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论文
摘要
ICL7660/7662是美国哈里斯公司生产的变极性DC/DC变换器,它是数字电路与模拟电路结合的电路。
通过电压换器可以将正电压输入变为负电压输出,即VI和VO的极性相反。
其中,变换器利用振荡器和电路模拟开关实现电压极性的转换,因而静态电流小、转换效率高、外围电路简单。
本文首先介绍了集成电路的发展情况和ICL7660/7662芯片的原理与应用,针对RC振荡器、电平转换器、分频器、电压转换器进行了简要的电路原理分析。
然后,从已有的版图照片入手,根据版图和芯片的特点,对版图进行了模块划分,从各个版图模块中提取电路图,并对电路进行功能分析;同时,提取电路的设计规则,对版图相应管子的尺寸进行测量,利用cadence软件中的spectre模块进行功能仿真分析,将仿真结果与理论分析结果进行比较,验证提取电路图的正确性;再依据0.6um设计规则,对原有版图进行了改进设计,原版图是铝栅工艺,而在设计中改为硅栅工艺,同时将原来的P阱工艺改为N阱工艺,分别画出各模块的版图,对设计的版图进行了设计规则检查(DRC)和版图与电路原理图对照(LVS)验证,得到完整的版图。
通过对ICL7660/7662芯片版图的提取与仿真分析,该电路可以实现电压极性的转换。
经过工艺的改进,减少了工艺制作中的横向扩散,使栅源漏交叠电容最小,使电路转换效率提高,提高了电路的性能。
关键词:
版图;工艺;电压转换器
Abstract
ICL7660/7662chipisthevariablepolarityDC/DCconvertersfromU.SHarriscompany,whichiscomposedofdigitalandanalogcircuits.ThepositiveinputvoltagecanbeconvertedintothenegativevoltageoutputwiththeDC/DCconverter.Namely,VOandVIareoppositevoltages.Theconversionwasachievedwiththeoscillatorcircuitvoltageandcircuitanalogswitchs.Therefore,thechiphassmallstaticcurrent,highconversionefficiency,simpleexternalcircuit.
ThedevelopmentofICisfirstlyintroduced.TheapplicationandprincipleofICL7660/7662chiparediscussedinthethesis.TheRCoscillatorcircuit,thepower-converters,thecrossoverandthevoltageconverterarealsoanalyzed.Then,accordingtothecharacteristicsofthelayout,thecircuitschematicsareextractedwithvariousmodules.Atthesametime,thedesignrulesareextracted,andthesizesoftheMOStransistorsaremeasured.Simulationanalysisofcircuitfunctioniscarriedoutwiththespectremoduleofcadencesoftware.Simulationresultsarecomparedwiththeoreticalanalysis,theaccuracyoftheextractioncircuitisverified.Theoriginallayoutisimprovedbasedon0.6umdesignrules.TheoriginalprocessisAl-gatetechnology,Si-gatetechnologyisadoptedinthenewlylayout.N-welltechnologyreplacestheoriginalP-welltechnology.Thelayoutsofeverymodulearedrawn.Afterdesignrulechecking(DRC)andthe(LVS)verificationarecarriedout,thecompletelayoutisattained.
AfterICL7660/7662chipcircuitsareextractedandsimulated,voltageconversionfunctionsarerealized.Sincetheprocessisimproved,thehorizontalproliferationisreducedtogetsmalloverlapcapacitancebetweenthesource,drainandgate,theconversionefficiencyisimprovedandtheperformanceofthecircuitisenhanced.
Keywords:
layoutdesign;process;voltageconverter
目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1集成电路的发展前景1
1.2电压转换器的介绍2
1.2.1主要特点2
1.2.2ICL7660/7662的引脚功能2
1.2.3电路原理图3
1.2.4应用电路3
1.3本文的研究内容5
第2章电路图提取6
2.1电路图提取过程7
2.1.1RC振荡器电路图提取7
2.1.2二分频器电路图提取9
2.1.3电压转换器电路图提取10
2.2抗ESD保护电路的提取及分析12
2.3版图尺寸测量13
第3章电路原理分析与仿真15
3.1RC振荡器原理分析与仿真15
3.2二分频器原理分析与仿真20
3.3电压转换器原理分析与仿真23
3.4总体电路原理分析与仿真24
第4章电路版图设计26
4.1版图设计26
4.2工艺选取26
4.3版图绘制28
4.3.1振荡器版图绘制28
4.3.2分频器版图绘制28
4.3.3电平转换器版图绘制29
4.4电路总体版图30
4.5电路版图DRC、LVS验证31
第5章结论32
参考文献33
致谢34
第1章绪论
1.1集成电路的发展前景
以MOSVLSI为代表的微电子技术给人们的工作和生活带来了巨大的变革,特别是现在发展到信息时代,微电子技术更是必不可少的关键技术之一。
自80年代以来,全球微电子工业的产品迅速增长,每年平均约增长15%,1994年的增长率已超过25%,销售额首次突1000亿美元大关,达到1097亿美元,预计到2000年将超过2000亿美元。
微电子产品正在向着高性能化、高智能化、低电压化和微型化方向不断发展[1]。
CMOS电路由于具有逻辑摆幅大、静态功耗极低、抗干扰能力强等优点,80年代取代了NMOS电路发展成为VLSI的主流技术。
传统的CMOS电路中NMOS管和PMOS管是成对出现的,这不仅影响了集成度的提高,而且增大了输入电容,影响了电路速度的提高。
为了改善CMOS逻辑电路的速度,发展了几种不同的CMOS逻辑系列,其中CPL是最有吸引力的一种新的电路形式,实现一位全加器传统CMOS电路需要40个元件[2],而CPL电路只要28个MOS管。
更重要的是CPL电路减小了输入电容,提高了速度,在同样工作电压下CPL电路比传统CMOS电路的延迟时间减小一半左右,这就意味着在同样速度情况下CPL电路比传统CMOS电路的功耗减小5倍左右。
为了进一步提高CMOS电路的速度,又发展了BiCMOS技术,先进的BiCMOS电路不是简单地在CMOS电路的输出级增加Bipolar器件做驱动[3],而是把CMOS低功耗、高集成密度的优点和Bipolar高速度的优点很好地结合起来。
由于PN结自建势不能按比例缩小,限制了BiCMOS在未来低电压的VLSI中的应用。
一种采用双极晶体管瞬时饱和技术的全摆幅BiCMOS电路TS2FS2BiCMOS可以在亚2V电源电压实现很高的工作速度,当然它的代价是增加了元件。
对于模拟电路或数模混合电路,BiCMOS将是很有价值的技术。
SOICMOS从根本上消除了CMOS产生闩锁效应的机制,具有许多晶硅CMOS不可比拟的优点,特别是近些年发展起来的薄膜全耗SOICMOS具有很好的性能,更适合于深亚微米的VLSI发展的需要。
1.2电压转换器的介绍
1.2.1主要特点
ICL7660/7662是美国哈里斯公司生产的变极性DC/DC变换器。
通过该DC/DC变换器可以将正电压输入变为负电压输出,即VI与Vo的极性相反。
这种变换器利用振荡器和多路模拟开关实现电压极性的转换,因而静态电流小、转换效率高、外围电路简单。
另外,ICL7660/7662还具有如下特点[4]:
●工作电压范围宽(+1.5~10.5V);
●可将CMOS或TTL的+5V电压转换成-5V;
●空载时没有内部压降,转换效率达99.7%,接负载后本身耗电小于0.5mA,但可向负载提供10~20mA的电流,其转换效率为95%<典型值〉;
●外围电路简单,只需外接两个电容即可工作;
●可采用串联方式实现倍压输出;
●温度范围为-65℃~+150℃;
●当电源电压小于5.5V时,能承受持续短路。
1.2.2ICL7660/7662的引脚功能
ICL7660/7662的引脚排列如图1-1所示,各引脚的功能如下:
NC
(1):
空脚;
CAP+,CAP-(2,4):
分别外接电容的正、负端;
图1-1ICL7660的引脚排列
GND(3):
信号地;
Vo(5):
转换电压输出端(负端),外接电容C2;
LV(6):
芯片内置电源低电压端,当V>3.5VDD时,此端开路;V<3.5VDD时,应将此端接地,以改善电路的低压工作性能;
OSC(7):
振荡器外接电容或时钟输出端。
此端不接电容时,振荡频率为10kHz,若需降低内部振荡频率,应外接电容C。
当C=l00pF时,f≈lkHz;C=1000pF时,f≈100Hz。
振荡信号亦可由此端引出;
VDD(8):
正电源端,范围为1.5~10.5V。
1.2.3电路原理图
ICL7660的内部框图如图1-2所示。
它主要由RC振荡器、二分频器、四只由场效应管构成的模拟开关、逻辑控制器、电平转换器和稳压器组成。
工作时,RC振荡器产生的振荡频率f经过二分频后变成5kHz,然后再经电平转换器去控
图1-2ICL7660的内部框图
制模拟开关SW1~SW4,其中SW1为P沟道场效应管,SW2~SW4均为N沟道场效应管。
模拟开关SW1和SW2为一组,SW3和SW4为另一组,由于这两组开关交替通断,且二分频后得到的是对称方波,所以它们分两个半周期工作。
在上半周期,SW1与SW2闭合,SW3和SW4断开,C1被充电到VDD;在下半周期,SW3和SW4闭合,SW1与SW2断开,C1的正端接地,负端接VO,由于C1与C2相并联,C1上的部分电荷将转移到C2以在C2上形成负压输出。
在模拟开关作用下,C1不断充电,其两端压降维持在VDD值[4]。
1.2.4应用电路
(1)典型应用电路
利用图1-3电路可将+5V电源变换成–5V电源。
图中的C1、C2均采用10μF的钽电容,以提高电源转换效率。
需要指出的是:
当VDD<+6.5V时,5脚可直接作为输出;当VDD>+6.5V时,为避免芯损坏,输出电路须串接一个二极管VD,该电路的最大负载电流为10mA。
图1-3典型应用
(2)并联电路
为降低变换器的输出阻抗,提高带载能力,可将多片ICL7660并联使用。
两只ICL7660的并联电路图如图1-4所示。
图1-4并联电路
其中每只ICL7660各用一只电容C1,输出端用一只电容C2。
(3)串联电路
采用串联方式可获得多倍压输出,具体电路如图1-5所示。
图1-5串联使用
在ICL7660/7662串联时,一般将第一只芯片的输出端与第二片GND端相连。
(4)正倍压电路由ICL7660/7662组成的正倍压电路如图1-6所示。
图1-6正倍压电路
当将VO端(5)脚接地而将LV端开路时,模拟开关SW2和SW4将不起作用。
其等效电路见图6(b)。
当SW3接通而SW1断开时,VDD经过VD1对C1充电,最终使VC1=VDD。
而当SW3断开时,C1的负端呈悬浮电位。
SW1导通时的跳变电压VDD就与VC1叠加并经过VD2传给C2。
因此,输出电压为:
VO=2VDD-2VF式中,2VF为VD1和VD2的正向压降之和。
若忽略约2VF约(1.4V)VO=2VDD。
1.3本文的研究内容
本文主要研究数模混合芯片ICL7660的设计。
主要要进行如下工作:
(1)从已有的版图照片入手,根据版图和芯片的特点,对版图进行了模块划分。
(2)从各个版图模块中提取电路图,并对电路进行功能分析。
(3)针对RC振荡器、电平转换器、分频器、电压转换器进行了简要的电路原理分析。
(4)提取电路的设计规则,对版图相应管子的尺寸进行测量,利用cadence软件中的spectre模块进行功能仿真分析
(5)将仿真结果与理论分析结果进行比较,验证提取电路图的正确性。
(6)再依据0.6um设计规则,对原有版图进行了改进设计,原版图是铝栅工艺,而在设计中改为硅栅工艺,同时将原来的P阱工艺改为N阱工艺,分别画出各模块的版图。
(7)对设计的版图进行了设计规则检查(DRC)和版图与电路原理图对照(LVS)验证,得到完整的版图。
第2章电路图提取
通过阅读ICL7660的相关文献了解该芯片的相关功能及其工作原理,研究芯片引脚功能,对照版图,找出电源与地,从压焊块的走线可以看出电源线和地线都很粗,一般为对称放置[5],确定该版图属于P阱工艺,而且为铝栅,从而可以确定NMOS管和PMOS管分布的区域。
根据其工艺特点对版图进行分析提取。
由于该芯片的介绍中提到该电路主要由四个模拟开关、RC振荡器、二分频器、电平转换器组成,结合版图知四个尺寸很大的管子显然为四个模拟控制开关。
于是将该版图分成几个模块进行分析提取可以使思路更加清晰明了。
因此我将该版图分成三个模块研究。
原版图的分块情况如图2-1所示:
图2-1原版图的分块情况
该题目所用版图为芯片腐蚀后所照的照片,一套是带铝的照片,用它可以
确定电路是如何连接的;另一套是去铝的照片,从照片上可以看到栅、有源区
和多晶硅电阻及连线桥等。
根据版图的染色可以总结出元件在版图中绘制中实现的基本规律:
以下所说只是针对颜色出现多次进行的描述。
(1)棕色为多晶硅,其跨在橙色(P型)或绿色(N型)区域上形成MOS管。
(2)在走线比较复杂时采用过桥的办法,即作一层扩散。
(3)图中接触孔为白色。
(4)橙色阱内的绿色方框为P阱内的N+注入,形成二极管。
2.1电路图提取过程
按照上文中所提到的该电路是铝栅的且为N井工艺,电路分三个模块进行提取分析。
由去铝的版图可清晰辨认出栅极,确定了管子的数目,根据带铝的版图连线。
其次可以根据染色初步假设出管子的类型,这种假设可以在版图提取过程中逐一得到验证,验证方法是:
由说明书确定了电源线和地线的走向,若没有说明书可以根据铝线的粗细和在版图中的分布得出,由布局布线规律可知电源线和地线若在外部则围绕在版图四周,若在内部则多以插指形布局,且铝条较宽。
判断出电源线和地线,就可以根据两套版图的对照画出电路图。
2.1.1RC振荡器电路图提取
振荡器的原版图如图2-2所示:
图2-2振荡器的原版图
见版图中有一处金属面积很大的覆盖区,在集成电路的制作工艺中电容是
图2-3振荡器的电路图
一个重要的参数,我们一般常见的是MOS管中的寄生电容,象上图中的电容很少,主要是受制造工艺的限制,因为这样电容的电容值一般只能是
[6],要想实现一个大电容要面临芯片材料的浪费。
上图中由于不知道该芯片的工艺参数故无法对其计算,只能进行估算,可以结合仿真结果进行调整。
振荡器电路如图2-3所示。
电阻也是集成电路中的重要参数,在版图中电阻一般用多晶实现,如图2-4所示的电阻主要是由多晶实现,为了节省芯片面积,通常把电阻的版图画成折叠型,即图2-4所示的形式,这时电阻的版图拐角处不在是矩形[6],在计算电阻值需要将其在拐角处划分为三个正方形见下图2-5(a)。
图2-4电阻的版图
而通常在绘制版图时需要避免出现拐角,因此使用连线来连接各个独立的电阻。
电阻的计算方法为RW/L[7]。
没有拐角的电阻版图如图2-5(b)所示。
(a)带拐角的电阻(b)没有拐角的电阻版图
图2-5电阻的版图
2.1.2二分频器电路图提取
二分频器的原版图如图2-6所示,由版图可以看出铝线走线比较规则,很多管子都是共源共漏。
而且在提取时可以看到有很多NMOS管和PMOS管对称出现组成了传输门或非门,且每对管子的栅之间用一个反向器连接。
将提出的电路整理知该电路为由传输门实现的二分频器。
图2-6二分频器的原版图
二分频器的电路如图2-7所示:
图2-7二分频器的提取电路
2.1.3电压转换器电路图提取
电压转换器的原版图如图2-8所示:
图2-8电压转换器的原版图
电压转换器电路2-9所示:
图2-9电压转换器的提取电路
版图中同样可以看见两块面积较大的铝,也是电容。
我们还可以见到如图2-10所示的版图,该版图是为了走线方便而做的扩散,这样可以减少一层金属布线[8]。
图2-10过线桥
电压转换器中有很多模块,但最关键的就是模拟开关部分。
总体版图中我们可以看见很多并联的管子,它们所组成的管子尺寸特别大。
这些管子在工作时等效为一个沟道宽度较大的MOSFET,其沟道宽度等于各个MOSFET沟道宽度的总和(可视为各个MOSFET的沟道长度相同),版图上的特点是所有的栅端接到一起,所有的漏端接到一起,所有的源端接到一起,即相邻的MOSFET共享源端或漏端。
该版图有两个优点[9]:
(1)版图面积较小;
(2)减小了源端和漏端的耗尽层电容。
第二个优点在设计模拟电路或者存在闩锁效应的输出驱动电路时很常用。
MOS开关的原版图如图2-11所示:
图2-11模拟MOS开关的原版图
MOS开关的电路如图2-12所示:
图2-12MOS开关的电路图
2.2抗ESD保护电路的提取及分析
由版图可以看出在压焊块附近都有如图2-13的结构,从图中可以看出输入信号经一条铝线与二极管D1的负极相连,D2的正极连在NMOS1管的栅极上,D1、D2都做在P阱内,并通过阱连在一起接地,D1的负极接电源,故D1、D2组成了ESD保护电路,D1、D2两个二极管很近,有寄生PNPN效应,所以采用保护环结构,抑制Latch-up效应。
但是一般的保护电路有一个电阻的连接,保护电路版图如图2-13所示:
图2-13保护电路版图
二极管的一个重要应用是静电泄放ESD保护,对于MOS电路来说,MOSFET的输入阻抗是容性的,来自片外的少量电荷通过压点连到片内MOS管的栅上,会导致MOSFET栅氧化层击穿。
为了避免氧化层击穿可采用图2-14电路。
图2-14抗ESD保护电路电路图
其保护机理为[9]:
当压点上的电压出现较大的负瞬变或正瞬变时,图中都会有一个二极管正偏,为MOSFET栅上的过量电荷提供低阻泄放通路,以实现电路保护。
二极管D1可以对PMOS管的栅极进行良好的保护,而D2可以对NMOS进行保护,此保护电路将输入的正电位限制在Vdd+VF,负电位限制在Vss-VF(VF为Pn结正向压降)。
保护电路中的电阻,可以起良好的限流作用。
保护电阻R也可以限制保护二极管击穿或正向导通的电流,使二极管免遭破坏性的击穿。
如果一个过大的正电压加到输入压焊块上,那么这个电阻就会吸收沿输入线的电平。
2.3版图尺寸测量
由于缺少原版图的设计规则因此只能通过测量确定长宽比的关系。
MOS管的沟道长是指从设计尺寸中减去横向扩散的长度[10],宽是指栅与有源区重合的部分详见图2-15所示。
这里需要注意铝栅与硅栅在制造工艺上的区别。
将版图放大一定倍数进行测量,这里所测的数据可能存在一定的误差,可以在原理图仿真时对其进行修正。
图2-15管子尺寸的测量
对于电容和电阻的测量主要计算其面积即可,但要注意有拐角电阻的测量与计算。
对于并联的管子要记住长不变宽相加,串联的管子宽不变长相加。
第3章电路原理分析与仿真
3.1RC振荡器原理分析与仿真
振荡信号可以由三种形式的振荡器产生:
(1)LC振荡器。
这种振荡器,由于LC体积大、频率变化范围小、品质因数Q值较小,故一般不太适合用于低频信号振荡器,而在一般高频信号振荡器中使用较多[11]。
(2)差频振荡器。
由一稳定的基准频率振荡器与可调频率振荡器产生差频信号,此差频信号经过低频滤波、放大后作为信号源输出信号。
这种振荡器频率覆盖面宽,缺点是受高频基准振荡器频率稳定度的影响很大,所以输出频率稳定性较差,在低频端尤为显著,使用时需要经常校正。
(3)RC振荡器。
RC振荡器用电阻代替了电感器,使结构简单、紧凑,不仅降低了成本,而且还具有较高的频率稳定性,调节使用较方便,因而在低频信号发生器中被广泛地应用。
典型的RC振荡器叫做文氏电桥振荡器[12]。
文氏电桥振荡器的优点是:
在同一频段内比LC振荡器的频率范围宽,其频率变化比值(以最高频率与最低频率之比表示)可达10∶1,而LC振荡器只有3∶1左右。
振荡波形是正弦波,失真小。
频率稳定性高,在所有的工作频率范围内,振幅几乎等于常数。
低频信号发生器中多采用这种电路。
有所提取的原理图分析该振荡器为RC振荡器。
该电路中的振荡器可视为奇数个反相器构成的带正反馈的闭合环路,即环路振荡器,属于自激振荡。
则环路振荡器的振荡频率为fosc=1/n(tpHL+tnHL)。
n为环路振荡器中的反相器数目。
在反相器中由于MOS管具有寄生电容寄生电阻,当输入从0到VDD时,输出电压会衰减下降,衰减的时间常数为
[13]。
在输出信号中输出信号的10%到90%为上升时间,输出信号的90%到10%为下降时间,输出的50%点和输入的50%点之间的延迟时间记为TPLH和TPHL,TPLH和TPHL分别对应输出从低到高和从高到低的情形。
对于一个环路振荡器的传输延迟为两者之和,在振荡器中间加入一些电容可以增大延迟调节振荡频率。
在做仿真分析时我们可以发现电容C0决定振荡周期,n3管的宽长比影响占空比。
分析器件的宽长比(W/L)主要由电路的上升时间tr和下降时间tf决定。
上升时间tr
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