从原理图将器件导入版图中 • 导入后版图中的器件排布位置和原理图中一致 • 有三种方法可以完成导入
七、如何绘制版图
6.连接器件（常用快捷键）
七、如何绘制版图
6.连接器件（常用快捷键）
七、如何绘制版图
7.实际操作
NMOS晶体管的3倍。 • 两种晶体管的长度看似相同，但却不同，我们很难辨别它们的差异； • 对于N阱来说，N＋区域实际上是与VDD相连接的，而电路图中没有显
示这一连接关系； • 对于衬底来说，P＋区域实际上是与VSS相连接的。而电路图中没有显
示这一连接关系。
七、如何绘制版图
1.需要的软件工具
七、如何绘制版图
光刻胶 Si3 N4
（1）对P型硅片进行氧化， 生成较 薄 的 一 层 Si3N4 ， 然 后进 行 光 刻 ， 刻出有源区后进行场氧化。
紫外线照射
掩膜版 掩膜版图形
P-Si
Si3 N4
P-Si
Si3 N4
P-Si
SiO2
集成电路工艺基础
P-Si (b)
P-Si (c)
P-Si
N＋ (d )
多晶硅 0.5 ～2m
3.1 匹配中心思想 3.2 匹配问题 3.3 如何匹配 3.4 MOS管 3.5 电阻 3.6 电容 3.7 匹配规则

右图所示的是威尔电流 镜的改进结构。由M4构成的 有源电阻“消耗”了一个VGS， 使M2、M3的源漏电压相等。 如果M1和M2的宽长比相同， 从M1、M2的栅极到M2、M3 的源极的压差为2VGS2，如果 M2、M3相同，则M4的栅源 电压就为VGS2，使M3管的源 漏电压和M2的源漏电压相 同，都为VGS2。这样的改进 使参考支路和输出支路电流 以一个几乎不变的比例存在。
图7.3.2 NMOS威尔逊电流镜
M2在电路中相当于一个串联电阻(有源电阻)，构成电流串联负反馈。M3 的漏节点提供了M1的偏置电压，如果因为某种原因使输出电流Io增加，这个增 加了的电流同时也将导致M2的VGS2增加，使得M1的栅源电压VGS1减小，从而 使电流减小。反之，如果某种原因使Io减小，同样也会因M2的作用阻止电流变 小。正是因为M2的电流串联负反馈的作用，使Io趋于恒流，提高了交流输出电 阻。
（a）NMOS管
（b）PMOS管 图7.2.1 有源电阻
1、电流偏置电路
在模拟集成电路中，电流偏置电路的基本形式是电流
镜。所谓的电流镜是由两个
或多个并联的相关电流
支路组成，各支路的电
流依据一定的器件比例
关系而成比例。
1) NMOS基本电流镜
NMOS基本电流镜
由两个NMOS晶体管组
成，如图7.3.1所示。
图(a)，V1=VGS1，V2=VGS1+VGS2；图(b)是一个CMOS的分压器结构，它的分压原 理与NMOS并没有什么区别，它的Vo也可以用上式计算。
图6点，那就是它们的输出电 压值随着电源电压的变化将发生变化。究其原因是因为电漏电压的 波动直接转变为MOS晶体管的VGS的变化。如果电源电压的波动能够被 某个器件“消化”掉，而不对担当电压输出的VGS产生影响就可以使 输出电压不受电源电压波动的影响。

p+
D B
+ v DS -
+ -
G
vGS
S
v DS
vGS
+ +
G D
B S
n+
n+
p-
耗尽层
15
（2）当VGS>0，VGB>0，VDS＝0
衬底中的电子受到吸引，向衬 底表面运动；空穴受到排斥，向 衬底内部运动。向上运动的电子 与表面的空穴复合，形成了一层 耗尽层，形成一个栅极指向衬底 的垂直电场EV 。
＝1/Ron
深线性区等 效电阻
29
（四）IV特性总结
截止区： VGS VTH 深线性区： 线性区： VDS VGS VTH 饱和区：
ID 0
I D n Cox
I D nCox
W VGS VTH VDS L
ID
1 W 2 nCox VGS VTH 2 L
模拟CMOS集成电路设计
Design of Analog CMOS Integrated Circuit
Institute of VLSI Design, Hefei U.of Tech
第一讲 基础知识
1
1.1 概 述
2
1、为什么需要模拟集成电路？
（1）为什么需要模拟电路
自然界的信 号大多是模 拟信号
8
仿真验证电路性能
修改电路参数、拓扑

版图设计

版图参数提取
测试方案设计
工 艺

芯片制造
测试与分析
单元库
系统要求
综合
系统设计和 功能划分
系 统 及 功 能 级 设 计
门级仿真