模拟电路阵列及其半定制专用集成电路实现
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第22卷 第3期
2002年8月 固体电子学研究与进展
RESEARCH&PROGRESS OF SSE Vo1.22,NO.3
Aug。。2002
模拟电路阵列及其半定制专用集成电路实现
牵 冰
(东南大学电子工程系,南京,210096)
(东南大学无锡分校。无锡.214072)
吴 金 魏同立
(东南大学微电子中心.南京.210096)
20001lO7收稿.20010320收改稿
摘要:与门海数字电路阵列相类似.模拟电路阵列也是半定制集成电路设计的母体形式的一种。首先介绍了
母体单元结构布局,然后描述了其电路的实现。在以上模拟电路阵列母体上.成功地实现了很多专用的模拟电
路。 关键词:模拟电路阵列;门海;半定制集成电路;专用集成电路
中图分类号:TN401 文献标识码:A 文章编号:1000-3819(2002)03—290-04
Half-customed Analogue Circuit Array Design ASICs
I.I Bing
(Southeast University Electronics Department。Nanjing,210096,CHN)
(WuXi Branch of Southeast University,Wu Xi。214072,CHN)
WU Jin WEI Tongli
(Southeast University Microelectronics Center,Nanjing,210096.CHN)
Abstract:This paper presents an analogue circuit array with its layout and routing,as well
as its application.Just as sea gates array,this analogue array is one kind of half—customed in—
tegrated circuits.Many analogue ICs based on such arrays have been masked and those ASICs
have been proved to be good in running.
Key words:analogue circuit array;sea gates;half-customed IC ASICs
EEACC:2570A
1 引 言
半定制集成电路的设计是目前Ic设计中运用
最广的一种设计形式。从较早的门阵列(Gate
Array)、标准单元(Standard Cel1)、可编程逻辑阵
列(PI D)、f-1海(Seagates)到现在应用广泛的现场
可编程门阵列(FPGA)都是半定制1c的流行设计
方法。可说,现在通过在单片机(McU)掩模程序生
产的各类控制类专用MCU均是半定制集成电路 的设计,在很多场合,这类产品也称为专用标准产
品(ASSP)或专用用户产品(ASCP)。这些半定制
电路的产品最终都属于通常所说的专用集成电路
(ASIC)。这些半定制集成电路使用的是规则而简
单的模块化的VLSI设计技术,可以大大节省电路
的设计成本。在当今集成电路技术中,当器件成本
已获得大幅度的降低时,设计成本却随着系统的复
杂性而增长,因而,半定制集成电路无疑是个折中
的设计选择。半定制集成电路可以将分立器件和通
用小规模集成电路实现集成,降低电路成本,也使 维普资讯 http://www.cqvip.com 3期 李 冰等:模拟电路阵列及其半定制专用集成电路实现 291
电路的保密性得到增强。
阵列型的半定制集成电路根据所采用的晶体
管的不同,可分为双极型电路和MOS电路;根据
处理的信号的不同,可以分为数字(逻辑)和模拟电
路。现在的半定制阵列电路大多是数字电路(也称
逻辑电路),且大多采用MOS电路结构。模拟1C
是区别于数字逻辑IC而言的。1967年国际电工委
员会(IEC)正式提出模拟IC的概念,它包括了数
字逻辑IC以外的所有半导体IC。模拟IC几乎没
有数字逻辑1C那种可以重复地由标准化的简单单
元电路构成大系统的情况,在同样的设计、工艺水
平下,扩大模拟IC的规模要比数字逻辑IC困难得 多,一般把集成度达百元件数量级的模拟IC称为
模拟LS1。下面描述的模拟电路阵列也是半定制电
路的一种,其阵列中有双极晶体管单元、电阻、电
容、CM0S门等电路常用元器件单元,可以实现
I SI规模的半定制模拟集成电路的标准化设计。
2 结构描述
文中模拟电路阵列的布局图如图1所示。A~
x表示各器件单元块模块阵列组,模块标号及简称
见表1。
图1模拟电路阵列的布局图
Fig.1 Layout of the analogue array
表1模块标号对照表
Tab.1 Relation of the module and mark
Mark Module Mark Module Mark Module Mark Module A PAD B PN&FUSE C RE D 17RA
E 2TPB F 12TNC G 5RB H 1 5RA I 9TND J 4CAP K 1 2CMOSGATES L RD M 36RC N 24TNC O 30RA P 1ORB
Q 12RF R 4TNB S INV T TPA U 1ORA V 3RB W 8TNC X
TNA 维普资讯 http://www.cqvip.com 固体 电 子学研究 与进展
由于整个阵列电路采用单多晶、双层铝结构,
各器件单元间的连线采用双层铝引线来实现,因
此,对布线通道的要求较小,布线的自由度较大,布
通率高。各模块的组成如下:
(1)电阻阵列:模块C、G、H、I 、M、O、P、Q、T、
U、V均由电阻构成,主要有六种型号:RA、RB、
RC、RD、RE和RF。如模块M~36RC,表示M模
块由36个RC型电阻构成。
(2)电容阵列:模块J是4个CAP型电容构成
的模块阵列。
(3)三极管阵列:模块E、F、I、N、R、T、w、X是
由三极管构成,其中TP表示PNP型三极管,TN
表示NPN型三极管。阵列中,PNP管有两种型号:
TPA和TPB;NPN管有四种型号:TNA~TND。
三极管在阵列中的作用很大,用三极管可以实现不
同的二极管和电容,甚至电阻。三极管在阵列电路
中起到重要的器件的调整作用。
(4)MOS阵列:模块K、S为CM()S阵列。其
中K为12组CMOS标准门阵列;S为高速CMOS
倒相器阵列。MOS阵列的存在,使得一些逻辑电路
在本阵列电路中得以轻松实现,也使本模拟电路阵
列在半定制电路中更具优势。
(5)外围阵列:A~PAD压焊块;B~保护二极
管及熔丝(可熔齐纳管)。
3 典型单元版图
部分单元的版图如下:
①电阻单元:
一__
(RE) CMOS门阵列单元f部分)
(CMOS GATES) ③可熔齐纳管:
_
(FUSE) j三极管单元(部分)
(TNC)
(TNAJ
圄
(TPB) (rN L)) 以上只给出部分单元的版图结构。电阻的构成
有多晶电阻和硼扩散电阻,它们组成电阻选择组。
三极管的构成基本是横向结构,阵列中有横向
NPN管、PNP管,双极横向NPN管等。版图中所
示的可熔齐纳管(称为FUSE)是在集成电路设计
中常用的一种修正电路的方法,它采用齐纳管短路
的方法来控制修正网络的电流值。有时为了电路保
密,可将其设计在相邻的管脚间,在必要时可采用
大电流脉冲造成齐纳管的永久性短路,从而使两个
管脚短接,成为一个保密标志。这种修正方法的优
点是在电路封装好以后,仍可以对电路的网络特性
进行修正。
模拟电路阵列在工艺上采用先进的等平面工
艺II。等平面工艺与平面工艺的不同在于采用氧化 维普资讯 http://www.cqvip.com 3期 李 冰等:模拟电路阵列及其半定制专用集成电路实现 293
物侧墙代替常规工艺中的P型隔离扩散。在等平
面工艺ll中,发射极同氧化物隔离墙相接,使器件
尺寸和寄生电容大大减小,与等平面工艺相比,等
平面工艺II的晶体管面积减小了40 9/5以上。等平
面工艺lI使晶体管结面积减小,采用全离子注入
和浅结等工艺措施,对高速电路的设计非常有益。
采用等平面工艺II制造的晶体管的^可达50
GHz
4 电路范例
由于是半定制电路的一种,此模拟电路阵列在
应用中非常方便。阵列的各基本单元的电参数是确
定的,可以对各基本单元建立电路模拟的单元库,
设计的电路可以通过PSPICE来进行模拟、验证和
修改。电路设计中器件参数值的调整是通过基本器
件单元的串并联组合来实现的。例如电阻3+RA
的实现方法是2个RA电阻并联后在与3个RA
电阻串联后形成。简单表示如下式:
3 RA一(尺 ∥尺 )十(尺 十尺 十RA)
电路设计中的所有元器件均采用以上公式的方式
进行结构描述,建立电路元器件与阵列模块一一对
应的关系。一般情况下,通过验证的电路即可在模
板电路的基础上制成专用电路。图2表示出电路图
元器件与实现阵列电路的对照关系。
图2 电路图元器件与阵列电路的对照关系 Fig.2 Relation of the corresponding schematic element
and array module 5 结束语
模拟电路阵列的设计方式仍然是基于单元的
设计方式,它将模拟电路中常用的单元进行划分和
归类,通过对这些单元的精心设计和生产验证,形
成模拟电路阵列半定制集成电路的单元库。借助于
专用集成电路的设计工具,可进行ASIC的设计。
参 考 文 献
1 Smith Michael J S.Application—specific Integrated Cir—
cuits,USA:Addition Wesley Langman,Ine.1 99 7 2张开华.半导体集成电路.南京:东南大学出版社.1995
3 陈锦秋,管彤古.孙人杰等.TTL集成电路应用.北京:
人民邮电出版社.1983
4张建人.MOS集成电路分析与设计基础.北京:电子工 业出版社.1987
李冰(LI Bing)男.1968年10月出生.
东南大学电子工程系在职博士研究生.讲
师.从事集成电路芯片与系统设计研究工
作,包括ASSP等ASIC电路芯片的设计,
以及FPGA自重组结构研究。
吴 金(WU Jin) 男.1965年3月出生.
东南大学微电子中心副教授,博士。目前
主要研究方向为小尺寸半导体器件的并行
数值模拟和集成电路、系统的设计和开发。
魏同立(WEI TongLi)男.1934年生.东
南大学微电子中心教授.博士生导师.目前
主要从事深亚微米半导体器件物理研究和
ASIC电路和系统的设计开发等工作。
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