模拟集成电路设计绪论PPT学习教案.pptx

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1、会计学1模拟集成电路设计模拟集成电路设计(shj)绪论绪论第一页，共44页。第1页/共44页第二页，共44页。课程课程(kchng)安排安排课程划分课程划分总学分：总学分：3 3总学时：总学时：4848理论课理论课:32:32学时学时,2,2学分学分(第第4 4周周-第第2020周周)，教材，教材1-101-10章章实验课实验课:16:16学时学时,1,1学分学分(13(13周以后周以后(y(y hu)hu)成绩评定成绩评定:作业及平时成绩、开卷考试作业及平时成绩、开卷考试:50%:50%实验成绩实验成绩:50%:50%第2页/共44页第三页，共44页。第第1章章 模拟集成电路设计模拟集成电路

2、设计(shj)绪论绪论n n1.1 学习要求n n1.2 集成电路的发展概况(gikung)n n1.3 模拟集成电路设计重要性第3页/共44页第四页，共44页。5集成电路集成电路(jchng-dinl)的发的发展展-ENIAC（埃尼阿克）（埃尼阿克）1946年诞生(dnshng)第一台计算机18000个电子管占地170平方米重30吨耗电150千瓦每秒执行5000次加法或400次乘法总投资48万美元第4页/共44页第五页，共44页。SIM2.0（2006移动移动(ydng)酷卡）酷卡）25.2mm x 15.0 mmARM7TDMI处理器（40MIPS）64k SRAM64M Flash相当于

3、1台486电脑 SIM2.0是具备基础驱动、操作系统(co zu x tn)、文件管理、应用程序开发等功能的、强大的实时操作系统(co zu x tn)的智能卡。第5页/共44页第六页，共44页。高度：123.8毫米(hom)宽度：58.6毫米(hom)厚度：7.6毫米(hom)重量：112克尺寸(chcun)和重量IPHONE5（2012）7.6 毫米1123.8 毫米58.6 毫米第6页/共44页第七页，共44页。处理器处理器n nApple A4Apple A4的的diedie尺寸为尺寸为n n采用采用(c(c iyng)45nmiyng)45nm工工艺艺n n面积面积5353平方毫米平

4、方毫米nA6运算(yn sun)速度两倍于iPhone 4S采用的A5处理器，处理器尺寸缩小了22%第7页/共44页第八页，共44页。集成电路发展趋势：处理器工艺(gngy)的发展（集成度增高）第8页/共44页第九页，共44页。低功耗技术低功耗技术(jsh)时间时间1980 1983 1982 1989 1995 2001 2004 2010L(m)3.02.01.20.50.350.180.130.07电源电源(dinyun)电压（电压（V）L第9页/共44页第十页，共44页。集成电路技术集成电路技术(jsh)发展带来的变发展带来的变化化第10页/共44页第十一页，共44页。2010年我国集

5、成电路市场年我国集成电路市场(shchng)应用结构应用结构第11页/共44页第十二页，共44页。2000-2010年我国集成电路(jchng-dinl)进出口额第12页/共44页第十三页，共44页。14电路设计分类电路设计分类(fn li)n n分立电路设计n n集成电路设计n n混合集成电路设计n n单片集成电路设计n n数字电路：处理(chl)数字信号，即在离散的幅度值上有定义的信号。n n模拟电路：处理(chl)模拟信号，在连续时间范围内具有连续幅度变化的信号。n nGaAs、InP工艺n nSi工艺：CMOS、Bipolar、BiCMOS第13页/共44页第十四页，共44页。集成电路

6、设计集成电路设计(shj)方方法的改变法的改变第14页/共44页第十五页，共44页。数字集成电路设计数字集成电路设计(shj)流程流程第15页/共44页第十六页，共44页。数字集成电路数字集成电路(jchng-dinl)设计设计第16页/共44页第十七页，共44页。集成电路制造集成电路制造(zhzo)概概述述Used with permission from Advanced Micro DevicesOxidation(Field oxide)Silicon substrateSilicon dioxideSilicon dioxideoxygenPhotoresistDevelopoxid

7、eoxidePhotoresistCoatingphotoresistphotoresistMask-WaferAlignment and ExposureMaskUV lightExposed PhotoresistexposedexposedphotoresistphotoresistGGSDActive Regionstop nitridetop nitrideSDGGsilicon nitridesilicon nitrideNitrideDepositionContact holesSDGGContactEtchIon Implantationresistresistresistox

8、oxDGScanning ion beamSMetal Deposition and EtchdrainSDGGMetal contacts PolysiliconDepositionpolysiliconpolysiliconSilane gasDopant gasOxidation(Gate oxide)gate oxidegate oxideoxygenPhotoresistStripoxideoxideRF PowerRF PowerIonized oxygen gasOxideEtchphotoresistphotoresistoxideoxideRF PowerRF Power I

9、onized CF4 gasPolysiliconMask and EtchRF PowerRF PoweroxideoxideoxideIonized CCl4 gaspoly gatepoly gateRF PowerRF Power第17页/共44页第十八页，共44页。第第1章章 模拟集成电路模拟集成电路(jchng-dinl)设计绪论设计绪论n n1.1 学习要求n n1.2 集成电路(jchng-dinl)的发展概况n n1.3 模拟集成电路(jchng-dinl)设计重要性第18页/共44页第十九页，共44页。在数字集成电路高度在数字集成电路高度(god)发展的今天，为什么还要学模

10、发展的今天，为什么还要学模拟集成电路设计？特别是拟集成电路设计？特别是CMOS模拟集成电路设计？模拟集成电路设计？第19页/共44页第二十页，共44页。自然界信号自然界信号自然界信号自然界信号(xnho)(xnho)的处理的处理的处理的处理（a）自然界信号）自然界信号(xnho)的数字化的数字化 （b）增加放大器和滤波器以提高灵敏度）增加放大器和滤波器以提高灵敏度高速高速(o s)、高精度、低功耗、高精度、低功耗ADC的设计是模拟电路设计中的难的设计是模拟电路设计中的难题之一题之一高性能放大器和滤波器设计高性能放大器和滤波器设计也是热点研究课题也是热点研究课题第20页/共44页第二十一页，共4

11、4页。数字通信数字通信数字通信数字通信数字信号通过数字信号通过(tnggu)有损电缆的衰减和失真有损电缆的衰减和失真失真信号需放大失真信号需放大(fngd)、滤波和数字化后才再处理、滤波和数字化后才再处理第21页/共44页第二十二页，共44页。数字通信数字通信数字通信数字通信使用使用(shyng)多电平信号以减小所需的带宽多电平信号以减小所需的带宽1011010010组合组合(zh)二进制数据二进制数据多电平多电平(din pn)信号信号确定所传送电平确定所传送电平DACADC传送端传送端接收端接收端第22页/共44页第二十三页，共44页。磁盘磁盘磁盘磁盘(c pn)(c pn)驱动电子学驱动

12、电子学驱动电子学驱动电子学存储存储(cn ch)数据数据恢复恢复(huf)数据数据硬盘存储和读出后的数据硬盘存储和读出后的数据第23页/共44页第二十四页，共44页。无线接收机无线接收机无线接收天线无线接收天线(tinxin)接收到的信号接收到的信号(幅度只有几微伏幅度只有几微伏)和噪声频谱和噪声频谱接收机放大接收机放大(fngd)低电平信号时必须具有低电平信号时必须具有极小噪声、工作在高频并能抑制大的有害成极小噪声、工作在高频并能抑制大的有害成分。分。第24页/共44页第二十五页，共44页。光接收机光接收机光纤系统光纤系统(xtng)转换为一个转换为一个(y)小电流小电流高速高速(o s)电

13、流处理器电流处理器激光二极管激光二极管光敏二极管光敏二极管第25页/共44页第二十六页，共44页。传感器传感器(a)简单简单(jindn)的加速度表的加速度表(b)差动加速度表差动加速度表汽车汽车(qch)触发气囊的加速度检测触发气囊的加速度检测原理图原理图第26页/共44页第二十七页，共44页。三轴陀螺仪三轴陀螺仪iphone4中的陀螺仪芯片中的陀螺仪芯片(xn pin)第27页/共44页第二十八页，共44页。主板主板第28页/共44页第二十九页，共44页。苹果苹果(pnggu)Apple A4处理器三星处理器三星AGD1 三轴陀螺仪，意法半导体三轴陀螺仪，意法半导体3mmx3mm 意法半导

14、体意法半导体33DH三轴加速三轴加速(ji s)传感器：传感器：BG7AXSkyworks SKY77541 GSM/GPRS前端模块前端模块(m kui)338S0626 英飞凌英飞凌 GSM/WCDMA 收发器收发器TriQuint TQM676091/2功放器功放器Skyworks SKY77542双频双频GSM/GPRS前端模块前端模块第29页/共44页第三十页，共44页。三星三星(snxng)K9PFG08闪存闪存Cirrus Logic 338S0589音频音频(ynpn)Codec德州仪器德州仪器343S0499触摸屏控制器触摸屏控制器Numonyx 36MY1EE，集成，集成(

15、j chn)NOR闪存和闪存和Mobile DDR内存内存第30页/共44页第三十一页，共44页。l l毫米波提供大于毫米波提供大于5GHz5GHz带宽，满带宽，满足高清视频足高清视频(shpn)(shpn)传输传输典型应用：毫米波集成电路典型应用：毫米波集成电路通信、雷达通信、雷达(lid)(lid)、广播电视网络、航天、广播电视网络、航天、船舶、电力、能源、交通、医疗、生物、军船舶、电力、能源、交通、医疗、生物、军事等的电子设备和系统。事等的电子设备和系统。l毫米波探测，如车辆防撞雷达(lid)及飞机跑道障碍探测l毫米波实现高速互联、通信，实现无线USB、无线光纤等l毫米波安检，对全身进行

16、扫描成像，提供有力安全保障第31页/共44页第三十二页，共44页。典型(dinxng)毫米波集成电路研究进展车载(ch zi)碰撞雷达收发芯片结构(富士)第32页/共44页第三十三页，共44页。Multi-technology IntegrationExisting and predicted first integration of SoC technologies with standard CMOS processSource:2003 Technology Roadmap for Semiconductors,IEEE Computer Society,January 2004 第33

17、页/共44页第三十四页，共44页。2010年我国集成电路年我国集成电路(jchng-dinl)市场结构市场结构第34页/共44页第三十五页，共44页。为什么要学模拟为什么要学模拟为什么要学模拟为什么要学模拟(mn(mn)CMOS)CMOS集成电路设计？集成电路设计？集成电路设计？集成电路设计？n n首先，首先，MOSFETMOSFET的特征尺寸越来越小，本征速度越的特征尺寸越来越小，本征速度越来越快（已可与双极器件相比较），现在来越快（已可与双极器件相比较），现在(xinzi)(xinzi)几几GHzGHz几十几十GHzGHz的的CMOSCMOS模拟集成电路已经可批量模拟集成电路已经可批量生产

18、。生产。n nSOCSOC芯片中同时包含有大量的模拟、数字电路，由芯片中同时包含有大量的模拟、数字电路，由于于CMOSCMOS以其低成本、低功耗已成为现代大规模数字以其低成本、低功耗已成为现代大规模数字集成电路设计及制造的首选，与数字集成电路技术集成电路设计及制造的首选，与数字集成电路技术兼容的兼容的CMOSCMOS模拟集成电路技术可降低模拟集成电路技术可降低SOCSOC芯片的制芯片的制造及封装成本。因此造及封装成本。因此CMOSCMOS电路已成为当今电路已成为当今SOCSOC设计设计的主流制造技术。的主流制造技术。第35页/共44页第三十六页，共44页。模拟设计困难的原因模拟设计困难的原因(

19、yunyn)是什么（是什么（1）？A.A.模拟设计涉及到在速度、功耗、增益、精度、电源模拟设计涉及到在速度、功耗、增益、精度、电源电压等多种因素间进行折衷电压等多种因素间进行折衷(zhzhng)(zhzhng)，而数字电，而数字电路只需在速度和功耗之间折衷路只需在速度和功耗之间折衷(zhzhng)(zhzhng)。B.B.模拟电路对噪声、串扰和其它干扰比数字电路要敏模拟电路对噪声、串扰和其它干扰比数字电路要敏感得多。感得多。C.C.器件的二级效应对模拟电路的影响比数字电路要严器件的二级效应对模拟电路的影响比数字电路要严重得多。重得多。D.D.高性能模拟电路的设计很少能自动完成，而许多数高性能模

20、拟电路的设计很少能自动完成，而许多数字电路都是自动综合和布局的。字电路都是自动综合和布局的。第36页/共44页第三十七页，共44页。模拟模拟(mn)设计困难的设计困难的原因是什么？原因是什么？E.E.模拟模拟(mn(mn)电路许多效应的建模和仿真仍然存在问电路许多效应的建模和仿真仍然存在问题，模拟题，模拟(mn(mn)设计需要设计者利用经验和直觉来设计需要设计者利用经验和直觉来分析仿真结果。分析仿真结果。F.F.现代集成电路制造的主流技术是为数字电路开发的，现代集成电路制造的主流技术是为数字电路开发的，它不易被模拟它不易被模拟(mn(mn)电路设计所利用（如特征尺寸电路设计所利用（如特征尺寸减

21、小导致器件迁移率下降、沟道调制效应增大；电减小导致器件迁移率下降、沟道调制效应增大；电源电压的下降使以前的一些电路设计技术受到限制源电压的下降使以前的一些电路设计技术受到限制等），为了设计高性能的模拟等），为了设计高性能的模拟(mn(mn)电路，需不停电路，需不停开发新的电路和结构。开发新的电路和结构。第37页/共44页第三十八页，共44页。模拟模拟模拟模拟(mn(mn)与数字电路的比较与数字电路的比较与数字电路的比较与数字电路的比较模拟集成电路模拟集成电路数字集成电路数字集成电路信号在幅值和时间上连续信号在幅值和时间上连续信号在时间上离散，幅值上量化信号在时间上离散，幅值上量化电路级设计电路

22、级设计系统级设计系统级设计基本基本器件尺度连续器件尺度连续基本器件尺度固定基本器件尺度固定定制化设计定制化设计标准化设计标准化设计较难应用较难应用CAD工具工具成熟的成熟的CAD设计软件设计软件需要精确建模需要精确建模可使用时序模型可使用时序模型性能需要优化性能需要优化可由软件编程可由软件编程模块非通用模块非通用模块通用模块通用难以自动布线难以自动布线容易自动布线容易自动布线动态范围由电源和噪声及线性度决定动态范围由电源和噪声及线性度决定没有动态范围的限制没有动态范围的限制“如果能用数字电路比较经济的完成，不要使用如果能用数字电路比较经济的完成，不要使用(shyng)模拟模拟电路电路”第38页

23、/共44页第三十九页，共44页。模拟集成电路设计模拟集成电路设计(shj)流程流程模拟电路设计模拟电路设计晶体管级原理图设计晶体管级原理图设计仿真工具仿真仿真工具仿真按照规格要求，选用(xunyng)已用于工业的成熟模块，略微修改、组合成满足规格要求的电路。布局布线布局布线(Layout)物理规则验证物理规则验证(DRC:Design Rule Check)与电路图一致性验证与电路图一致性验证(LVS:Layout vs.Schematic)寄生参数提取寄生参数提取(PE:Parasitical Extraction)后仿真后仿真GDSII文件文件CMOS、双极、双极(Bipolar)、Bi-

24、CMOS第39页/共44页第四十页，共44页。模拟(mn)CMOS集成电路设计主要内容第40页/共44页第四十一页，共44页。2010年中国十大集成电路年中国十大集成电路(jchng-dinl)设计企业设计企业名次名次公司公司收入（百万美元）收入（百万美元）1展讯3432海思*3403锐迪科1924格科1265国民技术1056泰景1047中星微998大唐微电子939福州瑞芯8210华大电子81第41页/共44页第四十二页，共44页。华大九天杯北京华大九天杯北京(bi jn)大学生大学生集成电路设计大赛集成电路设计大赛2012年丛浩林、佟馨等获得(hud)一等奖第42页/共44页第四十三页，共44页。职业规划职业规划n n数字集成电路工程师数字集成电路工程师n n 前端设计工程师前端设计工程师n n 后端设计工程师后端设计工程师n n模拟集成电路设计工程师模拟集成电路设计工程师n n验证验证(ynzhng)(ynzhng)工程师工程师n n系统测试工程师系统测试工程师n n软件工程师软件工程师第43页/共44页第四十四页，共44页。