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模仿集成电路设(she)计

集成电路(lu)设计可(ke)分为两大(da)类：模(mo)仿(fang)和(he)数(shu)字(zi)(zi)。为了(le)(le)显现(xian)这两类设计办法的(de)(de)(de)特征，我们必需首先(xian)定义(yi)(yi)模(mo)仿(fang)信(xin)(xin)(xin)(xin)号(hao)和(he)数(shu)字(zi)(zi)信(xin)(xin)(xin)(xin)号(hao)。信(xin)(xin)(xin)(xin)号(hao)能够被(bei)以(yi)为是电压、电流或(huo)电荷等(deng)电量的(de)(de)(de)可(ke)视值。信(xin)(xin)(xin)(xin)号(hao)应该反映物理系统的(de)(de)(de)状态或(huo)行(xing)为信(xin)(xin)(xin)(xin)息。模(mo)仿(fang)信(xin)(xin)(xin)(xin)号(hao)定义(yi)(yi)为在(zai)连(lian)续时间范围内具有(you)连(lian)续幅度(du)变化(hua)的(de)(de)(de)信(xin)(xin)(xin)(xin)号(hao)，图(tu)(tu)1.1-1( a)为模(mo)仿(fang)信(xin)(xin)(xin)(xin)号(hao)的(de)(de)(de)示例。数(shu)字(zi)(zi)信(xin)(xin)(xin)(xin)号(hao)是只(zhi)(zhi)在(zai)一些离散幅度(du)值上有(you)定义(yi)(yi)的(de)(de)(de)信(xin)(xin)(xin)(xin)号(hao)，换句话说，数(shu)字(zi)(zi)信(xin)(xin)(xin)(xin)号(hao)是一些量化(hua)了(le)(le)的(de)(de)(de)离散值。血型的(de)(de)(de)数(shu)字(zi)(zi)信(xin)(xin)(xin)(xin)号(hao)是只(zhi)(zhi)要两种(zhong)幅值定义(yi)(yi)的(de)(de)(de)信(xin)(xin)(xin)(xin)号(hao)的(de)(de)(de)二(er)进(jin)制加(jia)权和(he)，如图(tu)(tu)1.1-1( b)和(he)式(1.1-1)所(suo)(suo)示。图(tu)(tu)1.1-1 (b)是图(tu)(tu)1.1-1(a)所(suo)(suo)示模(mo)仿(fang)信(xin)(xin)(xin)(xin)号(hao)的(de)(de)(de)3位表示。

一个(ge)二(er)进制(zhi)数(shu)bi取值仅(jin)为0或1。因此(ci)，能够用只工作在两个(ge)稳定(ding)状态的(de)器件来完成数(shu)字(zi)(zi)电(dian)(dian)路(lu)。这(zhei)招致厂很强的(de)规(gui)则(ze)性，并可用代数(shu)办法描(miao)绘电(dian)(dian)路(lu)的(de)功用。冈此(ci)，数(shu)字(zi)(zi)电(dian)(dian)路(lu)设(she)计者能够得(de)心应(ying)手(shou)地(di)设(she)计更复杂的(de)电(dian)(dian)路(lu)。

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(li)解(jie)集(ji)成和(he)分(fen)立(li)(li)模(mo)仿电路(lu)(lu)设(she)(she)(she)计(ji)的(de)(de)(de)(de)不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)是(shi)很重(zhong)要的(de)(de)(de)(de)。与(yu)集(ji)成电路(lu)(lu)不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)，分(fen)立(li)(li)电路(lu)(lu)不(bu)(bu)把有(you)源(yuan)(yuan)和(he)无源(yuan)(yuan)元件制造在同(tong)(tong)(tong)一(yi)衬底上，而将器(qi)(qi)(qi)件严(yan)密地(di)制造枉同(tong)(tong)(tong)一(yi)衬底上的(de)(de)(de)(de)一(yi)个(ge)主(zhu)要的(de)(de)(de)(de)优点(dian)就是(shi)器(qi)(qi)(qi)件间的(de)(de)(de)(de)匹(pi)配(pei)也能够作为设(she)(she)(she)计(ji)思(si)索的(de)(de)(de)(de)—，个(ge)下具。两种设(she)(she)(she)计(ji)方(fang)式的(de)(de)(de)(de)一(yi)个(ge)不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)点(dian)是(shi)在集(ji)成电路(lu)(lu)设(she)(she)(she)计(ji)中有(you)源(yuan)(yuan)器(qi)(qi)(qi)件和(he)无源(yuan)(yuan)器(qi)(qi)(qi)件的(de)(de)(de)(de)儿何尺寸是(shi)在设(she)(she)(she)计(ji)者的(de)(de)(de)(de)控制之F的(de)(de)(de)(de)。在设(she)(she)(she)计(ji)过程中这(zhei)种控制赋(fu)予没计(ji)者更人的(de)(de)(de)(de)自(zi)在度。另一(yi)个(ge)不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)点(dian)就是(shi)集(ji)成电路(lu)(lu)设(she)(she)(she)计(ji)无法用(yong)(yong)电路(lu)(lu)实验板考(kao)证。因(yin)而，设(she)(she)(she)计(ji)者必需采用(yong)(yong)计(ji)算机仿真(zhen)的(de)(de)(de)(de)办法来考(kao)证其电路(lu)(lu)的(de)(de)(de)(de)性(xing)能。再一(yi)个(ge)不(bu)(bu)同(tong)(tong)(tong)点(dian)是(shi)，在集(ji)成电路(lu)(lu)设(she)(she)(she)计(ji)中，设(she)(she)(she)计(ji)者将会(hui)更多(duo)地(di)遭到与(yu)所(suo)用(yong)(yong)下艺相关的(de)(de)(de)(de)元器(qi)(qi)(qi)件类型的(de)(de)(de)(de)约束。

设(she)计一个(ge)模仿(fang)集成电路分为(wei)很多步骤。图l.l-3所示为(wei)一个(ge)集成电路设(she)计的普(pu)通过程(cheng)。

主要(yao)的步骤有：

1．定义

2．综(zong)合或装(zhuang)配

3．仿真或模(mo)型化(hua)

4．幅员设计

5．思索(suo)幅员(yuan)寄生参数后的仿(fang)真(zhen)（后仿(fang)真(zhen)）

6，制造

7．测试和考证

上述一切(qie)步骤，除(chu)了加工制造外，其他过(guo)程均需设计(ji)者担任。第一步是功用的定义和综合。

这一(yi)(yi)步(bu)十(shi)分重(zhong)要(yao)，由(you)于这决(jue)议了设计(ji)(ji)的(de)性能(neng)(neng)(neng)。当(dang)这些(xie)步(bu)骤完成后，设计(ji)(ji)者必需(xu)在制造之前(qian)可以(yi)确认(ren)这个设计(ji)(ji)。为此，下(xia)一(yi)(yi)步(bu)就是对电(dian)路(lu)(lu)(lu)(lu)停(ting)止仿(fang)(fang)真(zhen)，察看电(dian)路(lu)(lu)(lu)(lu)性能(neng)(neng)(neng)。开端设计(ji)(ji)者只能(neng)(neng)(neng)运用电(dian)路(lu)(lu)(lu)(lu)物理层(ceng)的(de)近(jin)似参数仿(fang)(fang)真(zhen)，一(yi)(yi)旦(dan)完成幅(fu)(fu)员(yuan)(yuan)设计(ji)(ji)，就能(neng)(neng)(neng)够(gou)用从幅(fu)(fu)员(yuan)(yuan)得到(dao)的(de)寄生参数信息(xi)检查(cha)仿(fang)(fang)真(zhen)结果。尔后设计(ji)(ji)者可重(zhong)复用模仿(fang)(fang)结果改良电(dian)路(lu)(lu)(lu)(lu)的(de)性能(neng)(neng)(neng)。一(yi)(yi)旦(dan)满足了性能(neng)(neng)(neng)请求(qiu)，就能(neng)(neng)(neng)够(gou)进入(ru)下(xia)一(yi)(yi)步(bu)—一(yi)(yi)电(dian)路(lu)(lu)(lu)(lu)的(de)几(ji)何描绘（幅(fu)(fu)员(yuan)(yuan)）。通(tong)常状况(kuang)下(xia)，这种(zhong)几(ji)何描绘由(you)在不同(tong)层(ceng)面上（Z轴）的(de)各种(zhong)外(wai)形(xing)的(de)矩(ju)形(xing)或(huo)多边(bian)形(xing)（x-y平面）构成的(de)计(ji)(ji)算机(ji)数据库(ku)组(zu)成，它与电(dian)路(lu)(lu)(lu)(lu)的(de)电(dian)性能(neng)(neng)(neng)亲(qin)密(mi)相关(guan)。如前(qian)所述，幅(fu)(fu)员(yuan)(yuan)完成后，需(xu)求(qiu)将(jiang)幅(fu)(fu)员(yuan)(yuan)的(de)寄生效应思索(suo)进去再次仿(fang)(fang)真(zhen)。假如性能(neng)(neng)(neng)满足，就能(neng)(neng)(neng)够(gou)制造电(dian)路(lu)(lu)(lu)(lu)了。

制成之后(hou)(hou)，设计者将会(hui)面临最后(hou)(hou)一(yi)步——肯定(ding)制成的电(dian)路能(neng)(neng)否满(man)足(zu)设计请(qing)求。假如在整(zheng)个设计过程中设计者没有认真思索这一(yi)步，那么在停止电(dian)路测(ce)试以及判别电(dian)路能(neng)(neng)否满(man)足(zu)设计请(qing)求时可(ke)能(neng)(neng)会(hui)遇到艰难。

正(zheng)如前面所提到的，分(fen)立与(yu)集成模仿(fang)电路设计的区别(bie)之(zhi)一是(shi)后(hou)者无法用电路实验板考证。计算(suan)机仿(fang)真技(ji)术曾经(jing)有了长足的开(kai)展(zhan)，能提供恰当的模型(xing)。

其(qi)优点包括：

·不需求(qiu)电路(lu)实验板(ban)

·具有监(jian)测电(dian)路(lu)任一处信号的才能

·可以将(jiang)反应环路拆(chai)开

·可以方便的修改电路

.可以(yi)在(zai)不同的工(gong)艺和温度条件下剖析电路

计算机(ji)仿(fang)真也有一些缺(que)陷：

·模型的(de)精度问题

·由于不收(shou)敛而(er)得不出仿真结果

·对大(da)电(dian)路(lu)停止(zhi)仿(fang)真很费时间

·无(wu)法用计(ji)算机替代人(ren)的思(si)想

由(you)于仿真与设计过(guo)程亲密(mi)相关，本书将在恰当的中(zhong)央(yang)停止引见。

在(zai)完成(cheng)(cheng)上述各(ge)个设(she)(she)计(ji)步骤(zhou)的(de)过(guo)程(cheng)中，设(she)(she)计(ji)者运用(yong)(yong)(yong)了三种(zhong)不(bu)同的(de)描(miao)(miao)绘(hui)(hui)格式(shi)(shi)：设(she)(she)计(ji)描(miao)(miao)绘(hui)(hui)、物理层(ceng)描(miao)(miao)绘(hui)(hui)和模型/仿(fang)真(zhen)描(miao)(miao)绘(hui)(hui)。设(she)(she)计(ji)描(miao)(miao)绘(hui)(hui)的(de)格式(shi)(shi)用(yong)(yong)(yong)来肯(ken)定(ding)电(dian)路；物理层(ceng)描(miao)(miao)绘(hui)(hui)用(yong)(yong)(yong)来定(ding)义电(dian)路的(de)几(ji)何(he)外形；模型肪真(zhen)描(miao)(miao)绘(hui)(hui)用(yong)(yong)(yong)来对电(dian)路停止仿(fang)真(zhen)。设(she)(she)计(ji)者必需在(zai)每种(zhong)描(miao)(miao)绘(hui)(hui)格式(shi)(shi)中都能(neng)(neng)(neng)对设(she)(she)计(ji)停止描(miao)(miao)绘(hui)(hui)。例(li)如，模仿(fang)集成(cheng)(cheng)电(dian)路设(she)(she)计(ji)的(de)第一步能(neng)(neng)(neng)够用(yong)(yong)(yong)设(she)(she)计(ji)描(miao)(miao)绘(hui)(hui)格式(shi)(shi)完成(cheng)(cheng)，显然，幅员设(she)(she)计(ji)阶段能(neng)(neng)(neng)够用(yong)(yong)(yong)物理层(ceng)描(miao)(miao)绘(hui)(hui)格式(shi)(shi)，仿(fang)真(zhen)阶段可(ke)采(cai)用(yong)(yong)(yong)模型/仿(fang)真(zhen)描(miao)(miao)绘(hui)(hui)格式(shi)(shi)。

模仿集成(cheng)电(dian)路设(she)计(ji)(ji)(ji)还能(neng)(neng)够(gou)用(yong)(yong)分(fen)层的(de)(de)(de)观(guan)念来(lai)描绘(hui)(hui)。表(biao)1.1-1展现了(le)由(you)器(qi)件(jian)、电(dian)路和系(xi)(xi)统(tong)构(gou)成(cheng)的(de)(de)(de)纵(zong)向层次(ci)，横向分(fen)为(wei)设(she)计(ji)(ji)(ji)、物理(li)和模型(xing)(xing)(xing)三个层次(ci)。器(qi)件(jian)级是(shi)设(she)计(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)最(zui)底层。能(neng)(neng)够(gou)分(fen)别用(yong)(yong)器(qi)件(jian)性(xing)能(neng)(neng)、几何图形和器(qi)件(jian)模型(xing)(xing)(xing)作为(wei)设(she)计(ji)(ji)(ji)、物理(li)和模型(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)相应描绘(hui)(hui)。电(dian)路级是(shi)设(she)计(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)较(jiao)高层，能(neng)(neng)够(gou)用(yong)(yong)器(qi)件(jian)的(de)(de)(de)术语来(lai)表(biao)示。电(dian)路级的(de)(de)(de)设(she)计(ji)(ji)(ji)、物理(li)和模型(xing)(xing)(xing)描绘(hui)(hui)的(de)(de)(de)格式(shi)普通为(wei)：电(dian)压电(dian)流关系(xi)(xi)、参数(shu)化的(de)(de)(de)幅员(yuan)和宏模型(xing)(xing)(xing)。设(she)计(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)最(zui)高层是(shi)系(xi)(xi)统(tong)级——用(yong)(yong)电(dian)路来(lai)表(biao)示。系(xi)(xi)统(tong)级的(de)(de)(de)设(she)计(ji)(ji)(ji)、物理(li)和模型(xing)(xing)(xing)描绘(hui)(hui)的(de)(de)(de)格式(shi)为(wei)：数(shu)学(xue)或图形描绘(hui)(hui)、芯(xin)片规(gui)划(hua)规(gui)划(hua)以及行为(wei)模型(xing)(xing)(xing)。

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(zhang)(zhang)与第5章(zhang)(zhang)主要引见由两(liang)个(ge)管子(zi)及(ji)两(liang)个(ge)以上管子(zi)构成(cheng)的(de)电(dian)路(lu)，这类电(dian)路(lu)称(cheng)为简单电(dian)路(lu)。在(zai)第6章(zhang)(zhang)到第8章(zhang)(zhang)中引见如何由这些(xie)简单电(dian)路(lu)设(she)计更(geng)复杂(za)的(de)电(dian)路(lu)。最后，在(zai)第9章(zhang)(zhang)和第10章(zhang)(zhang)中给(ji)出了由这些(xie)复杂(za)电(dian)路(lu)设(she)计的(de)模仿(fang)(fang)系统。各种设(she)计层次间(jian)的(de)界线有时并不太明白。但(dan)是(shi)，根(gen)本的(de)关系是(shi)有效的(de)，能够(gou)给(ji)读者一个(ge)模仿(fang)(fang)集成(cheng)电(dian)路(lu)设(she)计的(de)框(kuang)架构造概念。

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