模仿集成电路设计

集成电路设计可分为两大类：模仿和数字。为了显现这两类设计办法的特征，我们必需首先定义模仿信号和数字信号。信号能够被以为是电压、电流或电荷等电量的可视值。信号应该反映物理系统的状态或行为信息。模仿信号定义为在连续时间范围内具有连续幅度变化的信号，图1.1-1( a)为模仿信号的示例。数字信号是只在一些离散幅度值上有定义的信号，换句话说，数字信号是一些量化了的离散值。血型的数字信号是只要两种幅值定义的信号的二进制加权和，如图1.1-1( b)和式(1.1-1)所示。图1.1-1 (b)是图1.1-1(a)所示模仿信号的3位表示。

一个二进制数bi取值仅为0或1。因此，能够用只工作在两个稳定状态的器件来完成数字电路。这招致厂很强的规则性，并可用代数办法描绘电路的功用。冈此，数字电路设计者能够得心应手地设计更复杂的电路。

模仿集成电路中还会遇到另一种信号，即模仿采样数据信号。模仿采样数据信号是指在连续幅值范围内仅在时间离散点上有定义的信号。通常，采样模仿信号坚持的是采样周期完毕时的值，构成的是采样坚持信号。模仿采样坚持信号如图1.1-1( c)所示。

电路设计是为处理特定问题构思一个电路的发明性过程。对电路停止剖析和比拟可以更好天文解设计。如图1.1-2(a)所示，电路剖析是从电路动身找出其特性的过程。剖析过程的-个重要特性是答案或特性是唯一的。另一方面，电路综合或者设计是这样一个过程，从请求的特性动身，找出满足这些特性的电路。对设计来说计划并不独一，于是为设计者提供了发挥发明力的时机。比方以设计一个1.5Ω的电阻为例，能够用三个0.5Ω电阻的串联完成，也能够用两个1 Ω的电阻并联后再与一个1 Ω的电阻串联来完成，等等。一切设计都会满足1.5 Ω电阻的请求，固然有些设计的其他特性可能会更好。图1.1-2示出了综合（设计）与剖析之间的不同。

理解集成和分立模仿电路设计的不同是很重要的。与集成电路不同，分立电路不把有源和无源元件制造在同一衬底上，而将器件严密地制造枉同一衬底上的一个主要的优点就是器件间的匹配也能够作为设计思索的—，个下具。两种设计方式的一个不同点是在集成电路设计中有源器件和无源器件的儿何尺寸是在设计者的控制之F的。在设计过程中这种控制赋予没计者更人的自在度。另一个不同点就是集成电路设计无法用电路实验板考证。因而，设计者必需采用计算机仿真的办法来考证其电路的性能。再一个不同点是，在集成电路设计中，设计者将会更多地遭到与所用下艺相关的元器件类型的约束。

设计一个模仿集成电路分为很多步骤。图l.l-3所示为一个集成电路设计的普通过程。

主要的步骤有：

1．定义

2．综合或装配

3．仿真或模型化

4．幅员设计

5．思索幅员寄生参数后的仿真（后仿真）

6，制造

7．测试和考证

上述一切步骤，除了加工制造外，其他过程均需设计者担任。第一步是功用的定义和综合。

这一步十分重要，由于这决议了设计的性能。当这些步骤完成后，设计者必需在制造之前可以确认这个设计。为此，下一步就是对电路停止仿真，察看电路性能。开端设计者只能运用电路物理层的近似参数仿真，一旦完成幅员设计，就能够用从幅员得到的寄生参数信息检查仿真结果。尔后设计者可重复用模仿结果改良电路的性能。一旦满足了性能请求，就能够进入下一步—一电路的几何描绘（幅员）。通常状况下，这种几何描绘由在不同层面上（Z轴）的各种外形的矩形或多边形（x-y平面）构成的计算机数据库组成，它与电路的电性能亲密相关。如前所述，幅员完成后，需求将幅员的寄生效应思索进去再次仿真。假如性能满足，就能够制造电路了。

制成之后，设计者将会面临最后一步——肯定制成的电路能否满足设计请求。假如在整个设计过程中设计者没有认真思索这一步，那么在停止电路测试以及判别电路能否满足设计请求时可能会遇到艰难。

正如前面所提到的，分立与集成模仿电路设计的区别之一是后者无法用电路实验板考证。计算机仿真技术曾经有了长足的开展，能提供恰当的模型。

其优点包括：

·不需求电路实验板

·具有监测电路任一处信号的才能

·可以将反应环路拆开

·可以方便的修改电路

.可以在不同的工艺和温度条件下剖析电路

计算机仿真也有一些缺陷：

·模型的精度问题

·由于不收敛而得不出仿真结果

·对大电路停止仿真很费时间

·无法用计算机替代人的思想

由于仿真与设计过程亲密相关，本书将在恰当的中央停止引见。

在完成上述各个设计步骤的过程中，设计者运用了三种不同的描绘格式：设计描绘、物理层描绘和模型/仿真描绘。设计描绘的格式用来肯定电路；物理层描绘用来定义电路的几何外形；模型肪真描绘用来对电路停止仿真。设计者必需在每种描绘格式中都能对设计停止描绘。例如，模仿集成电路设计的第一步能够用设计描绘格式完成，显然，幅员设计阶段能够用物理层描绘格式，仿真阶段可采用模型/仿真描绘格式。

模仿集成电路设计还能够用分层的观念来描绘。表1.1-1展现了由器件、电路和系统构成的纵向层次，横向分为设计、物理和模型三个层次。器件级是设计的最底层。能够分别用器件性能、几何图形和器件模型作为设计、物理和模型的相应描绘。电路级是设计的较高层，能够用器件的术语来表示。电路级的设计、物理和模型描绘的格式普通为：电压电流关系、参数化的幅员和宏模型。设计的最高层是系统级——用电路来表示。系统级的设计、物理和模型描绘的格式为：数学或图形描绘、芯片规划规划以及行为模型。

本书的组织体系偏重于集成电路设计的层次化观念，表1.1-2示出了模仿电路设计与相应各章的对应关系。在器件级，第2章和第3章引见CMOS工艺技术及模型。为了设计CMOS模仿集成电路，设计者必需理解工艺技术，因而第2章概要地引见了CMOS工艺技术以及南工艺思索得出的设计规则。这些信息关于设计者了解工艺的限制和约束是十分重要的。在开端设计之前，设计者应该曾经晓得工艺和器件模型的电参数。建模在综合与仿真这两个步骤中是关键局部，这在第3章中做引见。设计者还应理解实践器件的模型参数，以便肯定假定模型参数能否适宜，理想状况下设计者已取得能够对这些参数停止丈量的测试芯片。最终，制成后的模型参数测试可被用来测试完好的电路。器件描绘办法在附录B中做了引见。

第4章与第5章主要引见由两个管子及两个以上管子构成的电路，这类电路称为简单电路。在第6章到第8章中引见如何由这些简单电路设计更复杂的电路。最后，在第9章和第10章中给出了由这些复杂电路设计的模仿系统。各种设计层次间的界线有时并不太明白。但是，根本的关系是有效的，能够给读者一个模仿集成电路设计的框架构造概念。

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