模拟集成电路设计实习讲义SCUT自由下载.docx
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模拟集成电路设计实习讲义_SCUT-自由下载
模拟集成电路设计实习培训内容介绍
培训目的
经过本培训,学员将会学到在模拟集成电路设计过程中的绝大部分环节。
1.学会使用数模混合集成电路设计EDA工具进行简单的模拟集成电路设计的流程,包括Cadence的Virtuoso原理图输入、版图设计,Cadence的Spectre电路仿真,及MentorGraphics的Calibre版图规则检查(DRC)、电路图版图一致性检查(LVS)。
2.学会使用三大常用的仿真方式(DC,AC,以及Transient)来对电路进行性能的验证与设计参数的调整
培训内容
本培训首先设计一个运算放大器,在该放大器中采用了一个理想的电流源做偏置。
接着设计一个带隙基准源(Bandgapreference)来提供这个运算放大器中用到的电流源,然后对整个电路进行仿真验证。
整个电路Lab_top电原理图以及仿真激励如下图所示。
最后,参加培训的学员要求对所设计的Bandgapreference进行版图设计以及DRC、LVS检查,时间充裕的学员进一步设计运算放大器的版图及对其进行DRC/LVS的检查。
图1-0Lab_top原理图
上图中的运算放大器(opam)电路如下图所示,值得注意的是,该运算放大器需要一个currentsink做偏置,该currentsink由上图中的NM1来提供。
其中的bandgap电路如下图。
这里看上去好像电压源并没有和电路直接连在一起,但是由于系统中所有标记相同的点电位都相同,所以,图中的这种接法等效于直接把V4接到电路的正负极。
Ibias
AnalogLib/isource/DC
V0与V1
AnlogLib/vsin
V4
AnalogLib/vsource/DC
VCMAnalogLib/vsource/DC图1-14加入激励源后的图
二、Spectre仿真(opam)
(1)直流分析(DCAnalyses)
我们在共模输入管脚接一个可以调节的电压源VCM,使得这个电压源的电压从0升到高到3.3v然后我们测量output端的电压。
从图1-14中的Tools菜单->AnalogEnvironment调出spectre
图2-1spectre仿真界面
。
2-1setup菜单->modellibrarys调出模型库设置窗口。
点击Browse找到使用的仿真文件“sm083006-1k.scs”,
Section那栏填入:
typical,然后点击ADD。
依次在Section栏中加入bjt,capacitor,diode,resistor并点击加入,结果如图:
图2-2setupresult
点击ok,回到spectre的主窗口。
提示:
我们在创建库lab_practice的时候已经指定了工艺库为chrt35rf,因此这里的模型库是自动设置好的。
现在我们要进行dc分析的设置了,从analyses菜单->choose调出分析设置窗口。
选择DC分析,变化类型选择ComponentParameter,Componentname填入VCM参数为dc,变化范围是0到3.3(见图2-3).
图2-3dc分析设置
点击ok.回到了spectre主界面。
到此,已经把仿真环境设置好了。
现在我们要观察output端的波形,如何才能做到呢?
从spectre的outputs菜单->tobeplot->selectfromschematic,这个时候,会切换到schematic窗口,用鼠标点击一下output那条连线,看看发生了什么?
图2-4selectontheschematic
output端的颜色变了,标识出它的波形将会被显示,spectre的窗口已经变成了下面的
图2-5设置后的
spectre
图2-6Output波形(结果显示共模输入电平在2.0V以下输出直流工作点基本不变)
DC分析,除了包含器件参数的仿真外,还可以进行温度仿真,设计变量仿真和器件模型参数仿真。
有兴趣的话可以自己摸索一下。
(2)AC分析
我们必须先明确一下ac分析的目的,所谓的ac分析,就是在一定的静态工作点上,施加一个小信号,然后分析输出的的交流信号,可以看出放大系数,频率响应等的特性。
先进行AC分析激励设置,将输入交流信号V1(正端)和V0(负端)的交流幅值设置为500mV,相位都为0。
由于两端反向连接,故反向,差分交流输入的幅值为1V。
图2-7交流分析激励设置
现在进行分析设置,重新调出图2-3的窗口,。
图2-8ac分析设置
设置频率从1变到1G,点击ok,然后netlist&run:
图2-9输出波形查看设置
图2-10输出运算放大器的波特图
现在测量一下图2-10中的运算放大器的低频增益(Av0)、3dB带宽(f0)、相位裕度(PM)等参数。
有两种测量方法:
Trace工具条测量法及calculator精确计算测量法
图2-11用Trace工具条进行仿真参数的测量,此图读出低频增益为51.27dB
-3dB带宽和相位裕度也可测出。
图2-12用Trace工具条测量-3dB带宽(51.27dB-3dB=48.27dB),测出为484.83kHz
图2-13用Trace工具条测量相位裕度,定义为增益为1(0dB)时对应的相位与-180oC的距离。
先从幅频特性中找出增益为0dB(此处为99.45dB,近似0dB)对应的频率(121.91MHz),再在相频特性中找出此频率对应的相位,与-180oC相减即为相位裕度(-125.82oC-(-180oC)=54.18oC)
开子窗口按钮
图2-14以实际幅值而非dB值显示的幅频特性(因为输入为1.0V,所以实测低频输出电压值即为放大器的低频增益值,365.98)
a)如果想精确计算仿真结果的参数,则需用Calculator工具。
先Edit/Delete删除第二个子窗口,只留下原来的幅频特性和相频特性在一起的图。
Tools/Calculator弹出Calculator窗口
图2-15Calculator窗口
先将options菜单中的setRPN那个勾去掉。
选择ac分析,再点击vf选项,去到电路原理图中点击输出点(out),然后在右下白色窗口中选择测量bandwidth,再点击一下Append字样右边的plot按钮就可以计算出仿真波形的-3dB带宽(491500Hz,约480kHz)。
相位裕度也可用同样的方法计算(选phasemargin,
测出PM=54.15oC)
图2-16用Calculator计算运放的-3dB带宽
三、建立opam的symbol:
整个系统包括上面设计好的运算放大器(opam)模块和后面的带隙基准源(bandgap)模块。
系统的设计采用层次化设计方法:
顶层为系统电路,调用opam模块和bandgap模块。
而要模块调用的话必须先为设计好的模块建立symbol。
方法为:
图3-1将opam另存为opam_simu
重新进入opam文件修改
先将电压源、电流源等删除,加pin(快捷键按p),加pin时可以单击鼠标右键对pin旋转。
依次加上vdd,GND,Iin,vin+,vin-共五个输入pin,加上之前加的out输出pin,共六个pin。
修改后的电路图如图3-2所示。
图3-2去电压源、电流源,以及gnd,再加相应地pin
接着我们要对设计要的原理图绘制symbol,生成symbol后,这个opamp就可以在其它电路中被调用。
从原理图生成symbol的方法如下,在VirtuosoSchematicEditing窗口中,选择菜单Design->CreateCellview
->FromCellview.
图3-3从菜单创建symbol
图3-4在Tool/DataType一栏中选Composer-Symbol
图3-5安排pin的位置
图3-5只是pin摆放的一个例子。
图3-6创建好的opam模块的Symbol
图3-7创建的Symbol在LibraryManager中体现
四、bandgap模块
(1)温度系数仿真
图4-2温度从0到100oC变化时bandgap电压输出的变化系数仿真设置
图4-3bandgap温度系数仿真结果
按“D”按键使用两点差测量工具,出来一个红色三角形和一个绿色三角形。
将红色条拉到输出电压最大
位置,绿色条拉到输出最小位置,可以读出波形的最大电压(Ymax)、最小电压(Ymin)及最大最小电压差(?
Y),从而计算出bandgap的温度系数TC。
TC=(Ymax-Ymin)/[(1/2)(Ymax+Ymin)]/100
=2*0.003027/(2.000711+1.997684)/100
=15.14ppm
(2)PSRR仿真
在直流VDD的上面加一交流信号(图4-4),设置交流仿真的频率范围(图4-5),看out1信号(图4-6)。
图4-4PSRR激励仿真设置图
在直流电源VDD的基础上加一交流信号vdd,模拟电源电压波动对电路输出的影响(电源抑制比,PSRR(dB)=20log(?
Vout/?
VDD))
图4-5电源抑制比仿真设置
图4-6电源抑制比仿真结果
从仿真结果图4-6可知,在频率<1kHz时,PSRR<-35dB
五、总电路(调用bandgap和opam模块):
将lab_practice库中的bandgap_simu单元copy成bandgap单元,打开bandgap单元电路,删除直流电压源和交流电压源,创建bandgap单元的Symbol。
在lab_practice库中创建顶层系统电路lab_top单元,然后调用bandgap和opam子电路,加上几个PMOS和NMOS管做镜像电流源缓冲,再加上直流电源(V0)、运放的差分共模电压(VCM)及差分输入交流信号激励(VINP、VINN),如图5-1所示。
注,lab_practice_demo中的lab_top中的两个差分输入信号有点错误,需要修改,将VINN的方向翻转180度,与VINP反向,并将ACphase由180度改为0度。
图5-1使用bandgap模块和opam模块构成的电路总图
(1)先做瞬态仿真调静态偏置工作点
图5-2做瞬态仿真设置
图5-3瞬态仿真输出波形选择NM1的漏端(可看NM1的漏极电流)及输出电压(out端)
图5-4瞬态仿真波形
从图5-4可以看出,0.25us后NM1输出给opam的偏置电流基本保持在54.2uA。
输出电压V(out)则在不断变化,这是由于输入加了1mV的差分正弦信号引起的。
如果要看清楚V(out)的整个变化,只要将仿真截止时间拉长至10mS以上就可以了,此时,输入激励以及输出响应如图5-5。
请注意,输出响应out的相位跟VINP是一致,跟VINN的相位是相反的。
图5-5仿真时间为10mS的瞬态响应波形
(2)再做AC分析
图5-6AC分析时VINP和VINN设置
由于在lab_top的连接图中,两个输入激励的连接是相反的,这样VINP和VINN就是幅度都为0.5V但相位相反的正弦信号,从而差分信号(VINP-VINN)为幅值为1.0V的正弦信号。
图5-7AC仿真结果
图5-7中左边子窗口可以看出低频增益为365.93。
用calculator工具对子窗口2中的特性进行测量,测得其带宽为493.166kHz,相位裕度PM=54.11o
六、画版图
1.先画bandgap模块,打开librarymanager,新建版图文件
图6-1新建bandgap的版图文件
图6-2进入版图编辑器界面
在版图界面选择Tools/LayoutXL打开相应模块的schematic
图6-3使用LayoutXL进行原理图和版图的交互编辑
在VirtuosoXLLayout中,选择菜单Create/PickFromSchematic,然后鼠标点击schematic中的元件,在layout编辑器中放入。
布图设计分为两步:
元件布局与布线
在布局阶段需要根据原理图的设计考虑元件之间的匹配,此处建议的匹配方式:
(1)两个三极管,本电路大小比为1:
8,所以小的管放中间,大管分成8个相同的方块以小管为中心
均匀分布;
(2)电阻R16、R19、R20,RA=RB=10RC电阻匹配采用一维对称A1B1A2B2…..A5B5CB6A6B7A7…B10A10
原理图中R20(L/W=21.25um/2.5um)、R16(L/W=192.85um/2.5um)、R19(L/W=192.85um/2.5um)这三个电阻需匹配。
故将R16和R19拆分成8段21.25um/2.5um再加上两段11.425um/2.5um,以R20为中心交叉对称放置于R20两边;(3)MA=MB=MC=2MD的MOS管匹配也采用一维对称0.5MA0.5MB0.5MCMD0.5MC0.5MB0.5MA;
原理图中的PM66、PM65、PM68、PM69这四个晶体管为镜像电流源,故需要较好匹配。
各管的宽长比为PM66(5um/2um)、PM65(10um/2um)、PM68(10um/2um)、PM69(10um/2um),将这些管拉到版图界面后发现PM66的宽度和其他三个管的宽度不一样,这样很难匹配。
故修改原理图,将PM65、PM68、PM69三个管的宽长比改为和PM66一样(5um/2um),同时将这三个管的multiplier设置为2,这样这三个管的实际宽长比相当于两个PM66的并联,即为10um/2um。
这样布版图时就可以匹配了。
同样在原理图中有两个dummyMOS管,需要加到两边。
(4)参数相同的MOS管元件匹配:
差分对,电流镜等。
需要在原理图中将匹配的每个MOS管的宽度改为原来的一半,同时将multiplier设置为2,即拆成两个一半大小的MOS管的并联,且加上两个dummy管。
当调到版图中按上面的方式对称布局。
(5)参数相同的电阻元件匹配:
R15、R17。
在版图中拆成两段长度为一半的电阻,记得在原理图中加入dummy元件。
将多个匹配的元件对齐:
首先将匹配的七个MOS版图水平对齐,方法是Edit/Others/Align然后弹出对齐设置窗口,按图6-7所示设置,然后点击SetNewReference,在Layout中先选中中间MOS版图作为对齐中心,然后依次点击其他六个MOS,这样这七个MOS管就水平对齐了(元件之间空隙为1.0um)。
图6-7元件对齐设置
接着垂直方向对齐电阻,这回将图6-7的Alignmentdirection选项中的Horizontal改为Vertical,Spacings改为3.0um,点击SetNewReference,在Layout中先选择中间那个电阻作为参考位置,然后依次点击上面和下面的电阻,将它们全部对齐。
最后对齐九个三极管,先将中间三极管位置放好,然后用上面的方法水平和垂直对齐其他三极管,这里Spacings设置为3.0um
所有的元件都放进来并对齐位置后,布局就完成了,接下来是布线。
为了将元件的衬底接到VDD或GND,以及对匹配的所有元件进行防干扰,所以对需要的管子加guardring:
PMOS管加well-guardring,NMOS管加p-guardring。
加方法(以pmos为例):
调出LayoutXL,放置nwell层框将要加well-guardring的所有pmos框起来,选中nwell框,shift-G,双击nwell框之外的地方将guardring放好,按“s”(拉伸线条)将nwell框拉到围住guardring的内框,如图6-10所示。
nmos管加完p-guardring后,则将之前放置的nwell层框删除。
图6-10给PM65、PM66、PM68、PM69四个PMOS加保护环(guardring)
2.再画OPAM的版图,方法如画Bandgap。
为画版图方便,可以考虑将OPAM原理图中的M10a和M10b的长、宽都降低10倍,即改为:
W10a=58um,L10=2um,Multiplier=2
原理图中所有需要匹配的元件都要拆成两个,并加上dummy元件。
Calibre的quickstart
注:
如运行DRC和LVS时出现类似“errorwhilecomplingrules”错误,则先修改下面两个文件:
1.修改DRC规则文件,将/home/eda/wzh_lab/verify/drc/drcfile/yi046dr002_1k00/drc_header_1k_00文件中
包含在INCLUDE/home/eda/ICPRJ/verify/drc…..等语句中的ICPRJ改成wzh_lab保存
2.修改LVS规则文件,将/home/eda/wzh_lab/verify/lvs/lvsfile/chrt035rf.sg.lvs.cal文件中ICPRJ改成
wzh_lab保存
一、DRC
1.先做bandgap的drc。
Virtuoso界面菜单最右边Calibre/RunDRC,出现如图1所示界面
图1DRC运行界面
在wzh_lab/verify/drc目录中创建目录bandgap,然后将drc的工作目录设为bandgap目录,如图2所示。
然后按图2中的RunDRC按钮,稍等片刻,出现图3所示的DRC检查结果。
图2设定工作目录和DRC文件
在Virtuosolayout界面菜单中,Calibre?
RunLVS进入界面设置
?
Rules,Calibre-LvsRulesFile:
/home/eda/wzh_lab/verify/lvs/lvsfile/chrt035rf.sg.lvs.cal
Calibre-LvsRunDirectory:
/home/eda/wzh_lab/verify/lvs/
?
Inputs,Layout:
选择Exportfromlayoutviewer
其他基本不用设置,然后RunLVS,结果如图8所示,
图8LVS结果,出现82个不一样的地方
LVS
错误的修改相对较复杂,没有简单的规律可循,需要有相当的经验。
下面就本实验项目给出需要
修改的地方,大家按照以下方式修改即可:
1.修改导出的netlist文件(bandgap.cdl)该文件是原理图输出的netlist,在上述例子中,该文件位于
/home/eda/wzh_lab/verify/lvs/netlist
加文件等效语句(解决在chrt35rf工艺中schematic输出的netlist和layout提取的netlist中使用模型名字不同的问题),将下列语句加到网表文件bandgap.cdl中语句.PARAM的下面,每行一句:
*.EQUIVnmos_3p3=NM
*.EQUIVpmos_3p3=PM
*.EQUIVnpolyf_u_1k=YAK
*.EQUIVPIP=CP
*.EQUIVVPNP_5x5=BV
对电容的修改:
把电容的调用语句添加上以下画线的部分,尺寸值用原理图上的尺寸。
CC10net86net72875.00f$[CP]M=1
对电阻的修改:
把电阻调用语句的第三端去掉,即以下画线部分去掉。
然后,加上电阻相应的宽和长,尺寸值用原理图上的尺寸,如下面画线部分:
AK]
以上仅仅是修改了电阻RR20,其他的电阻请参照电阻RR20修改的方式进行修改,其中各个电阻的宽度w=和长度l=中的值需要用原理图中的数字来加。
图9通过LVS检查的提示界面
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