模拟集成电路设计实习培训内容介绍.doc
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1、模拟集成电路设计实习培训内容介绍培训目的经过本培训,学员将会学到在模拟集成电路设计过程中的绝大部分环节。1. 学会使用数模混合集成电路设计EDA工具进行简单的模拟集成电路设计的流程,包括Cadence的Virtuoso原理图输入、版图设计,Cadence的Spectre电路仿真,及Mentor Graphics的Calibre版图规则检查(DRC)、电路图版图一致性检查(LVS)。2. 学会使用三大常用的仿真方式(DC,AC,以及Transient)来对电路进行性能的验证与设计参数的调整培训内容本培训首先设计一个运算放大器,在该放大器中采用了一个理想的电流源做偏置。接着设计一个带隙基准源(Ba
2、ndgap reference)来提供这个运算放大器中用到的电流源,然后对整个电路进行仿真验证。整个电路Lab_top电原理图以及仿真激励如下图所示。 最后,参加培训的学员要求对所设计的Bandgap reference进行版图设计以及DRC、LVS检查,时间充裕的学员进一步设计运算放大器的版图及对其进行DRC/LVS的检查。图 1-0 Lab_top 原理图上图中的运算放大器(opam)电路如下图所示,值得注意的是,该运算放大器需要一个current sink做偏置,该current sink由上图中的NM1来提供。其中的bandgap电路如下图。Schematic 到layout的Quic
3、k start一、Schematic (opam)1. 运行虚拟机vmware;2. 在虚拟机界面中打开并运行CentOS.vmx;3. 用户登陆,登录名:eda,登录密码:123456;4. 界面按鼠标右键-选Open Terminal进入eda根目录下的命令行界面;5. 输入csh并回车;6. 输入icfb&命令后台运行Cadence的工具进入icfb界面。图1-1 icfb的主界面在icfb中,任何一个电路,不论是已经存在的可以引用的库,还是用户新建立的一个电路,都是一个library. 一个library一般有若干个Cell(单元电路),每个cell由多个CellView组成,Cell
4、View可以是schematic(电路原理)和layout(版图)或symbol(符号),或者其他Cadence工具所调用的hspiceS等。7. 导入工艺库文件先将工艺厂给我们的工艺库引入到icfb中,成为一个可以被其他电路library引用的工艺库library。做法是:设定这个library的路径,并为之取个library名称,让这个库出现在你的library manager当中,每个工艺库提供了许多的库单元,这样就可以在设计其他或者你自己的schematic/layout时,来调用这些库单元了。如何设定新引用库的名称及路径呢?图1-1 tools菜单-Library Path Edit
5、or (图1-2):新加工艺库图1-2 library path editor在这里,我们可以看到,library manager当中的所有library都是在这里“登记”过的,在这里删除这些“登记”记录,并不会真的删除这些library,只是会使得你无法再引用它们,如果想要引用列表中没有的库,只需要在这里增加一条记录,设定好名称和路径,就可以了。所有的这路径信息是保存在那里的呢?看看自己启动cadence的目录,下面是不是有个cds.lib?这些库的路径信息就是保存在这个文件当中的,此外cadence还会在启动目录下面生产一系列的log文件,所以,从哪个目录启动icfb这一点也是很重要的,建
6、议在自己的目录下面创建一个Works目录,每次都先进入这个目录再启动icfb,当然,实际的项目开发工作中,可能不同的项目要引用的library是不同的,可以选择当前项目存放路径作为启动icfb的目录。我们已经为本次培训建立好了一个新的工艺库:chrt35rf 现在我们建一个项目库文件lab_practice:从icfb的主菜单(图1-1)中的Tools菜单-Library Manager,进入Library Manager窗口. 如图3所示,File-New-Library,在name栏中填入lab_practice,点击ok,进入选择工艺库界面,选Attach to an existing
7、techfile,点击ok,在Technology Library栏中选刚刚新建的chrt35rf作为引用工艺库。一个新的项目库lab_practice就建好了,可在library manager中看到这个项目库,如图1-3左下所示。创建新项目库图1-3 Library manager在这里,可以看到左边第一栏当中有很多的“库”,包括由自己刚才建立的那个lab_practice库,现在我们看到了刚刚建立的库lab_practice也在左边的库列表中,里面没有任何cell(单元电路)。我们可以新建一个cellview,首选选中lab_practice这个库,然file菜单-new-cellvie
8、w图1-4 new cellview第一项是Library name,也就是这个Cell 应该属于那个库,这个一定要注意选中我们刚才建立的“lab_practice”。(如果是从图一的File进入,默认选项可能不是lab_practice),第二项是单元名称,我们填入opam,第三项是view name 我们首先要画的是电路图,所以填入schematic(你也可以填入任意自喜欢的,但是为了方便别人,和自己,最好就是用schematic,如果有多个电路图那么就用schematicxxxxx).第四项是tool选择composer-schematic.确定之后,进入Virtuoso软件的电路图设计
9、界面:图1-5 schematic绘制界面电路图的绘制主要是用界面左方一排工具,添加元件,点击左边第10个工具,是instance,点击出现了一个界面:图1-6 add instance点击browse从现成的库中选择一个p管单元和n管单元,在我们的机上,是在chrt35rf library当中。图1-7 Browser instance选好之后,在图1-8中填入names(名称) PM0,回车,在schematic当中,用鼠标点一下任何一个地方,将会出现一个P管,多次点击可出现多个P管,如图1-9所示:图1-8 器件属性图1-9 arrange instance用鼠标左键点击一下器件的中间,
10、可以选中该器件,然后用鼠标的中键按住该器件,从弹出的菜单中选择Properties,或选中器件后按“q”,可以设置它的宽、长等属性,如图1-10所示:图1-10 instance edit用同样的方法放置一些n管(nmos)以及一个电容(CPIP035)。添加元件时可以点击sideways使元件镜像放置(图1-11)。图11 元件镜像放置如果是对已经放好的元件进行镜像,则按“m”,移动元件,再按“F3”,点击sideways(左右镜像)或upside Down(上下镜像)继续instance一个vdd,一个gnd,(注意,这两个cell的库不在chrt35rf库那里,而在analogLib中)
11、。图1-12 vdd和gnd从analogLib中调用现在,全部的器件都已经从库里面调出来了,从左边的工具栏中选择Wire工具,然后用鼠标连线,为什么用“连”而不是用“画”呢,因为这个编辑器是不允许随地“画”线的,步骤应该是,先用鼠标选择wire工具,再点击一下器件的连接点A,然后点击另一个器件的连接点B,这样就可以用wrie把两个器件连接起来了,照此方法把电路连接起来,并接上电源和地。Wire (连线)Check & Save图1-13连线及检查保存用鼠标中键按住连接栅极的那根线,从出来的菜单中选择Add name,在弹出的对话框中的Names填入input,用同样的方法,把输出的那根线命名
12、为output,然后从Design菜单当中选择,Check and Save ,出现一个对话框,说有一些 warnings 这是因为有一些线没有接上.电路参数VDD=3.3V C0=1.0118pF Ibias=54uA W1=18.5um L1=0.35um W2=1.1um L2=0.6um W3=5.0um L3=0.7um W4=17.6um L4=3.0um W10a=1160um L10a=20um W10b=1160um L10b=20um由于M10a和M10b的宽度W10a、W10b超过工艺规定的最大器件宽度100um,在输入1160um时需采用叉指结构。在Number of
13、fingers栏中填上20,在宽度栏中填上1160um,这样每个finger的宽度为58um,小于规定的100um。或者Number of fingers栏还填1,宽度栏中填58um,但在multipliers栏中填20,即变成20个宽度为58u MOS的并联。为了能对电路进行仿真,还需要加上激励源,所选库及元件类型参考图1-14。各个电流电压值为:电源V4直流3.3 (后面的V系统自动加,不用写)共模电平VCM 直流1.5直流偏置电流Ibias 直流54u (后面的A系统自动加,不用写)差分输入负端V0Ac magnitude 0.5, amplitude 0.5m, Frequency 1
14、K差分输入正端V1 Ac magnitude 0.5, amplitude 0.5m, Frequency 1K,正负端与V0相反放置这里看上去好像电压源并没有和电路直接连在一起,但是由于系统中所有标记相同的点电位都相同,所以,图中的这种接法等效于直接把V4接到电路的正负极。V0与V1AnalogLib/vsinVCMAnalogLib/vsource/DCV4AnalogLib/vsource/DCIbiasAnalogLib/isource/DC图1-14 加入激励源后的图按“p”加上输出端口“out”,完成全部的连线之后如图1-14,点击一下check&save完成opam仿真用电路图绘
15、制。原理图编辑常用快捷键:“i” 加元件 “p” 加pin “w” 连线“m”移动元件 “c” 复制元件/Day 1二、Spectre仿真 (opam)(1)直流分析(DC Analyses)我们在共模输入管脚接一个可以调节的电压源VCM,使得这个电压源的电压从0升到高到3.3v然后我们测量output端的电压。从图1-14中的Tools菜单-Analog Environment调出spectre,我们将会看到一个窗口:图2-1 spectre仿真界面这个就是cadence提供的仿真工具,其实,不仅仅包含了spectre。但本文只讨论spectre. 调出spectre后的第一步,是设置模型库
16、。图2-1 setup菜单-model librarys调出模型库设置窗口。点击Browse找到使用的仿真文件“sm083006-1k.scs”,Section那栏填入:typical,然后点击 ADD 。依次在Section栏中加入bjt, capacitor, diode,resistor并点击加入,结果如图:图2-2 setup result点击ok,回到spectre的主窗口。提示:我们在创建库lab_practice的时候已经指定了工艺库为chrt35rf,因此这里的模型库是自动设置好的。现在我们要进行dc分析的设置了,从analyses菜单-choose调出分析设置窗口。选择DC分
17、析,变化类型选择Component Parameter,Component name 填入 VCM参数为dc ,变化范围是0到3.3(见图2-3).图2-3 dc分析设置点击ok.回到了spectre主界面。到此,已经把仿真环境设置好了。现在我们要观察output端的波形,如何才能做到呢?从spectre的outputs菜单-to be plot-select from schematic,这个时候,会切换到schematic窗口,用鼠标点击一下output那条连线,看看发生了什么?线的颜色发生变化图2-4 select on the schematic没错,output端的颜色变了,标识出它
18、的波形将会被显示。好了,现在,spectre的窗口已经变成了下面的样子:Netlist and run按钮图2-5a设置plot 输出电压后的spectre要看电路中的电流,则用鼠标点中元件的端口(如MOS管的漏端、源端等)。本电路想看一下电路的总电流,则用鼠标点中所加电压源的一个端口,点了之后,会出现一个圈,如图2-5b所示。由于V4即为所加的电压源,故该端口电流即为电路静态总电流。在V4电压源的端口有一个圈,表示要看流过V4的电流图2-5b设置测试电路总电流一切准备就绪,从Simulation菜单选择Netlist and run或点击Netlist and run快捷按钮(像红绿灯).
19、如果一切正常,那么下面的图像窗口将会自动出现:图 2-6 Output电压及总电流波形(结果显示共模输入电平在2.0V以下输出直流工作点基本不变)绿色那条线为输出电压,红色那条线为总电流,可以测得输出电压为1.56V,总电流为329uA左右。如果,波形没有出来,那么可能是某个过程出了问题。有可能是模型库的问题,也可能是软件设置的问题,不过,所有的出错都会有报告的,就看看它的报告来排除bug吧。DC分析,除了包含器件参数的仿真外,还可以进行温度仿真,设计变量仿真和器件模型参数仿真。有兴趣的话可以自己摸索一下。(2)AC分析我们必须先明确一下ac分析的目的,所谓的ac分析,就是在一定的静态工作点上
20、,施加一个小信号,然后分析输出的的交流信号,可以看出放大系数,频率响应等的特性。先进行AC分析激励设置,将输入交流信号V1(正端)和V0(负端)的交流幅值设置为500mV,相位都为0。由于两端反向连接,故反向,差分交流输入的幅值为1V。图2-7 交流分析激励设置可能有人会奇怪,如果交流幅值为1.0 V的话,可能会严重影响静态工作点,因为这个”小”信号太大了。没关系,不论你设置成1.0 mV 还是100.0 V,系统都只会给出线性的结果。为了方便查看结果,我们就设置成1.0 V。注意这里的cell name不用vsource,而用系统提供的正弦信号vsin。 AC magnitude是为AC 分
21、析用的,一般设为1.0 V,如果是差分的话两端分别设为0.5 V及-0.5 V(或两个都设为0.5V,但相位一个0度,另一个为180度)。Amplitude是为瞬态分析设置用的,一般比较小,如1.0 mV,如差分的话两端设为0.5 mv,相位相反,则差分输入幅度为1.0 mV。现在进行分析设置,重新调出图2-3的窗口,这次,我们选择AC分析。图2-8 ac分析设置设置频率从1变到1G,点击ok,然后netlist & run:从spectre的result菜单中选择Direct plot-AC magnitude & phase.然后会自动切换到schematic窗口,从这里点击output那
22、条连线,致其变色,按“ESC”键。我们将看到有两条曲线,一条是以db形式出现的幅频特性图,另外一条是相频特性图。点击一下左边工具条中的倒数第四个,可以把两条曲线分开。现在,有没有让你想起模电书上的波特图呢?对于模拟设计者来说,频率特性是非常重要的,这两条曲线的意义,也将会在以后的运放设计中得到体现。图2-9 输出波形查看设置将两条曲线分开按钮图2-10 输出运算放大器的波特图现在测量一下图2-10中的运算放大器的低频增益(Av0)、3dB带宽(f0)、相位裕度(PM)等参数。有两种测量方法:Trace工具条测量法及calculator精确计算测量法a) 如果想粗略地看一下结果,可以用Trace
23、方法,简单快速。按一下“V”按键,左上角出现一个红色的三角形标记,用鼠标左键按住这个红色三角形,然后向右边拖动到曲线平坦的地方。在白色小窗口内会显示测量的坐标值,可以读出此运放的低频增益。此处读出低频增益图2-11 用Trace工具条进行仿真参数的测量,此图读出低频增益为51.27dB-3dB带宽和相位裕度也可测出。此处读出-3dB带宽图2-12 用Trace工具条测量-3dB带宽(51.27dB-3dB=48.27dB),测出为484.83 kHz此处读出相位图2-13 用Trace工具条测量相位裕度,定义为增益为1(0dB)时对应的相位与-180 oC的距离。先从幅频特性中找出增益为0dB
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