用于155Mbs光纤通信系统时钟恢复电路的预处理模块设计.pdf

东南大学硕士学位论文用于155Mb/s光纤通信系统时钟恢复电路的预处理模块设计姓名：吉小冬申请学位级别：硕士专业：软件工程指导教师：李智群;高小平20070430摘要摘要随着信息化的快速发展和社会需求的不断增加，光纤通信网络已成为一个国家通信网络的骨干网络，成为一个国家信息产业发展的基础。目前，光纤通信技术中，1 0 G b s 传输系统已大批量装备网络，许多电信公司开始向4 0 G b s 速率的水平发展，S D H(S y n c h r o n o u sD i g i t a IH i e r a r c h y)6 4 1 9 2 正走向实用化。因此，加紧研制光纤通信设备，尤其尽早研究具有国内自主知识产权的相关集成电路具有十分重要的意义。光接收机时钟恢复电路是光纤通信中不可或缺的关键电路，而预处理单元则是时钟恢复电路的重要模块。论文从通信系统基本概念着手分析讨论了时钟恢复电路的基本原理以及几种常见时钟恢复电路的系统构成，由此可以看到时钟恢复芯片的预处理模块的重要性和必要性。接下来给出了时钟恢复芯片预处理模块的组成，对各个组成电路逐个作了分析，给出了实际的预处理单元电路并对电路的结构、组成元件的选择作了较为详细的讨论，晟终使用E D A 软件A D S(A g i l e n t 公司A D V A N C E DD E S I G NS Y S T E M 工具)完成了预处理模块的晶体管级电路分析、仿真，并给出了详细的仿真结果。从结果看，所设计的电路起到了预处理的功能。最后在C A D E N C E 下完成了版图设计，本文用了一章专门介绍了时钟恢复电路设计中可以应用到的相关工艺的特点，并以上华(C S M C)0 6 t o nC M O S 工艺为基础，详细分析了设计中可能用到的各器件的模型。【关键词】集成电路，时钟恢复，C M O S，预处理，工艺A b s t r a c tA st h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o na n dt h eg r o w i n go fs o c i a ln e e d s，o p t i cf i b e rc o m m u n i c a t i o nN e t w o r kh a sb e c o m et h eb a c k b o n en e t w o r ki nan a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k，a n df o r m st h eb a s i so fn a t i o n a li n f o r m a t i o ni n d u s t r yd e v e l o p m e n t C u r r e n t l y,t h e r ei sal a r g ea m o u n to f n e t w o r ke q u i p m e n ta b o u tI O G b st r a n s m i s s i o ns y s t e m O p t i c a lc o m m u n i c a t i o nh a sd e v e l o p e dt o4 0 G b sa n dt h eS D H 6 4 19 2a r eh e a d i n gf o ra p p l i c a t i o n I ti sc r u c i a lt os t e pu pt h ed e v e l o p m e n to fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n ta n di ti ss i g n i f i c a n tt od e s i g nt h er e l a t e di n t e g r a t e dc i r c u i t sw i t hi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s C l o c kr e 0 0 v e r yc i r c u i t(C R C)i sp i v o t a la n di n d i s p e n s a b l ef o rr e c e i v e rs y s t e mo fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n,w h i l et h ep r e p r o c e s s o rm o d u l ei st h ek e yp a r ti nC R C T h e r e f o r e，t h eb a s i cc o n c e p to fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n dt h ep r i n c i p l e so fc l o c kr e c o v e r yc i r c u i ta r ed i s c u s s e da tf i r s t T h e n,s e v e r a ld i f f e r e n tf r a m e w o r k so fc l o c kr e c o v e r yc i r c u i tw e r ea n a l y z e d A sar e s u l to ft h ed i s c u s s i o n,w ec o u l df i n dt h a tt h ep r e p r o c e s s o rm o d u l ei sn e c e s s a r 3，a n di m p o r t a n t N e x t，as t r u c t u r ef o rt h ep r e p r o c e s s o rm o d u l eo fC R CW a sg i v e n T h ec i r c u i tc o m p o n e n t so ft h ep r e p r o c e s s i n gm o d u l ea r ed e f i n e da n da n a l y z e di n d i v i d u a l l yT h ea c t u a lu n i tc i r c u i ts t r u c t u r e sh a v eb e e ng i v e n T h ec h o i c eo ft h ec o m p o n e n t sh a sb e e nd i s c u s s e di nd e t a i l A D S(a d v a n c ed e s i g ns y s t e m)，o n ef a l n o u sE D At o o lo fA g i l e n t,W a su s e dt od ot h ec i r c u i t ss i m u l a t i o n T h er e s u l t sa b o u tt h ew h o l ec i r c u i ts i m u l a t i o na n de a c hs u b-c i r c u i ts i m u l a t i o na r eg i v e n F i n a l l y,t h ec i r c u i t Sl a y o u ti sd e s i g n e dw i t l IC A D E N C Et 0 0 1 T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec i r c u i th a sp l a y e daf u n c t i o no f t h ep r L 灯e a t m e n ta n dc o m p l e t e dt h ed e s i g ng o a l 1 1 他f e a t u r e so ft h et e c h n o l o g y,w h i c hc o u l db eu s e dt od e s i g nt h eC R C a r ei n t r o d u c e ds p e c i a l l yw i t ho n ec h a p t e r A n dt h ed e v i c em o d e l sa ma n a l y z e di nd e t a i lb a s e do nC S M C0 6 岬C M O Sp r o c e s s K e yW o r d s：I n t e g r a t e dC i r c u i t，C l o c kr e c o v e r,C M O S，P r e p r o c e s s o r，T e c h n o l o g y东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：卫日期：翌：三：!东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布(包括刊登)论文的全部或部分内容。论文的公布(包括刊登)授权东南大学研究生院办理。研究生签名：专生!l 一导师签名：第一章绪论第一章绪论近十年来，随着网络的不断演进和巨大的信息传输需求，对光纤通信提出了更高的要求，同时也促进了光纤通信技术的快速发展。目前，光纤通信系统向4 0 G b s 甚至更高的速率发展，与光纤通信相关的技术仍将是研究的热点。本论文研究工作是围绕光纤通信中最重要和最基本的传输模块S T M-I 系统的光接收机集成电路的研制展开的。论文的绪论部分首先简明扼要的回顾了光纤通信系统构成，然后介绍了本论文的研究意义和论文的结构安排。1 1 光纤通信系统1 I 1 概述人类文明的进步一直与通信技术的发展紧密相连。从古代的峰火台到1 8 4 4 年的第一条商用电报线路；从1 8 7 8 年的第一台电话交换机到现在的互联网，通信技术的发展使得人类之间的信息交流更直接、更有效、更方便、更快捷。随着网络化时代的到来人们对信息的需求与日俱增。全球范围内口业务突飞猛进的发展，在给传统电信业务带来巨大冲击和挑战的同时，也为电信网的发展提供了新的机遇。从当前信息技术发展的潮流来看，数据化、宽带化、综合化已成趋势，传输与交换的融合、电路交换向分组交换演进、网络向更加宽带化、智能化，集成化、兼容性、灵活性和高可靠性的方向发展已成必然。时间进入了2 l 世纪，也进入了一个信息社会，人们对信息的需求呈爆炸式增长，促使以互联网为代表的信息产业得以不断发展。可以说，社会的发展、人们的生活等已经离不开信息，离不开网络，各种通信网络已经遍布世界每个角落，而负责承担主干道的传输介质必须能够传输高速的数字信号虽然利用光导纤维作为传输媒介的光纤通信只有二三十年的历史，但是与电缆通信和微波通信相比有其多方面的优点，如：频带宽、容量大。单模光纤在低损耗区内，其理论带宽可达1 0 1 2 H z损耗小，无中继传输距离长，适用于长途传输；输入与输出之间电隔离；几乎无漏信号和串音，安全可靠、保密性强；抗腐蚀、抗酸碱：资源丰富，节省能源，可省大量有色金属。这些优点使得光纤通信成为了现代通信系统载体的首选，也正因为如此世界上所有新建的干线通信系统均采用光纤同时，光纤通信本身也在从低速系统向高速系统发展。而光纤替代传统的电缆，使得大量新技术和新产品应运而生，包括流媒体(包括视频和音频)，远程教育，在线游戏、电话与视频l东南大学硕t 学位论文会议和其他不断出现的或者发展的通信应用新领域，比如，F 1 1 1 (光纤到家庭)是光纤通信进一步发展的方向，被公认为理想的宽带接入网，r 在国外开始高速发展，对信息业务的发展起到了一个促进作用。随着波分复用技术和光纤技术的突飞猛进，以及光放大器的发明，使得大部分主干传输系统可以工作在纯光域。年代初人们谈的最多的是全光网(A O N)，但后来人们逐渐发现。实现全光的处理非常困难。首先是放大、整形、时钟提取、波长变换等在电域很容易实现的功能在光域实现却十分困难。有些虽然经过复杂的技术可以实现，但效果并不理想，且成本高昂。另一方面，全光网的管理和维护信息处理也是一个重要问题。无法在光域上增加开销对信号进行监视，管理和维护还必须依靠电信号进行。因此全光网不能组成全球性，全国性的大网，而只能组成一个有限区域的子网，在子网内透明传输和处理。子网之间的互连通过3 R 电再生处理。在数字传输系统中，信号再生是通过“3 R”即：再放大一R e a m p l i f i c a t i o n t 再整形-R e s h a p i n g，再定时-R e t i m i n g 的三级处理完成的。信号通过前置和限幅放大器实现放大和整形，通过时钟恢复电路和数据判决电路再定时。而光放大器只能简单的起放大作用。如果在数字系统中等间隔的使用3 R 再生器，那么误码率(B E R)随着再生器数目线性增长。但是如果只是简单的放大，随机抖动以K 增加1 2 1，那么误码率比前者增长快得多。显然前者传输距离比后者远的多。光纤通信系统可以分为三类，分别为点对点系统、一点对多点系统以及网络的拓扑结构。这些节点通常可能是交换机、终端、计算机、工作站等。而点对点系统和一点对多点系统仅仅是网络的特例。现在的情况是，已经敷设好的长距离光纤干线正在转变成为复杂的干线网络，也称为广域网(w N)。而网络的进一步发展，出现了与广域网相联的城域网(M A N)和与城域网相联的局域网(L A N)。而点到点的连接需要发射接收机。随着通信技术的不断发展，光纤技术逐渐从骨干网向W A N 和M A N 发展，最后渗透到L A N，最终实现光纤到户这种趋势大大激励了低成本、低功耗集成光纤接收机和发射机的研究。接收模块的核心就是数据再生电路，包括时钟恢复电路和数据判决电路。通过数据再生电路来抑制噪声和其他干扰。本论文的目的就在于通过分析时钟恢复电路的原理，来实现时钟恢复电路预处理模块的具体电路，并给出改进意见给广大的光纤通信集成电路设计者做一个参考。1 1 2 光纤数字通信标准和协议目前国际上提出了多种与光纤通信有关的标准和协议，有代表性的包括数字电话复接准同步数字体系P D H，光纤数字分布接口F D D I、B I S D N 和同步数字体系S D H 等P D H 是2 0 世纪6 0 年代和7 0 年代初由C C I T r(国际电话电报通信委员会)制订的数字电话复接标准。由于没有统一的国际制式和避免复接分接技术上的麻烦，P D H 己让路于新的国际标准S D H，S D H只是把P D H 信道作为低速信源的一类。城域网W A N 因其数据速率高(1 0 0 M b s)，传播距离远而咀光纤通信作为其技术基础。在多种W A N通信技术中，美国国家标准文件A N S I X 3 T 9 给出的光纤分布式数字接口F D D I(F i b e r d i s t r i b u t e d D i g i t a lI n t e r f a c e)和I E E E8 0 2 6 标准的D Q D B(d i s t r i b u t e dq u e u ed u a lb u s)是较有应用前景的两个标准2第一章绪论宽带I S D N 即B S D N 以光纤为基本传输媒质，采用基于A T M 的特殊分组交换形式进行宽带数据传送。A T M 是一种面向连接的信元(c e l l)交换技术，采用4 8 字节信息附加5 字节信头的标准信元来实现信息的高效传递功能，考虑到支持H D T V 高速数据信号的需要，以A T M 传递技术为基础的B-I S D N网内确定了1 5 5 5 2 M b s 和6 2 2 0 8 M W s 两种数据速率。S D H 是在美国同步光纤网S O N E T 接口标准的基础上发展起来，由C C I T T 即现在的国际电信联盟r r u T 确立为世界性高速数字传输标准。S D H 包含一系列涉及比特率、网络节点接口、复用结构、复用设备、网络管理和线路系统等r r u T 建议。迄今为止S D H 设计的大部分基本硬件和软件都已得到定义，已成为新建光纤工程的标准技术，并成为被多种高速数字网络包括P D H、F D D i 和A T M 等进入光纤传输主通道的平台技术口J。作为一个国际复用标准，同步数字体系(S D H：S y n c h r o n o u sD i g i t a tH i e r a r c h y)正在被许多网络用来进行高速数字信号传输。S D H 从美国的光接口标准S O N E T 演化而来，对S O N E T 经过修改后，S D H已经被C C l T r(现在的U _ T)采用作为全球传输标准。到目前为止，S D H 最基本的硬件和软件标准已经得到定义。S D H 中最重要和最基本的传输模块是S T M 1，它的比特率是1 5 5 5 2 M b s。更高速的s 1 M N 信号是把N 个S T M I 通过按字节复接而形成的，目前，由C C I T r 标准化了的N 值有I、4、1 6、6 4，它们的比特率如表1 1 所示。作为比较，表中还列出了由A N S I 标准化了的S O N E T 的比特率。表1IS D F F S O N E T 的标准比特率S D HS O N E T系列比特率m f b s)系列比特率，s)S T S 15 1 8 4 0S T M 1l5，5 2 0S T S 315 55 2 0S T S 94 6 65 6 0S T M-46 2 20 8 08 T S 1 26 2 20 8 0盯S 1 89 3 3t 2 08 T S 2 41 2 4 41 6 0S T M 1 62 4 9 83 2 0S T S-4 82 4 8 83 2 0S T S 9 64 9 7 66 4 0S T M 一6 49 9 5 32 8 0S T S 1 9 29 9 5 32 8 01 1 3 光纤传输系统光纤传输系统是由一段或多段光纤、一系列光子，光电子和微电子的器件、电路和子系统组成的链路、环路或网络这个系统要完成数据在信源端的接收、组织(分帧、打包、复接等)、光调制、传输、3东南大学硕t 学位论文光接收、再生和分接等一系列处理，应用到多种技术，其研制和开发涉及到多种学科其设备的生产和工程建设涉及到众多的产业和部门。光纤通信系统的组成如图1 1H 所示。图中仅表示了一个方向的传输，反向的传输结构也是相同的。在发射机中，复接器(M u x)将多路低速信号复接成一路高速信号，激光驱动器(L DD r i v e r)驱动激光二极管(L D：L M D i o d e)将电信号转变为光信号，然后通过光纤传输。在接收机中，光电二极管(P D：P h o t o nD i o d e)将经由光纤传输过来微弱的光信号转变成为电信号，微弱的电信号经过预放大器(P r e A M P)和主放大器(M a i n A m p l i f i e r)放大整形后，由时钟恢复(C l o c k R e c o v e r y)电路和数据判决(D a t a D e c i s i o n)电路分别从中恢复出时钟信号和数据信号，最后由分接器(M H)把高速信号还原成多路低速信号。图1 1 光纤通信系统原理框图信号经过长距离信道传输，由于本身信道的衰减，并且受到噪声以及其它信号的干扰，传输的信号通过一定距离就要加以放大，以补偿信道的衰减，必要时还需要进行再生，这就需要中继器(R e p e a t e r)在单模光纤中，如果光纤工作在零色散波长上，传输损耗是最大无中继传输距离的最主要限制因素，这种情况下，中继器的主要用途是提供一个增益来补偿传输中的损耗。这个任务可以使用无再生电中继器或者光纤放大器实现。但是经过这样的处理，信号幅度虽然被放大了，但是质量降低了。同时，由于光路被中继器隔断，系统变成了不透明的。故此类中继器很少被使用。一个完整的电中继器中，数据信号不仅得到放大，而且得到整形，再生这种中继器就类似一个完整的接收机和发射机模块。1 I 4 数字光纤通信系统的主要性能指标数字光纤通信系统的主要性能指标是误码特性、抖动特性和可靠性嗍1)误码特性数字光纤通信系统的误码率应小于1 0 r 9，这是指系统在规定的较长时期内的平均B E R 称为长期平4第一章绪论均B E R。然而，对于一个易受外界环境影响的系统，虽然其长期平均B E l t 可能合格但在某一段时限内的B E R 仍可能远远超过可以接受的水平。为了能正确反映实际系统的B E R 特性，C C I T T 规定了其他一些指标(见表1 2)：劣化分钟比值(D M)、严重误码秒比值(S E S)及误码秒比值(E s)。表1 2C 1 T I 误码特性指标误码性能定义劣化分钟比值(D M)1 分钟时间内误码率劣于l l O 的时间与总评价时间之比严重误码秒比值1 秒钟时间内误码率劣于I x l 矿的时间与总评价时间之比(S E S)误码秒比值(E S)有误码的秒与总评价时间之比2)抖动特性抖动是指数字信号脉冲的有效瞬时值相对于标准时间位置的偏差，它包括输入信号脉冲在某一平衡位置附近的变化及提取的时钟信号在中心位置附近的变化。抖动严重时可因接收脉冲移位而将。1”判为“0”或相反，造成误码。抖动的单位为u I 它表示单位时隙。当信号脉冲为N R Z 码时，I u I 为I-b i t占用的时间长度(即l 雏，五为码速)。抖动特性包括三项指标：(1)输入抖动容限。指系统允许的输入信号最大抖动范围，它衡最数字设备输入端适应定数字信号抖动的能力，显然与光端机的性能有关。b)无输入抖动时的输出抖动。它衡量系统输出端的信号抖动特性。曲抖动转移特性指输入信号的抖动值和输出信号的抖动值之比，它衡量光端机自身对抖动的传递关系。测出不同频率下的抖动增益即得抖动转移特性。1 2 课题任务众所周知，光纤通信信号的准确恢复必须在光纤通信信号时钟的准确提取的基础上进行，如果没有一个准确的时钟信号，也无从谈起信号的提取、恢复。正因为如此所有的光纤信号恢复电路均包含信号时钟提取(或恢复)部分。本论文的研究方向是利用容易得到、集成度高、低成本和低功耗的C M O S 工艺来分析、设计并最终实现1 5 5 M b s(S T M 1)比特率上的时钟恢复电路的预处理电路(以下简称“预处理模块”)。为了实现这个目标摆在我们面前最大的挑战是如何利用0 6 p m 的C M O S 工艺来实现达到1 5 5 M b s 甚至更高的速率。时钟恢复和数据判决系统的性能关键取决于在噪声、干扰以及其它不良因素导致产生误码前再生数字信号的固有能力。为了保证数字信号的完整性，必须从数据信号中获取一个准确的时钟信息。5东南大学硕上学位论文有错误或者抖动的时钟边沿响图1 2 时钟信号受抖动的影响一个理想的数据和时钟信号是通过周期T 或T C L K 明确定义的。但是在信号被传送或处理后，由于噪声、干扰和其它非理想因素，该周期就会受到干扰，波形上升沿和下降沿就会持续的偏离准确的位置，从而产生抖动(j i t t e r)。抖动特性是传输系统中是数据和时钟信号的一个重要性能。抖动指数字信号脉冲的有效瞬时相对于标准时问位置的偏差，它包括输入信号脉冲在某一平衡位置附近的变化及提取的时钟信号在中心位置附近的变化。抖动严重时可因接收脉冲易位而将“1”判为“0”或相反，造成误码。抖动的单位u l 表示单位时隙。当信号脉冲为N R Z 码时1 U I 为I b i t 占用的时间长度，即I t b(t b 为码速)。长距离光纤传输的标准有几个关于抖动的指标。图1 2 显示了抖动如何影响时钟信号波形。在同步传输系统中，定义和测量这些边沿的时变特性，也就是抖动，是非常重要的。而预处理模块就是为了消除这些不利影响，产生一个准确的时钟信号波型，为时钟提取电路的后续部分提供一个相对准确的输入信号。1 3 论文组织论文由5 个部分组成。在第一章绪言中介绍了论文研究的主要研究内容和相关技术指标：第二章在简要介绍常用集成电路工艺的基础上，具体分析了无锡上华C S M C0 6 1 a mC M O$工艺的特点，并以此工艺为例，分析了器件模型和特性；第三章描述了时钟恢复电路的预处理模块设计原理及其电路实现，并给出了一个详细的电路设计及其分析、器件选择；第四章分析了电路的版图设计及电路测试结果：最后，在第五章总结了全文第二章介绍了集成电路设计工艺和设计方法。第三章介绍时钟恢复电路的系统结构和基本原理，总结了已出现的不同预处理模块结构并对本次设计采用的结构的基本原理进行了详细的分析。第四章给出了预处理模块电路的完整的电路设计、相关模拟结果、版图设计。第五章给出了最后的结论。6第二章集成电路设计工艺第二章集成电路设计工艺与设计方法集成电路设计是一项复杂的综合性工程，它包括电路设计、版图设计和工艺设计几大部分。这些部分是密切相关的。电路设计工程师必须了解集成电路的工艺过程和版图设计规则。例如集成电路中存在各种寄生效应，它们都与版图及工艺有关。只有熟知工艺的工程师，才能在电路设计中把互联线的寄生电容、器件的寄生效应等统一考虑进去，或者通过改变电路结构、版图布局等以减小寄生参量的影响。总之，要设计出性能优良的芯片，电路设计人员首先必需深入了解设计使用的工艺。本章在概述集成电路工艺的基础上，具体分析介绍了本课题设计所采用的工艺及其主要器件特性。2 1 集成电路工艺介绍低功耗、低成本是集成电路发展的必然趋势。光通信收发信机以往是用砷化镓(O a A s)、双极性硅或C M O S 工艺实现的其优点为器件速度高，但缺点亦很明显，制造成本高，功耗大，集成度低等。随着C M O S 工艺进步，特征尺寸不断减小，器件的特征频率 不断提高，用C M O S 实现光通信系统的电路模块成为研究的热点。因为，采用C M O S 工艺设计，具有如下优势：a)C M O S 工艺容易获得。国内有华晶、华虹、先进等半导体工艺厂商可以提供加工服务；美国M O S I S向全世界提供多目标芯片服务，其提供的最先进的C M O S 工艺已经达到O 1 8 t t m 的水平；欧洲也有类似的组织，如E u r o P r a c f i c e 提供多目标芯片的服务。b)C M O S 工艺的加工制造成本比其它工艺低。c)C M O S 电路功耗小、集成度高。众所周知，功能复杂的电路，其电路规模一般都较大。而在集成度方面，C M O S 有着C r a A s、双极性硅等工艺无法比拟的优点。本文前置放大器的设计采用了国内工艺成熟、价格低、易获得生产线支持的C S M C0 6 t t mC M O S混合信号工艺。选择该工艺主要是基于如下几点考虑：a)光纤通信专用核心芯片的规模比较小，芯片的面积主要是焊盘决定的；而用O 3 5 t t m、0 2 5 1 t i nC M O S工艺实现同样的芯片，面积基本相当，不存在任何优势。b)用C S M C O 6 t t m C M O S 工艺实现的芯片，性能优良，可以满足1 5 5 M b s 速率级S T M 1 传输模块的光收发系统需要 6-9 1。c)用C S M CO 6 t t mC M O S 工艺加工的芯片的单位面积价格仅为T S M CO 2 5 t J m 0 3 5 t t mC M O S 工艺的!5 I 3，显然采用国内工艺可以大大降低研究开发和生产成本。d)利用本土资源受外部政治经济情况影响小容易获得更好的技术支持，同时节约了联络和交通运输费用，节省了时间、缩短了研发周期，从而更具有市场竞争力7东南人学硕l 二学位论文制造集成电路可以有许多种工艺1 1 1 6 。除目前的主流工艺-C M O S 工艺外，还有双极工艺，混合的双极-C M O S 工艺(称为B i C M O S 工艺)、G a A s 工艺等。这里对四种常见工艺的主要优缺点做比较说明。1)双极工艺这种工艺中基本的有源器件是双极结型晶体管(B I T)，故称双极工艺其生产的电路主要是1 1 L(t r m m i s t o r-t r a n s i s t o r4 0#e)。即晶体管晶体管逻辑以及E e L(e m i t t e r c o u p l e-l o g i c)，即发射极耦合逻辑。双极型集成电路由N P N、P N P 型双极性晶体管组成，这种类型的器件具有驱动能力强、速度较高的优点(相同工艺水平条件下比C M O S 高)；其缺点是功耗较大、集成度较低。2)M O S 工艺这种工艺制造的I c 中基本有源器件是M O S 管(m e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r)。M O S 工艺又可分为P M O S、N M O S 和C M O S 三种。P M O S 器件的电流由空穴传导；N M O S 器件的电流由电子传导。由于硅材料中电子的迁移率是空穴的2 3 倍，所以在相同条件下N M O S 工艺比P M O S 工艺可使电路实现更高的工作速度。而C M O S(c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r)工艺则包含两种工艺，所以比较复杂。一般情况下，C M O S 电路中，N M O S 管和P M O S 管是成对出现的，其主要特点是功耗低、集成度高。3)B i-C M O S 工艺同时包括双极性晶体管和C M O S 晶体管的集成电路称为B i-C M O S 集成电路，它综合了双极和M O S器件两者的优点，但制作工艺相对复杂。4)G a A s 工艺从材料性质来看，G a A s 被认为是继硅以后一种有前途的半导体材料，这种材料的技术开始于上世纪5 0 年代但到了8 0 年代才得到了突破性的进展，并作为高性能的半导体器件大量应用，显示了其优越性。G a A s 与s i 不同，它不是单一元素，而是一种一v 族化合物半导体，其主要优点为：a)高的电子迁移率：约是硅中电子迁移率的6 倍，在室温下可达8 0 0 0e m 2(v s)，正因为这个优点，其可以用来制作高频、高速的集成电路。b)大的禁带宽度E O：约比硅(I 1 e v)大一倍，达到1 4 2 e v，因此本征载流子激发的温度很高，可适于高的环境温度下工作。c)短的少子寿命：由于G a A s 禁带宽度E Q 大，少子寿命短，因而抗辐照能力比硅器件强得多，可到达1 0 7 r a d，因此，可以在较强辐照环境下安全使用。d)很高的衬底电阻率：几乎接近于绝缘体，因而G a A s 可以作为高频器件的绝缘介质，又可以作为高速集成电路的隔离介质。相对于硅器件来说，G a A s 器件也有某些关键的不足之处：a)材料昂贵：单晶制造工艺成熟，价格便宜，而C r a A a 单晶制造工艺复杂要求生长出完整性很高的单晶更为困难，目前虽然工艺已成熟，但价格比硅单晶贵得多b)工艺困难：硅器件的制作工艺充分利用在硅上可以生长高质量氧化层s i 0 2 的特点发展平面工艺及M O S F E T 工艺，直接利用S i 0 2 层作掩膜保护层及栅介质而G 从s 上不能生长出这种优质低界面态的氧化层，因而无法做成M O S 结构，而只好改用肖特基(S c h o t t k y)势垒等其他场效应结构，必然8第二章集成电路段计工艺给工艺制造带来困难。同时C J a A S 比硅要脆，因此在工艺加工过程中很容易碎。综上所述，一方面由于G a A s 器件在高频、高速，耐高温和抗辐照等方面的优越性，使它在一些要求高性能应用领域内起主导作用；另一方面它又不可能取代硅作为半导体器件的主流。但G a A s 器件与s i 器件相比具有速度快、功耗低、工作温度高和抗幅能力强等明显优点，使研制超高速G a A s 电路成为必然的趋势。结合本课题任务、代工相对成本等因素，课题组讨论采用无锡上华C S M C0 6 0 m 工艺。2 2C M O S 工艺简介本文采用的C S M C 0 6 t t m 有取多晶硅、双金属电源电压5 V，共有1 2 层掩模，其标识和所代表的含义如表2 1，该工艺所能提供的器件如表2 2 表2 I 工艺掩模版介绍编号层次标示层次说明lN w e nN 阱2P w e l lP 阱3A c t i v e有源区4P O L Y l第一层多晶硅5P O【Y 2第二层多晶硅6N+S，DN+注入区7P+S DP+注入区8C o n t a c t接触孔9M e t a l l第一层金属1 0V i a通孔1 1M e t a l 2第二层金属1 2m焊盘钝化层表2 2 工艺实现器件介绍分类名称器件类型M O S 晶体管普通V t h 型M O S、低V t h 型M O S、耗尽型M O SB J T 晶体管纵向寄生P N P电阻阱电阻、有源区电阻，多晶硅电阻、高阻值电阻电容双层多晶硅电容注：以上两表来源于C S M C 工艺设计资料。9第二章集成电路设计工艺然而，该工艺没有提供晶体管的噪声模型，仿真电路的噪声特性时只能采用B S I M 3 模型的默认噪声参数，这就会造成电路噪声性能仿真结果与实际测量值的不一致。2 _ 3C M O S 无源器件0 1 0 1C S M C0 6 p r oC M O S 提供电阻和电容两种无源器件。2 3 1 电阻C S M CO 6 p mC M O S 提供的电阻有7 种，见表2 3。电阻值的计算公式为式2 1：R=凡i 瓦L-瓦d lx(1+嵋川+V C 2x d v 2)(1+r c,(r 一)+T C 2(r-)2)(2 1)从式2 1 可以看出，d l、d w 值影响电阻的绝对值，一般对于较大的电阻，其L)d l，这样d w 的影响反而大一些。同时，将w 取大一些，可以减小d w 带来的误差。从减小电压系数和温度系数来看，P o l y 2 电阻好一些，但要大电阻时，其占用的面积较大。如果对面积的考虑多些，可在N W e l l 和H R 0K)，t m(5 K)中进行选择，其中阱电阻的温度系数和电压系数都比较大，一般很少使用。H R(I K)、H R(5 K)的温度系数和电压系数相差不大，从节省面积考虑，使用H R(5 K)。由于工艺上存在误差，但在不同拐角下H R(1 K)的精度优于H R(5 K)。H R 电阻的计算公式见式2 2，工：R。(r-d w)(2 2)R s h如上分析，在选择电阻时必须综合考虑各方面的需求以选择使用合适的电阻类型。在版图设计，见图2 1，电阻只有w、L 两个参数可以改变(因为特定工艺条件下，膜厚是固定)。H，I17-胡：目图2 I 电阻模型示意图一个简单的多晶硅电阻的生产过程如下，首先在衬底(硅片)上沉积一层多晶硅以得到电阻层，再在多晶硅层上履盖一层氧化物，然后在氧化层上刻蚀出接触孔，最后淀积金属。这样就形成了一个简单的电阻，见图2 2。东南J(学顾L 学位论文图2 2 实际电阻顶视图可以容易地得出，总电阻R 可以表示为式2 3，肛告岛铊瓮以+z 鲁c z 其中，厶是体区长度(t