集成电路版图设计项目教程 项目7 放大器版图设计.ppt

Add your company slogan ” 集成电电路版图设计项图设计项 目教程 *MOS管版图匹配设计技术一放大器电电路与版图图二*项目7 放大器版图设计版图图后仿真三*任务7.1MOS管版图匹配设计技术（1）MOS晶体管的失配 失配大体上可分为两类：制造过程中引入的失配和设计中的失配在大多数情况下，利用各种设计技术可以消除设计中的失配；而许多最终电路中存在的失配大多是由制造过程中晶体管几何尺寸的失配引起的MOS晶体管在制造过程中的失配会导致：晶体管阈值电压的失配；晶体管跨导的失配；晶体管漏电流的失配 MOS管失配的电路影响因素 要求电压匹配的MOS电路应该工作在较低栅压下，要求电流匹配的MOS电路应该工作在较高的栅压下 MOS管失配的版图影响因素匹配设计的主要目的就是尽量使器件对引起失配的各种原因不敏感，MOS晶体管版图的尺寸、形状、方向都会影响其匹配性项目7 放大器版图设计 MOS管的版图匹配设计是模拟集成电路版图设计中的重要环节之一，适合于运算放大器的差分输入级匹配，以及电流镜的匹配与对称版图设计任务7.1MOS管版图匹配设计技术项目7 放大器版图设计 工艺中刻蚀对MOS管失配的影响 多晶硅在不同的几何图形下刻蚀速率是不完全一致的，多晶硅刻蚀的掩模板开孔越大，刻蚀速率越快。

图中所示为三个平行MOS多晶硅栅的版图，用它说明这一现象两边多晶硅栅朝外侧的边成为大开口的侧壁，很快就会刻蚀完；而两边多晶硅栅朝内侧的边成为狄长缝隙的侧壁，刻蚀速率较慢；中间的多晶硅栅没有向外侧的边缘，刻蚀速率较慢；因此刻蚀后最终的宽度中间的要比其他两个多晶硅栅稍大任务7.1MOS管版图匹配设计技术项目7 放大器版图设计 工艺中刻蚀对MOS管失配的影响 对于MOS管，多晶硅栅之间要加入源漏的接触孔，导致多晶硅栅极之间的间距稍大一些，结构较为松散，多晶硅栅极之间的间距越大，对刻蚀速率的变化越不敏感为了确保均匀刻蚀，MOS晶体管应该使用虚拟（Dummy）多晶栅极，如图所示 虚拟多晶硅栅极特点：l 虚拟多晶硅栅极的长度应该与有源区的实际多晶硅栅极的长度相同，虚拟多晶硅栅极与实际栅极之间的间距必须等于实际栅极之间的距离l 虚拟栅并不是真正意义的晶体管，它的两侧不需要源漏区l 虚拟栅极通常与晶体管的源极或背栅相连，以保证晶体管的电学特性不受虚拟管下方形成的伪沟道的影响任务7.1MOS管版图匹配设计技术项目7 放大器版图设计 工艺中刻蚀对MOS管失配的影响 通常为了解决刻蚀速率的不均匀变化造成的多晶硅形状上的偏差，一般的设计中经常会采用梳状栅结构把多个栅电极叉指连接起来。

在版图设计中，常把一个W/L较大的MOS晶体管分成N个相同且并行的MOS晶体管，每个MOS晶体管的沟道宽度为原来的N分之一，这样能减小寄生电容被分成多段的MOS晶体管版图做成叉指结构，从而可以构成一个紧凑的阵列如图所示为一个MOS晶体管的叉指阵列版图，版图采用6个晶体管并联叉指结构，源漏栅都分别通过金属布线连接成一个尺寸大的晶体管任务7.1MOS管版图匹配设计技术项目7 放大器版图设计 杂质扩散的影响 对于MOS管，如果附近有深扩散区排布，就会影响其匹配特性阱是深扩散区的一种，所以包含MOS管的阱区应尽量画的大一些，留有与MOS管边界足够大的距离；MOS管外部的阱区应尽量远离，以防止阱杂质分布的尾部对匹配晶体管的影响 氢化对金属布线的影响 MOS晶体管版图中，覆盖金属的MOS晶体管和没有覆盖金属的MOS晶体管之间可能出现漏极电流失配在版图中MOS管布局布线时，金属布线不能横穿匹配晶体管有源栅区的上方区域，同时在两个匹配晶体管的上方和附近区域的金属布线层都保持完全对应或一致任务7.1MOS管版图匹配设计技术项目7 放大器版图设计 应力效应的影响 应力是载流子迁移率发生变化的因素，应力对迁移率的影响取决于方向，因此，为了避免应力的方向性变化引起失配，匹配晶体管排列朝向应该都是一致的，如图所示。

（a）相同的晶轴方向平行排布 （b）晶体管方向45度排布 （c）晶体管方向垂直排布 图（a）中的两个MOS晶体管沿着相同的晶轴方向排布，而图（b）和（c）中的晶体管方向性不一致因此，图（a）中本用的MOS晶体管结构的匹配度要优于图（b）和（c）中的MOS晶体管结构任务7.1MOS管版图匹配设计技术项目7 放大器版图设计 梯度的影响 梯度失配是器件与质心之间的距离引起的失配，影响MOS管梯度的因素有温度梯度、应力梯度等l 温度梯度 MOS晶体管的电压匹配主要取决于阈值电压的匹配，阈值电压队温度梯度敏感使匹配器件沿温度梯度的对称轴对称排布、以及采用共质心的版图结构，可以减小热梯度诱发的失配l 应力梯度 MOS晶体管的电流匹配主要取决于器件的跨导匹配，MOS管的跨导随载流子迁移率成正比，应力梯度会使载流子的迁移率发生变化对于MOS晶体管，采用共质心版图结构可以减小失配 通过减小匹配晶体管的质心之间的距离可以减小由于梯度变化引起的失配尽量可以把版图的质心之间的距离减小为零共质心版图布局越紧密，就越不容易受到非线性梯度的影响， MOS管版图布局质心应该对准而且布局紧凑 *任务7.1MOS管版图匹配设计技术项目7 放大器版图设计（2）共质心版图结构 共质心版图设计时，应该减少器件版图质心的间距。

设置两个阵列化的器件，使它们有相同的对称轴，那么这两个器件的质心就可以重合这时，质心间距最小为零器件共质心对称排列结构 一般对称：两个器件之间以一个轴（X或Y）结构对称，如图（a）所示 相同比例对称：两个器件之间以相同的比例结构对称，如图（b）所示 不同比例对称：两个器件之间以不同的比例结构对称，如图（c）所示 二维共质心阵列：两个器件之间以二维结构对称，如图（d）所示 （a） （b）（c） （d）*任务7.1MOS管版图匹配设计技术项目7 放大器版图设计（2）共质心版图结构共质心对称排列的结构，如表1所示是一维叉指对称排列，如表2所示是二维叉指对称排列 一组两组三组四组AAAAAAAAAAABABBAABBAABABABABBABABAABCABCCBAABCBACBCAABCABCCBACBAABCDABCDDCBAABCDBCADBCDAABCDDCBAABCDDCBAABAABAABAABAABAABAABAABAABAABAABABAABABAABABAABABAABABAABABAABABAABABAABABAABABAAABAAABAABAAAABAAABAAABAAABAABAAAABAABAAAABAAAABAAAABAAAABAAAABAAAABAAAABAAAABAAAABAAAABAA二组四组六组八组ABBABAABABBAABBABAABBAABABBAABBABAABBAABABBAABBAABBAABBABAABBAABBAABBAABABBAABBAABABABABAABABABBABABAABABABBABABAABAABAABAABABABBABBABBABBABBABABAABAABAABCCBACBAABCABCCBAABCCBAABCCBAABCCBAABCCBAABCCBAABCCBAABCABCCBAABCCBAABCCBACBAABCCBAABCCBAABCAABBAAAABBAABAAAABAABBAABAAAABAABBAAAABBAABAAAABBAAAABAABBAA表1 一维叉指对称表2 二维叉指对称*任务7.1MOS管版图匹配设计技术项目7 放大器版图设计（2）共质心版图结构共质心版图的要求一般包括以下几点： 一致性：匹配器件的质心位置应该是一致的。

理想情况下，质心应该完全重合 对称性：阵列应该同时相对于X轴和Y轴对称理想情况下，应该是阵列中各个单元位置互相对称，而不是单元自身具有对称性 分散性：阵列应具有最大程度的分散性即每个器件的各个组成部分应尽可能均匀分布在阵列中 紧凑性阵列排布应尽可能紧凑理想情况下，应接近于正方形 方向性：每个匹配器件中应包含等量的朝向相反的段，即应具有相等的叉指值 *任务7.1MOS管版图匹配设计技术项目7 放大器版图设计（3）一维阵列版图匹配 简单的阵列形式是把多个器件叉指并行放置，通过恰当的布局，MOS匹配器件的质心与阵列对称轴的中心对准一维阵列匹配设计，如图所示两个MOS管采用ABBA叉指结构 晶体管A、B相对于对称轴线对称，且二者的质心重合每个晶体管都包含的段具有两个相反的方向每个晶体管向左和向右的段数相同，那么不会受到方向的影响，晶体管匹配良好 *任务7.1MOS管版图匹配设计技术项目7 放大器版图设计（4）二维阵列版图匹配 二维阵列（通常称为交叉耦合对）的匹配特性一般优于一维阵列，它能够更好消除梯度的影响，这是由于二维阵列具有更好的紧凑性和分散性 如图所示为一个简单的二维阵列，版图实现使用交叉形式： *任务7.1MOS管版图匹配设计技术项目7 放大器版图设计（4）二维阵列版图匹配 大尺寸两个MOS晶体管交叉耦合对匹配，随着阵列变大，会由于缺乏分散性导致匹配不好。

可以把匹配晶体管分成四段或六段或更多排列成二维阵列： *任务7.1MOS管版图匹配设计技术项目7 放大器版图设计（4）二维阵列版图匹配 对于如图所示的放大器差分对电路两个MOS管需要匹配设计，采用二维匹配 分割两个MOS晶体管实现四方交叉：将晶体管M1等分为M1a和M1b，晶体管M2等分为M2a和M2b，就可以实现四方交叉： M1和M2的宽长比很大，M1a、M1b、M2a和M2b都采用多管并联的结构这四个MOS管的源已经连接到金属布线MT1，为了避免和MT1交叉短路, M1和M2的漏极要用金属布线MT2连接放大器电路图与版图二MOS管版图图匹配设计设计 技术术一*项目7 放大器版图设计版图图后仿真三*任务7.2放大器电路与版图项目7 放大器版图设计（1）放大器电路图 如图中是一个基本的二级运放电路，电路由一个差分放大器（差分输入晶体管对由M2和M3构成，尾电流源由晶体管M5和M7构成，电流镜负载由晶体管M0和M1构成）和一个PMOS共源放大器（晶体管M2是放大管，晶体管M6是电流源负载）构成基本二级放大电路 第一级差分放大与第二级共源放大具有相同大小的电流电流源基准电压由电阻R1和M7管构成，再由M7、M5、M6构成的电流镜像电路，提供给差分对尾电流和第二级的负载电流。

同时增加了补偿网络，由一个米勒补偿电容C0和一个消除零点电阻R0构成任务7.2放大器电路与版图项目7 放大器版图设计（2）放大器版图布局 放大器版图布局图如图所示 其中放大器差分对管使用二维共质心匹配对称阵列；电流镜使用一维共质心匹配对称阵列；电流源使用一维共质心叉指阵列；补偿电容使用PIP电容；基准电阻和调零电阻使用多晶硅电阻所有单元版图都加保护环任务7.2放大器电路与版图项目7 放大器版图设计（3）放大器版图 放大器版图如图所示版图后仿真三MOS管版图图匹配设计设计 技术术一*项目7 放大器版图设计二放大器电电路与版图图*任务7.3版图后仿真项目7 放大器版图设计（1）后仿真定义 在版图设计完成之前需要对电路进行的仿真是比较理想的仿真，并不包含任何物理信息如寄生效应、互连延迟等，称作前仿真但随着工艺的不断进步，寄生效应如寄生电阻、寄生电容以及互连延迟对电路带来的性能影响已经不容忽视，因此集成电路设计时需要做后仿真 后仿真指的是版图设计完成以后，将寄生参数、互连延迟等信息提取的电路网表中进行仿真，并对电路进行分析改进，确保电路符合设计要求后仿真所使用的方法与前仿真方法相同，不同的是后仿真时电路参数加入寄生参数以及互连延迟。

如果后仿真能够获得正确的结果，就可以将版图数据进行流片了2）后仿真方法 Calibre xRC是集成电路后端设计版图寄生参数提取工具，提供晶体管级、逻辑门级和混合信号级寄生参数提取对于模拟电路或者小型模块的。