CMOS模拟集成电路设计流程
学术
2024-11-18 18:01
北京
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文章来源：老虎说芯
原文作者：老虎说芯
CMOS模拟集成电路的设计流程是一个复杂而系统的过程，从系统规格定义到最终的芯片测试和验证，每个步骤都需要精心设计和反复验证。每个环节之间都有密切的关联，设计师需要具备深厚的电路理论知识、工艺理解和EDA工具使用经验。
设计的第一步是明确系统的目标需求和性能指标。这个阶段类似于建筑师在设计房屋时首先要考虑的需求，包括房屋的大小、用途、功能要求等。在模拟集成电路设计中，系统规格定义涉及到多个方面的要求：功能需求：确定电路需要实现的基本功能。例如，一个放大器可能需要放大信号，同时保持信噪比在一定范围内。性能指标：例如增益、带宽、功耗、面积、噪声、时序等，通常都要在规定的范围内满足性能要求。物理限制：在CMOS工艺下，电路的尺寸、功耗、速度等受到工艺的限制，因此要考虑到面积限制和功耗控制。这一阶段的目标是给出设计的边界条件和约束，明确设计目标，为后续的电路设计奠定基础。
电路设计是将系统规格转化为具体的电路结构和元件的阶段。这个过程包括以下几个关键步骤：选择工艺库：设计者首先需要根据系统的需求选择合适的CMOS工艺库。每种工艺库有不同的性能特点，如不同的漏电流、速度、功耗等。电路架构设计：根据系统需求，设计师开始构建电路架构。这可能包括运算放大器、滤波器、电源管理等功能块的设计。设计师需要选择合适的电路拓扑，如差分对、源极跟随器等，并考虑电路的工作点、增益、带宽等性能指标。晶体管选择与尺寸优化：在CMOS设计中，晶体管是最基本的有源元件，设计师需要选择合适的晶体管类型（NMOS、PMOS）并根据电路性能要求来优化其尺寸（如宽度W和长度L）。此阶段，设计往往是手工进行的，虽然EDA工具可以提供一些自动化支持，但由于模拟电路的复杂性，通常需要大量的经验和技巧。
电路设计完成后，需要通过仿真来验证电路的功能和性能。仿真是设计过程中的一个至关重要的步骤，因为在真实的硅片上验证电路是非常昂贵且复杂的，因此大多数验证工作都依赖于计算机仿真。仿真工具：常用的仿真工具包括SPICE（模拟电路仿真程序），它基于晶体管的电气模型，对电路进行模拟。仿真内容：设计工程师使用仿真工具来评估电路在不同输入条件下的表现，如增益、带宽、线性度、失真、功耗等。参数调整：如果仿真结果不符合预期，设计师会根据结果调整电路参数，甚至重新设计部分电路。仿真工具可以帮助设计师快速评估不同设计方案，避免重复设计工作。
版图设计是将电路设计转化为实际物理形态的过程。在CMOS集成电路中，电路的每个部分都需要用具体的几何图形来描述，以便制造。这个过程类似于建筑师绘制房屋的施工图。版图设计：设计师需要手动绘制电路的版图，将电路元件如晶体管、电阻、电容等绘制为符合工艺要求的几何图形。版图设计考虑：在绘制版图时，设计师必须考虑到工艺规则（如最小线宽、间距等），以及电路的匹配性、噪声、串扰等问题。例如，相邻的信号线可能会相互干扰，导致噪声增大，因此需要合理布局。
完成版图设计后，设计师需要进行物理验证，确保版图能够在实际制造过程中被成功实现，同时不引入新的错误。设计规则检查（DRC）：这是对版图的几何形状进行检查，确保所有图形符合工艺限制。例如，晶体管之间的间距不能过小，否则会导致短路或漏电。版图与电路网表比对（LVS）：LVS检查是将版图中的电气连接与原理图中的连接进行比对，确保版图实现了设计中的电气功能。如果发现不匹配，设计师需要修正版图。
在完成版图设计和物理验证后，设计还需考虑来自版图的寄生效应。寄生效应主要是指电路中因布局、布线等因素引入的额外电容、电感和电阻。前仿真与后仿真：前仿真是基于理想化的电路模型，通常不考虑寄生效应。而后仿真则是在考虑版图寄生参数的基础上进行的仿真。寄生效应可能会导致电路的增益下降、带宽降低等性能问题，特别是在深亚微米工艺下，这一问题尤为突出。反复调整：设计师需要根据后仿真结果对电路进行调整，可能需要修改晶体管的尺寸或调整版图布局，直到仿真结果满足性能要求。
当电路设计经过充分验证，并且后仿真结果满足设计要求后，下一步是导出流片数据（GDSII格式）。这些数据包含了电路的最终版图信息，供晶圆代工厂进行制造。流片数据：流片数据是将版图转换成可以被晶圆厂使用的格式，通常采用GDSII或OASIS格式。设计师需要确保数据的正确性，避免在流片阶段出现问题。提交晶圆代工厂：一旦数据导出，就可以提交给晶圆代工厂进行芯片制造。
芯片制造是将设计转化为实际硅片的过程。晶圆代工厂通过多道工艺（如光刻、刻蚀、离子注入等）将设计的电路图案转移到硅片上。光刻：通过光刻工艺将电路图案转移到硅片的表面，形成晶体管等基本元件。刻蚀与离子注入：通过刻蚀工艺去除不需要的材料，离子注入则是将掺杂物注入到硅中，调整其导电特性。
在芯片制造完成后，最后的步骤是测试和验证芯片的功能和性能是否符合设计要求。功能测试：通过测试芯片的输入输出，确保芯片能够按照设计要求正常工作。性能验证：验证芯片的增益、带宽、功耗等性能是否在预定范围内。测试过程中可能会发现问题，这时需要进行调整，进行修复和迭代，直到芯片的性能满足设计要求。
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