具体描述
內容簡介
《深亞微米CMOS模擬集成電路設計》著眼於電路設計,首先介紹雙極結型晶體管(BJT)和金屬氧化物半導體(MOS)晶體管的抽象模型,然後介紹如何利用晶體管構建更大的係統。主要內容包括:運算放大器、數據轉換器、奈奎斯特數據轉換器、過采樣數據轉換器、高精度數據轉換器、鎖相環、頻率綜閤和時鍾恢復等。《深亞微米CMOS模擬集成電路設計》對模擬設計概念的描述將訴諸更加直觀的方法而不是繁瑣的公式推導。
《深亞微米CMOS模擬集成電路設計》可以作為工科院校相關專業高年級本科生和研究生的參考用書,也可以供半導體和集成電路設計領域技術人員閱讀。
作者簡介
宋邦燮(Bang-Sup Song)博士,1973年獲首爾國立大學(Seoul National University)學士學位,1975年獲韓國科學技術院(Korea Advanced Institute of Science)碩士學位,1983年獲加州大學伯剋利分校博士學位。1975年至1978年,供職於韓國國防科學研究所(Agency for Defense Development,Korea)。1983年至1986年,供職於新澤西州默裏山AT&T;貝爾實驗室,同時任新澤西州羅格斯大學電子工程係訪問學者。1986年至1999年,任厄巴納伊利諾伊大學電子和計算機工程係以及協同科學實驗室(Coordinated Science Laboratory)教授。1999年,進入加州大學聖地亞哥分校電子和計算機工程係,被授予無綫通信領域Charles Lee Powell講席教授職位。
宋博士於1986年獲AT &-T貝爾實驗室Distinguished Technical Staff奬,1987年獲模擬器件公司Career Development Professor奬,1995年獲伊利諾伊大學Xerox Senior Faculty Research奬。宋博士在美國電氣電子工程師協會(IEEE)的學術兼職包括IEEE固態電路雜誌(JSSC)、IEEE電路與係統雜誌(TCAS)副主編,國際固態電路會議(ISSCC)、國際電路與係統年會(ISCAS)組委會成員。宋博士是美國電氣電子工程師學會院士(IEEE Fellow)。
內頁插圖
目錄
第1章 放大器基礎
1.1 激勵點和傳遞函數
1.2 頻率響應
1.3 穩定性判據
1.4 運算放大器用於負反饋
1.5 相位裕度
1.6 瞬態響應
1.7 反饋放大器
1.8 反饋的作用
1.9 左半平麵和右半平麵零點
1.10 反饋放大器的穩定性
第2章 放大器的設計
2.1 晶體管的低頻抽象模型
2.1.1 大信號
2.1.2 小信號
2.1.3 跨導g。和輸齣電阻
2.1.4 小信號模型
2.1.5 體效應
2.2 低頻激勵點電阻
2.3 電阻反射定律
2.4 三種基本放大器組態
2.5 九種組閤放大器
2.5.1 共源一共源結構
2.5.2 共源一共柵結構
2.5.3 共源一共漏結構
2.5.4 共柵一共源、共柵一共柵、共柵一共漏結構
2.5.5 共漏一共源結構
2.5.6 共漏一共柵結構
2.5.7 共漏一共漏結構
2.6 差分對
2.6.1 共模抑製
2.6.2 對稱的傳遞函數
2.7 增益自舉
2.7.1 零極點對的約束
2.7.2 其他增益自舉的概念
2.8 偏置
2.8.1 最大化信號擺幅的套筒結構的偏置
2.8.2 電流源的匹配
2.9 電壓源和電流源
2.9.1 以Vcs和AVGs為參考的電流源
2.9.2 帶隙參考
參考文獻
第3章 運算放大器
3.1 運算放大器的小信號模型
3.2 運算放大器的頻率補償
3.2.1 並聯補償
3.2.2 極點分裂米勒補償
3.3 兩級米勒補償運算放大器的相位裕度
3.4 兩級運算放大器右半平麵零點的消除技術
3.4.1 插入串聯電阻
3.4.2 利用源極跟隨器形成反饋
3.4.3 利用附加的增益級對Gm自舉
3.5 負反饋運算放大器的瞬態響應
3.5.1 壓擺率
3.5.2 全功率帶寬
3.6 運算放大器設計舉例
3.6.1 三級套筒式運算放大器
……
第4章 數據轉換器基礎
第5章 奈奎斯特數據轉換器
第6章 過采樣數據轉換器
第7章 高精度數據轉換器
第8章 鎖相環基礎
第9章 頻率綜閤和時鍾恢復
前言/序言
自20世紀70年代早期,傳媒數字化顯著地改變瞭我們的生活,也改變瞭我們獲取和處理信息的方式。數字係統的發展得益於互補金屬氧化物半導體(CMOS)工藝的進步,這些數字係統將在未來的雲計算和移動多媒體時代獲得廣泛的應用。在所有的數字係統係統中,被處理的數據以模擬信號的形式在有綫和無綫信道內傳遞和接收。信號的存儲和恢復也往往藉助磁媒質或光媒質。多數數字係統是基於復雜片上係統芯片(SoC)的,這些Soc包含多個模擬/射頻接口。在SoC環境中的模擬/射頻設計要求設計者既精通係統設計又精通晶體管級電路設計。隨著SoC復雜度的增長,模擬/射頻的設計需要藉助對更大的單元電路的抽象,這些單元包括運算放大器(Opamp)、模擬數字轉換器(ADC)以及鎖相環(PLL)。
本書介紹模擬電路設計方法學,重點介紹可集成到SoC內的模擬係統設計。本書先介紹雙極結型晶體管(BJT)和金屬氧化物半導體(MOS)晶體管的抽象模型,然後介紹如何利用晶體管構建更大的係統。讀者可能會注意到本書著眼於電路設計而不是電路分析。本書對模擬設計概念的描述將訴諸更加直觀的方法而不是繁瑣的公式推導。本書包含四個基礎理論章節:第1章介紹反饋和穩定性,第2章介紹晶體管/放大器的原理,第4章介紹數據轉換器原理,第8章介紹鎖相環的原理。其餘五個章節是本書的重點:第3章介紹運算放大器,第5章介紹奈奎斯特數據轉換器,第6章介紹過采樣數據轉換器,第7章介紹高精度數據轉換器,第9章介紹頻率綜閤和時鍾恢復。所有的反饋係統,比如運算放大器、AE調製器和鎖相環都用同樣的概念和分析方法進行講解。
本書的主要內容是各類數據轉換器和鎖相環的設計,這兩種電路在SoC中的應用最為廣泛。本書適閤研究生和工程師閱讀,基礎理論章節也適閤本科生閱讀。讀者可先通過閱讀基礎理論章節迴顧基本的電路概念,然後再進一步閱讀其他章節。
深亞微米CMOS模擬集成電路設計 一、 引言 在飛速發展的電子信息時代,集成電路(IC)作為現代科技的基石,其性能的提升直接驅動著整個社會的進步。尤其是在通信、消費電子、醫療設備、汽車電子以及人工智能等領域,對高性能、低功耗、高集成度的模擬電路需求日益增長。CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)技術因其低功耗、易於集成、成本效益高等優點,已成為模擬集成電路設計的主流工藝。而隨著器件尺寸的不斷縮小,進入深亞微米(Deep Sub-Micron, DSM)甚至更先進的工藝節點,傳統模擬電路設計方法麵臨著前所未有的挑戰,同時也孕育著巨大的機遇。 本書旨在深入探討在深亞微米CMOS工藝環境下,模擬集成電路設計所涉及的關鍵理論、實際方法以及創新思路。它將引導讀者理解和掌握如何有效地應對深亞微米工藝帶來的獨特物理效應和器件行為變化,從而設計齣滿足嚴苛性能指標的模擬電路。本書的內容並非單純的技術手冊堆砌,而是力求從設計哲學、方法論到具體電路實現,構建一個係統而全麵的知識框架,使讀者不僅知其然,更能知其所以然。 二、 深亞微米CMOS工藝對模擬電路設計的影響 隨著CMOS工藝綫寬不斷縮小,器件的物理尺寸進入瞭深亞微米乃至納米級彆。這一轉變帶來瞭諸多顯著變化,對模擬電路的設計思維和技術選擇産生瞭深遠影響。 1. 亞閾值區效應增強與短溝道效應: 在深亞微米工藝中,MOSFET的溝道長度遠小於特徵長度,使得短溝道效應(Short-Channel Effects, SCE)變得尤為突齣。這包括閾值電壓($V_{th}$)降低、漏電流($I_{off}$)增大、跨導($g_m$)飽和、溝道長度調製效應減弱等。此外,柵極電壓即使低於閾值電壓,器件仍能導通(亞閾值區導電),這在傳統設計中通常被忽略,但在深亞微米工藝中,亞閾值區的行為對低功耗設計至關重要,它提供瞭另一種設計維度。理解並有效利用亞閾值區特性,或加以抑製,是設計成功的關鍵。 2. 器件非理想性加劇: 漏電(Leakage Current): 柵極漏電、溝道與襯底之間的漏電等顯著增加,這不僅增加瞭靜態功耗,還可能影響信號完整性和噪聲性能。 熱電子效應(Hot Carrier Effects, HCE)和高場效應: 載流子在強電場作用下獲得高能量,可能導緻器件性能漂移,甚至永久性損傷。這要求在器件工作電壓和器件尺寸選擇上更加謹慎。 襯底注入效應(Body Bias Effect): 襯底電壓對閾值電壓的影響更加敏感,為設計提供瞭額外的調控自由度,但也增加瞭設計復雜度。 參數失配(Mismatch): 晶體管尺寸的縮小導緻錶麵粗糙度、摻雜濃度不均勻等因素對器件性能的影響更加顯著,器件間的參數失配問題變得更加嚴峻,這是影響模擬電路精度(如運算放大器、電流鏡等)的關鍵因素。 3. 工藝變量和模型精度: 深亞微米工藝的製造過程更加復雜,工藝窗口(Process Window)可能更窄。器件模型需要越來越精確以捕捉這些細微的物理現象,但同時也使得模型變得更加復雜,給仿真和分析帶來瞭挑戰。參數提取的準確性直接關係到設計的可靠性。 4. 互連綫效應(Interconnect Effects): 隨著芯片集成度的提高,互連綫的電阻和電容所占的比重越來越大。在深亞微米工藝中,金屬導綫的尺寸縮小,電阻率相對升高,綫間耦閤電容也顯著增加。這些互連綫效應對信號的傳播延遲、串擾、噪聲以及功率損耗産生瞭不可忽視的影響。傳統的集中參數模型(Lumped Parameter Model)可能不再適用,需要采用分布式參數模型(Distributed Parameter Model)來更準確地描述互連綫的特性。 5. 功耗約束與低壓設計: 隨著器件數量的激增,功耗成為製約芯片性能的關鍵瓶頸。深亞微米工藝下的低閾值電壓($V_{th}$)設計雖然可以降低工作電壓,但同時也增加瞭漏電功耗。因此,如何在保持性能的同時實現極緻的低功耗,是設計者麵臨的核心挑戰。這需要從電路拓撲、器件選擇、偏置策略以及電源管理等多個層麵進行優化。 三、 深亞微米CMOS模擬電路設計核心議題 麵對上述挑戰,深亞微米CMOS模擬集成電路的設計需要重點關注以下核心議題: 1. 器件建模與仿真: 精確的器件模型: 采用能夠準確描述深亞微米工藝下MOSFET行為的物理模型(如BSIM係列模型)是設計的基礎。模型參數的準確提取對於仿真結果的可靠性至關重要。 仿真工具的選擇與應用: 熟練掌握SPICE等主流仿真工具,並理解不同仿真選項(如AC分析、瞬態分析、噪聲分析、寄生參數分析等)的意義和應用場景。 考慮工藝角(Process Corners): 在深亞微米工藝下,工藝參數的變化範圍更大,設計必須在最差的工藝角(Corner Cases)下也能滿足要求,如最快速度(FF)、最慢速度(SS)、高溫(TT)等。 2. 低功耗設計技術: 亞閾值區設計(Subthreshold Design): 利用MOSFET在亞閾值區極低的功耗特性,尤其適用於傳感器、物聯網設備等對功耗要求極高的應用。需要深入理解亞閾值區的電流-電壓關係和跨導特性。 多閾值電壓(Multi-Threshold Voltage, Multi-$V_{th}$)設計: 結閤使用高閾值電壓($V_{th,high}$)和低閾值電壓($V_{th,low}$)的MOSFET。高$V_{th}$器件用於降低漏電,低$V_{th}$器件用於提高速度,從而在速度和功耗之間取得平衡。 動態電壓頻率調整(Dynamic Voltage and Frequency Scaling, DVFS): 根據係統負載動態調整工作電壓和時鍾頻率,實現功耗優化。 電源門控(Power Gating): 在不需要工作的電路模塊上切斷電源,實現零靜態功耗。 優化偏置技術: 采用自偏置(Self-Biasing)、電流源偏置、基準電壓生成等技術,以最少的功耗産生穩定的偏置電流和電壓。 3. 噪聲與乾擾抑製: 噪聲源分析: 識彆和量化各種噪聲源,包括熱噪聲(Thermal Noise)、閃爍噪聲(Flicker Noise,$1/f$ Noise)、散粒噪聲(Shot Noise)等。 噪聲優化技術: 通過增加器件尺寸、優化偏置電流、選擇閤適的器件類型、采用差分電路結構、引入反饋補償等方法來降低噪聲。 電源抑製比(Power Supply Rejection Ratio, PSRR)和共模抑製比(Common-Mode Rejection Ratio, CMRR): 設計高PSRR和CMRR的電路,以抵抗電源噪聲和共模乾擾。 串擾(Crosstalk)與防護: 采用屏蔽層、增加間距、差分信號傳輸等技術減小信號綫之間的串擾。 4. 參數失配與精確度提升: 失配機理分析: 理解亞微米器件尺寸縮小帶來的幾何失配、摻雜不均勻性、錶麵效應等失配根源。 失配補償技術: 版圖設計(Layout Design): 采用共質心(Common Centroid)、中心對稱、摺疊(Folding)、模仿(Trimming)等版圖技巧,最小化失配效應。 自適應偏置(Adaptive Biasing): 利用額外的電路來實時調整偏置,補償器件的失配。 數字校準(Digital Calibration): 在一些對精度要求極高的場閤,可以通過數字電路對模擬電路的參數進行校準。 冗餘設計(Redundant Design): 使用多個器件並聯,通過加權平均來減小單個器件失配的影響。 5. 高頻性能設計: 寄生效應建模與處理: 考慮器件的寄生電容(如柵-漏電容$C_{gd}$、柵-源電容$C_{gs}$)、寄生電感(尤其在引腳和封裝層麵)對高頻信號的影響。 帶寬與穩定性: 設計具有足夠帶寬的電路,並保證其在高頻下的穩定性,如使用零點補償(Zero Compensation)、極點補償(Pole Compensation)等技術。 匹配網絡設計: 在射頻(RF)前端設計中,輸入輸齣阻抗匹配至關重要,需要設計高效的匹配網絡。 速度與功耗的權衡: 在高頻設計中,速度通常是首要考慮,但深亞微米工藝下,高頻工作往往意味著更高的功耗,需要仔細權衡。 6. 電路拓撲的選擇與優化: 基本模擬模塊: 深入理解並掌握各種基本模擬電路模塊的設計,包括電流鏡(Current Mirrors)、差分對(Differential Pairs)、運算放大器(Operational Amplifiers, Op-Amps)、帶隙基準電壓源(Bandgap References)、壓控振蕩器(Voltage-Controlled Oscillators, VCOs)等,並針對深亞微米工藝進行優化。 新型拓撲結構: 探索和應用適用於深亞微米工藝的新型電路拓撲,例如低壓差分信號(Low-Voltage Differential Signaling, LVDS)、電荷泵(Charge Pumps)、開關電容電路(Switched-Capacitor Circuits)等。 通用設計原則: 學習和掌握通用的設計原則,如“三極管區”設計(Common-Source Amplifier, Common-Emitter Amplifier)、“共源共柵”設計(Telescopic Op-Amp, Folded Cascode Op-Amp)等。 四、 設計方法與流程 本書還將強調一種係統性的設計方法和流程,使讀者能夠高效地進行模擬集成電路設計。 1. 需求規格定義: 準確理解和定義電路的各項性能指標,包括增益、帶寬、噪聲係數、功耗、綫性度、電源電壓範圍、輸齣擺幅等。 2. 電路拓撲選擇: 根據性能指標和工藝特點,選擇閤適的電路拓撲結構。 3. 器件模型與參數選擇: 選擇閤適的器件模型,並根據需求初步選擇器件的尺寸(W/L)和偏置電流。 4. 原理圖設計與仿真驗證: 繪製原理圖,進行初步的AC、DC、瞬態、噪聲等仿真,驗證基本功能和性能。 5. 版圖設計與寄生參數提取: 根據版圖設計規則(DRC)和設計方法學(DFM),完成電路的版圖布局。進行寄生參數提取(Parasitic Extraction),得到更精確的電路模型。 6. 版圖後仿真(Post-Layout Simulation): 利用提取的寄生參數進行仿真,檢查電路在實際版圖效應下的性能,進行必要的優化。 7. 設計規則檢查(DRC)與版圖可製造性檢查(LVS): 確保版圖符閤工藝廠的製造規則,並與電路原理圖保持一緻。 8. 流片與測試(Tape-out and Testing): 將設計提交製造,並在收到芯片後進行實際測試,與仿真結果進行對比。 五、 結論 深亞微米CMOS模擬集成電路設計是一個充滿挑戰又極具吸引力的領域。它要求設計者不僅具備紮實的模擬電路理論基礎,還需要深入理解深亞微米CMOS工藝的特性,並掌握相應的計算工具和設計方法。本書緻力於為讀者提供一個全麵、深入的學習平颱,幫助設計者掌握在這一技術前沿進行創新設計的必備知識和技能,從而在日益激烈的市場競爭中脫穎而齣。通過對本書的學習,讀者將能夠更好地應對新一代集成電路設計中的各種復雜問題,設計齣性能更優異、功耗更低的模擬集成電路,為推動電子信息産業的發展貢獻力量。