课程实验七 模拟电路单元版图设计-差分放大器

IC工艺及版图设计

课程实验（六）

模拟电路单元版图布局（2）

差分放大器

华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室

-2010-

IC工艺及版图设计课程实验七

模拟电路单元版图布局-差分放大器

一、实验目的

1.掌握使用Cadence Virtuoso XL版图编辑软件进行模拟IC版图布局设计

2.掌握两级差分放大器电路版图布局

3.通过实验掌握低等精度度匹配（以下简称低度匹配）MOSFET的布局方法

二、实验软件：

Cadence IC 5141 Virtuoso Layout XL

三、实验要求：

实验前请做好预习工作，实验后请做好练习，较熟练地使用Virtuoso软件对版图进行布局设计，通过实验逐渐掌握低度匹配MOSFET的布局方法。

集成电路版图设计是一门技术，它需要设计者具有电路系统原理与工艺制造方面的基础知识。但是它更需要设计者的创造性、空间想象力和耐性，需要设计者长期工作的经验和知识的积累。然而集成电路版图设计不仅仅是一门技术，还是一门艺术。设计出一套符合设计规则的“正确”版图也许并不困难，但是要设计出最大程度体现高性能、低功耗、低成本、性能可靠的芯片版图却不是一朝一夕就能学会的事情。

在设计CMOS芯片时，主要的目标是优化芯片尺寸和提高密集度。在模拟设计中，主要的目标不再是优化芯片尺寸，而是优化电路的性能、匹配程度、速度和各种方面的问题。例如。布线尺寸是否满足电流密度的要求？寄生效应是否太高？匹配技术是否恰当。当然，面积在某种程度上仍然是一个问题，但不再是压倒一切的问题，记住在模拟版图设计中，性能比尺寸更重要。

在上次次实验中我们已经初步了解了低度电流镜匹配的布局方法，在本次实验中我们将涉及模拟电路版图中两级放大器的版图布局。

为了试验顺利进行请先在Layout Editing视窗中选择Options-Display…查看显示分辨率是否是0.1（或0.05）。

本次实验中有关电流源的知识可以参考《微电子器件与电路》课件中模拟集成电路部分第四章-差分放大器。

1.1 两级差分放大器

两级放大器有NMOS作为输入对管和PMOS作为输入对管两种形式，PMOS作为输入对管时还需要注意输入对管的背栅电位是接VDD还是和源端短接（就是考虑输入对管的阱电位）。在这次实验中我们将涉及的是使用PMOS作为输入对管的差分放大器，而且输入对管的背栅电位是和源端短接的。

电阻为10K，使用p+电阻，电容为0.5PF，使用PIP电容。

1.2两级差分放大器布局设计需要考虑的一些问题

如何进行设计可能会影响最终电路的性能

所以在进行版图布局设计前我们必须先考虑以下问题：

3um①电流密度：流经电源线的电流多大？版图布局中将使用多大的线宽能满足电流密度的要求。存不存在大电流的支路？如果有，支路的金属线宽取多大能满足电流密度要求。

②尾电流PMOS如何布局？使用精度多高的布局？该精度能满足电路的性能要求么？

③PMOS输入对管如何布局？使用精度多高的布局？该精度能满足电路的性能要求么？输入对管的背栅电位是多少（接VDD还是接源端）。

④负载电流镜NMOS如何布局？

⑤偏置电流镜电路如何布局？

当然这可能只是众多需要考虑的问题中比较基础的一些问题。当然，因为更关心优化电路性能的问题，所以模拟版图设计者比纯数字版图设计者需要多知道一些有关电路的技术。（当然，模拟IC设计也需要考虑到版图布局，设计合理的电路）。

对于刚刚开始从事模拟版图设计的人员来说，需要了解电路技术往往会使他们感到困惑和害怕。在一个版图设计者在掌握应该了解的技术前，以上要求看起来实在令人害怕。然而和许多专业技术一样，你可以从一点一滴学起。

当然，许多问题都要通过版图和电路设计人员互相交流才能解决。

1.2.1 电流密度

这个电路需要多大的电流？大电流路径和小电流路径都是那些？这些问题需要通过和电路设计人员沟通才能解决。

如果这个电路只需要几百uA的电流，那么这就是一个可以不用思考的问题，这确实是一个低电流，最小尺寸的金属线也能应付了它。

对于任何大于1毫安的电流，那么你的脑子里就要敲响警钟，这个电流相当大了，你需要计算某些地方的电流密度。

一条导线所能承受的电流等于金属线的线宽W乘以承受电流密度常数（，这个可以在设计规则说明上查到，csmc 0.5um工艺中，该值为1.5mA/um）

1.2.2 偏置电流MOSFET（偏置电流网络）

共质心最好运放的偏置电流MOSFET的布局如果没有特殊要求的话一般使用低度匹配就ＯＫ了。

在本实验中涉及的偏置电流电路分３路，比例是１：２：２。综合考虑各种布局方案：

ＡＢＣＣＢ布局方案：

ＡＢＣＢＣ布局方案：

ＡＢＢＣＣ布局方案：

综合考虑各种布局方案，可以使用ＡＢＢＣＣ布局连线比较简单，ABCCB布局次之,ABCBC布局最复杂。

布局结果如下图所示（ABBCC布局方案）

（ABCCB布局方案）

（ABCBC布局方案）

最终我们采用ABBCC的布局方案

1.2.3 输入对管MOSFET

输入对管可以使用中度匹配或低度匹配。注意实验中使用的PMOS输入对管的背栅是和源端短接的。因为这里使用的是3：3的输入对管（还有2个Dummy管），所以趋向使用DABBAAB的布局设计

实际布局效果：DABBAABD布局方式，背栅和源端短接，N阱接触环绕N阱内侧。输入信号通过A2-A1-多晶硅栅。

1.2.4 负载电流镜

在放大器设计中经常会碰见负载MOSFET管，负载MOSFET一般也是由电流镜构成，可以由低度匹配电流镜版图来构成。查看原理图，该电流镜由3个匹配器件构成（2：2：4两级放大器一般有1对2个负载电流镜器件，第二级的NMOS不一定能同前面的电流镜同尺寸，视具体电路而定）。

使用棍棒图进行分析，结果发现使用CCAABBCC的布局可以使电路最简单。当然，如果使用共质心版图的设计方案CABCCBAC效果会更好，但是版图布局将会更复杂。

使用CABCCBAC布局，版图结构复杂。

使用CCAABBCC布局的版图结构

1.2.5 偏置电流镜

使用ABB布局

1.3 实际版图布局

在这一电路中电阻电容精度要求不是很高，所以可以尽量使用剩余空间用于绘制电阻电容。

第二部分 实验操作部分

修改OPA原理图的电阻类型后，完成OPA的版图布局设计。

要求：

1.尽量在80 um X 60 um的面积内完成版图布局（越小越好），布局尽量布局成矩形

2.完成布局连线后，完成Diva DRC 和LVS验证

思考：