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模拟集成电路设计流程

模拟集成电路设计流程

  • 芯片的主要类型:
  • 感知 Sensing 模拟/数字
  • 传递 Transmit/Receive 模拟/混合
  • 思考 computing 数字/混合
  • 记忆存储 Memory 数字
  • 供能 Power Management 模拟
  • 交换接口芯片 Interface 模拟混合
  • 显示驱动控制类芯片 Display/Driver 模拟混合

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图 1 芯片的主要类型

集成电路设计分类:

数字电路设计

数字IC设计将产生诸如微处理器,FPGA,存储器(RAM,ROM和闪存)和数字ASIC之类的模块。 数字设计专注于逻辑正确性,最大化电路密度,和巧妙的摆放各构成单元 ( IP, IO, Mem, Std Cell, Analog block),使得时钟和时序信号能更有效地布线和收敛; 该设计在生产制造上通常追求先进的工艺, 以获得更小的芯片面积,更低的功耗, 更快的切换速度。

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图 2 数字电路设计

 

模拟电路设计

模拟IC设计专注于功率 IC 设计和 RF IC设计。 模拟IC设计用于运放,线性稳压器,锁相环,振荡器和有源滤波器的设计中。 该设计更关注半导体器件的物理特性,例如增益,匹配,功耗和电阻。 模拟信号放大和滤波的保真度通常很关键,因此,相对于数字设计,模拟IC 使用面积更大的有源器件,并且电路密度通常较低。该设计在生产制造上通常不追求先进的工艺,大多数使用稳定的传统工艺。

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图 3 模拟电路设计

 

模拟集成电路设计和数字集成电路设计

集成电路设计涉及对电子器件(例如晶体管、电阻器、电容器等)、器件间互连线模型的创建。所有的器件和互连线都需安置在一块半导体衬底材料之上,这些组件通过半导体器件制造工艺(例如光刻,淀积,氧化,离子注入等)生长在单一的硅衬底上,从而形成电路。目前最常使用的衬底材料是硅。设计人员会使用技术手段将硅衬底上各个器件之间相互电隔离,以控制整个芯片上各个器件之间的导电性能。PN结、金属氧化物半导体场效应管等组成了集成电路器件的基础结构,而由后者构成的互补式金属氧化物半导体则凭借其低静态功耗、高集成度的优点成为数字集成电路中逻辑门的基础构造。设计人员需要考虑晶体管、互连线的能量耗散,这一点与以往由分立电子器件开始构建电路不同,这是因为集成电路的所有器件都集成在一块硅片上。金属互连线的电迁移以及静电放电对于微芯片上的器件通常有害,因此也是集成电路设计需要关注的课题。

对于数字集成电路来说,设计人员现在更多的是站在高级抽象层面,即寄存器传输级 ( Register Transfer Level, RTL ) 甚至更高的系统级(也称之为行为级, Behavior Level),使用硬件描述语言 ( HDL 如 VHDL, Verilog) 或高级建模语言 ( 如 C, Python) 来描述电路的逻辑、时序功能,而逻辑综合可以自动将寄存器传输级的硬件描述语言转换为逻辑门级的网表。对于简单的电路,设计人员也可以用硬件描述语言直接描述逻辑门和触发器之间的连接情况。网表经过进一步的功能验证、布局、布线,可以产生用于工业制造的GDSII文件,工厂根据该文件就可以在晶圆上制造电路。模拟集成电路设计涉及了更加复杂的信号环境,对工程师的经验

有更高的要求,并且其设计的自动化程度远不及数字集成电路, 通常需要大量的人工干预决定取舍。

模拟集成电路设计通常关注电源集成电路、射频集成电路等。由于现实世界的信号是模拟的,所以,在电子产品中,模-数、数-模相互转换的集成电路也有着广泛的应用。模拟集成电路包括运算放大器、线性整流器、锁相环、振荡电路、有源滤波器等。相较数字集成电路设计,模拟集成电路设计与半导体器件的物理性质有着更大的关联,例如其增益、电路匹配、功率耗散以及阻抗等等。模拟信号的放大和滤波要求电路对信号具备一定的保真度,因此模拟集成电路比数字集成电路使用了更多的大面积器件,集成度亦相对较低。

在微处理器和计算机辅助设计方法出现前,模拟集成电路完全采用人工设计的方法。由于人处理复杂问题的能力有限,因此当时的模拟集成电路通常是较为基本的电路,运算放大器集成电路就是一个典型的例子。在当时的情况下,这样的集成电路可能会涉及十几个晶体管以及它们之间的互连线。为了使模拟集成电路的设计能达到工业生产的级别,工程师需要采取多次迭代的方法以测试、排除故障。重复利用已经设计、验证的设计,可以进一步构成更加复杂的集成电路。1970年代之后,计算机的价格逐渐下降,越来越多的工程师可以利用这种现代的工具来辅助设计,例如,他们使用编好的计算机程序进行仿真,便可获得比之前人工计算、设计更高的精确度。SPICE 是第一款针对模拟集成电路仿真的软件(事实上,数字集成电路中标准单元本身的设计,也需要用到 SPICE 来进行参数测试),其字面意思是“以集成电路为重点的仿真程序(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)” 。基于计算机辅助设计的电路仿真工具能够适应更加复杂的现代集成电路,特别是专用集成电路。使用计算机进行仿真,还可以使项目设计中的一些错误在硬件制造之前就被发现,从而减少因为反复测试、排除故障造成的大量成本。此外,计算机往往能够完成一些极端复杂、繁琐,人类无法胜任的任务,使得诸如蒙地卡罗方法等成为可能。实际硬件电路会遇到的与理想情况不一致的偏差,例如温度偏差、器件中半导体掺杂浓度偏差,计算机仿真工具同样可以进行模拟和处理。总之,计算机化的电路设计、仿真能够使电路设计性能更佳,而且其可制造性可以得到更大的保障。尽管如此,相对数字集成电路,模拟集成电路的设计对工程师的经验、权衡矛盾等方面的能力要求更为严格。

模拟集成电路设计一直在集成电路设计中占据着极其重要的位置。由于我们所处的现实世界里存在的各种信号从本质上来讲都是模拟信号,因此从现实世界获取信号,进行放大、滤波和采样量化并最终返回现实世界实现驱动都离不开模拟集成电路。

模拟集成电路设计被称作是一门艺术。物理世界中的各种信号在模拟集成电路设计看来最终都以电压,电流或者电荷的形式呈现出来,有时还要深入到半导体物理中,观测信号在电子级别的实现,比如说热噪声。模拟集成电路设计充满了诸多设计因素的取舍 “trade-off“, 设计者需要在速度,功耗,增益,电源电压,噪声,芯片成本,设计鲁棒性(鲁棒性是robust 的音译,robust 本身有强壮,健壮等的意思) 等功能性能要求之间反复折衷,最终做出最合适的设计。这个过程中充满了妥协的艺术。(如图4),应综合考虑项目需求来制定合理的设计指标。

 

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图4 到处都有取舍

 

从事模拟集成电路设计需要准备一杆笔,一堆演算纸。因为模拟电路设计充满了电路结构的划分和公式的推导,等推算的八九不离十了,再通过计算机EDA软件的仿真进行验证,如果仿真结果与推算结合符合得较好,则可以得到满意的设计,如果符合不好,则需要仔细检查可能出问题的地方。从事模拟集成电路设计不仅要关注在常规条件下的工作实现,还要关注所使用的CMOS工艺的极端工艺角带来的电阻,电容值±20%变化的影响,温度从-40变到125度,电源电压±10%的变化,工艺离散偏差对电路性能的影响,还有各种看不见却无处不在的寄生效应(如图5)…..

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图5 各种寄生效应

 

模拟集成电路设计

在基于微处理器和软件的设计工具问世之前,模拟IC是使用手工计算和工艺套件器件进行设计的。因此这些 IC 是低复杂度的电路,例如运算放大器,通常涉及的晶体管不超过10个,连接很少。为了实现可制造的 IC,经常需要反复迭代试错的过程以及对器件尺寸进行 “过度设计” 是必要的。重复使用经过验证的设计,可以根据先前的知识和经验逐步构建更复杂的 IC。 1970年代,当廉价的计算机处理技术问世时,编写计算机程序来模拟电路设计,其准确性要比手工计算的精度高。第一个用于模拟 IC 的电路模拟器称为 SPICE(侧重于集成电路的模拟程序)。计算机化的电路仿真工具实现了比用手工计算设计更加复杂的 IC ,从而使模拟 ASIC 的设计变得切实可行。

由于在模拟设计中必须考虑许多功能限制,因此手动设计今天仍然很普遍。模拟电路的现代设计流程具有两种不同的设计风格 – 自上而下和自下而上。自上而下的设计风格充分应用类似于传统数字电路流程的基于优化的工具。自下而上的设计重复使用先前取得并应用到过程描中的解决方案的 “专家知识和经验”,从而模仿了专家的决定。典型的例子是单元生成器,例如 PCells 等。

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图 6 模拟设计的基本单元PCells

 

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图 7 模拟芯片

 

模拟芯片设计流程和各流程所需工具:

 

功能定义 Word, Excel, PDF

电路设计 Composer (Cadence)

电路验证 Specture (Cadence)

版图设计 Virtuoso (Cadence), laker (Springsoft)

后仿 Verification: Star-RC(Synopsys), Specture (Cadence)

版图验证 Calibre (Mentor), Dracula (Cadence), Astro(Synopsys)

RC参数抽取和验证:Calibre(Mentor), Dracula (Cadence), Astro(Synopsys)

 

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左边是模拟芯片设计流程,右边是数字芯片设计流程,颜色越深表示自动化程度越高,越浅表示人工干预越多

图 8 芯片设计流程及自动化程度

 

如果借用数字芯片设计的概念,把模拟芯片设计分为前后端,那么前端就是从参数的提出,验证,直到生成电路原理图,该设计涉及设计公司的知识产权和核心竞争力,涉及大量的理论计算,算法,假设验证等;后端则是把电路原理图以代工厂认可的版图 ( GDSII) 形式实现,并经过设计验证,DRC, LVS, ERC, 寄生参数的提取和验证等;尽管后端设计不涉及理论计算,算法等核心内容,但需要对晶体管原理,制造工艺,模型等有深刻的理解及应用,忠实地用版图把电路原理图的功能实现出来,并在可接收的误差范围内。

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图 9 电路图 Vs 版图的对应关系

 

画版图流程

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图 10 画版图流程

 

以下是一个简单的CMOS运算放大器的版图(输入在左侧,补偿电容器在右侧)。 金属层的颜色为蓝色,绿色和棕色,分别为N和P掺杂的Si,多晶硅为红色,通孔为十字形。

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图 11 运算放大器版图

 

Posted in CMOS模拟集成电路

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