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模(mo)仿(fang)集成电路设(she)计(ji)

集成(cheng)电(dian)路设计可分(fen)为两(liang)大(da)类：模(mo)仿(fang)和数字(zi)。为了显现这(zhei)两(liang)类设计办(ban)法的(de)特征，我(wo)们必需首先定(ding)义(yi)模(mo)仿(fang)信(xin)(xin)号(hao)(hao)和数字(zi)信(xin)(xin)号(hao)(hao)。信(xin)(xin)号(hao)(hao)能够被以为是(shi)(shi)(shi)电(dian)压、电(dian)流(liu)或电(dian)荷等电(dian)量的(de)可视值(zhi)(zhi)。信(xin)(xin)号(hao)(hao)应该反映物理系统的(de)状态或行为信(xin)(xin)息。模(mo)仿(fang)信(xin)(xin)号(hao)(hao)定(ding)义(yi)为在连续(xu)时间范围内具有连续(xu)幅度变化的(de)信(xin)(xin)号(hao)(hao)，图(tu)1.1-1( a)为模(mo)仿(fang)信(xin)(xin)号(hao)(hao)的(de)示(shi)(shi)例(li)。数字(zi)信(xin)(xin)号(hao)(hao)是(shi)(shi)(shi)只在一些离(li)散幅度值(zhi)(zhi)上有定(ding)义(yi)的(de)信(xin)(xin)号(hao)(hao)，换(huan)句话说(shuo)，数字(zi)信(xin)(xin)号(hao)(hao)是(shi)(shi)(shi)一些量化了的(de)离(li)散值(zhi)(zhi)。血型的(de)数字(zi)信(xin)(xin)号(hao)(hao)是(shi)(shi)(shi)只要两(liang)种幅值(zhi)(zhi)定(ding)义(yi)的(de)信(xin)(xin)号(hao)(hao)的(de)二进制加权和，如图(tu)1.1-1( b)和式(1.1-1)所示(shi)(shi)。图(tu)1.1-1 (b)是(shi)(shi)(shi)图(tu)1.1-1(a)所示(shi)(shi)模(mo)仿(fang)信(xin)(xin)号(hao)(hao)的(de)3位表示(shi)(shi)。

一个二进制数(shu)bi取(qu)值仅为0或(huo)1。因此(ci)，能(neng)(neng)够(gou)用(yong)只工作在两个稳定状态的(de)器件(jian)来(lai)完成(cheng)数(shu)字电(dian)(dian)路(lu)(lu)。这招致厂很强(qiang)的(de)规则(ze)性(xing)，并可用(yong)代数(shu)办法描绘电(dian)(dian)路(lu)(lu)的(de)功(gong)用(yong)。冈此(ci)，数(shu)字电(dian)(dian)路(lu)(lu)设计(ji)者(zhe)能(neng)(neng)够(gou)得心(xin)应(ying)手地设计(ji)更复杂(za)的(de)电(dian)(dian)路(lu)(lu)。

模仿集成电路中还会遇到另一种信号，即模仿采样数据信号。模仿采样数据信号是指在连续幅值范围内仅在时间离散点上有定义的信号。通常，采样模仿信号坚持的是采样周期完毕时的值，构成的是采样坚持信号。模仿采样坚持信号如图1.1-1( c)所示。

电路设计是为处理特定问题构思一个电路的发明性过程。对电路停止剖析和比拟可以更好天文解设计。如图1.1-2(a)所示，电路剖析是从电路动身找出其特性的过程。剖析过程的-个重要特性是答案或特性是唯一的。另一方面，电路综合或者设计是这样一个过程，从请求的特性动身，找出满足这些特性的电路。对设计来说计划并不独一，于是为设计者提供了发挥发明力的时机。比方以设计一个1.5Ω的电阻为例，能够用三个0.5Ω电阻的串联完成，也能够用两个1 Ω的电阻并联后再与一个1 Ω的电阻串联来完成，等等。一切设计都会满足1.5 Ω电阻的请求，固然有些设计的其他特性可能会更好。图1.1-2示出了综合（设计）与剖析之间的不同。

理解集成和分(fen)立模仿(fang)电(dian)(dian)路(lu)设(she)计的(de)(de)(de)不(bu)同(tong)(tong)(tong)是很重要的(de)(de)(de)。与(yu)(yu)集成电(dian)(dian)路(lu)不(bu)同(tong)(tong)(tong)，分(fen)立电(dian)(dian)路(lu)不(bu)把有(you)源和无源元件(jian)制造在(zai)(zai)同(tong)(tong)(tong)一(yi)(yi)衬底上(shang)，而将(jiang)器(qi)(qi)件(jian)严密地制造枉同(tong)(tong)(tong)一(yi)(yi)衬底上(shang)的(de)(de)(de)一(yi)(yi)个(ge)主要的(de)(de)(de)优点就(jiu)是器(qi)(qi)件(jian)间的(de)(de)(de)匹配也能(neng)够作为设(she)计思索的(de)(de)(de)—，个(ge)下具。两种设(she)计方式的(de)(de)(de)一(yi)(yi)个(ge)不(bu)同(tong)(tong)(tong)点是在(zai)(zai)集成电(dian)(dian)路(lu)设(she)计中(zhong)有(you)源器(qi)(qi)件(jian)和无源器(qi)(qi)件(jian)的(de)(de)(de)儿何尺寸是在(zai)(zai)设(she)计者(zhe)(zhe)的(de)(de)(de)控制之F的(de)(de)(de)。在(zai)(zai)设(she)计过程中(zhong)这种控制赋予没计者(zhe)(zhe)更(geng)人的(de)(de)(de)自(zi)在(zai)(zai)度。另(ling)一(yi)(yi)个(ge)不(bu)同(tong)(tong)(tong)点就(jiu)是集成电(dian)(dian)路(lu)设(she)计无法用电(dian)(dian)路(lu)实(shi)验板考证。因(yin)而，设(she)计者(zhe)(zhe)必需采用计算机仿(fang)真(zhen)的(de)(de)(de)办法来考证其电(dian)(dian)路(lu)的(de)(de)(de)性(xing)能(neng)。再一(yi)(yi)个(ge)不(bu)同(tong)(tong)(tong)点是，在(zai)(zai)集成电(dian)(dian)路(lu)设(she)计中(zhong)，设(she)计者(zhe)(zhe)将(jiang)会更(geng)多地遭到与(yu)(yu)所用下艺相关的(de)(de)(de)元器(qi)(qi)件(jian)类(lei)型的(de)(de)(de)约(yue)束(shu)。

设计一个模(mo)仿集成电路分为很多步骤。图l.l-3所示(shi)为一个集成电路设计的普通过程。

主(zhu)要的步(bu)骤有(you)：

1．定义

2．综合或装配

3．仿(fang)真或模型化(hua)

4．幅员设计

5．思索幅员寄生参数后的仿真(zhen)（后仿真(zhen)）

6，制造

7．测试和考证

上述一(yi)切(qie)步骤(zhou)，除了加(jia)工制(zhi)造(zao)外，其他过程均需设计者(zhe)担任。第一(yi)步是功用的(de)定义和综合。

这一步(bu)(bu)(bu)(bu)十分重要，由于这决议了设(she)计(ji)(ji)(ji)的(de)性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)。当这些(xie)步(bu)(bu)(bu)(bu)骤完(wan)(wan)成(cheng)(cheng)(cheng)后，设(she)计(ji)(ji)(ji)者(zhe)必需在(zai)制造(zao)之前可(ke)以确认这个设(she)计(ji)(ji)(ji)。为此，下一步(bu)(bu)(bu)(bu)就(jiu)是对电(dian)路停止仿(fang)真(zhen)，察看电(dian)路性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)。开(kai)端设(she)计(ji)(ji)(ji)者(zhe)只能(neng)(neng)(neng)运(yun)用(yong)电(dian)路物理层的(de)近似参(can)数(shu)仿(fang)真(zhen)，一旦完(wan)(wan)成(cheng)(cheng)(cheng)幅(fu)(fu)员(yuan)(yuan)设(she)计(ji)(ji)(ji)，就(jiu)能(neng)(neng)(neng)够用(yong)从幅(fu)(fu)员(yuan)(yuan)得(de)到(dao)的(de)寄(ji)(ji)生(sheng)参(can)数(shu)信息(xi)检(jian)查仿(fang)真(zhen)结(jie)果。尔后设(she)计(ji)(ji)(ji)者(zhe)可(ke)重复用(yong)模(mo)仿(fang)结(jie)果改(gai)良电(dian)路的(de)性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)。一旦满(man)足了性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)请求(qiu)，就(jiu)能(neng)(neng)(neng)够进入(ru)下一步(bu)(bu)(bu)(bu)—一电(dian)路的(de)几何描(miao)绘(hui)（幅(fu)(fu)员(yuan)(yuan)）。通常状况下，这种几何描(miao)绘(hui)由在(zai)不同层面上(shang)（Z轴）的(de)各种外形(xing)的(de)矩形(xing)或多边(bian)形(xing)（x-y平面）构成(cheng)(cheng)(cheng)的(de)计(ji)(ji)(ji)算机数(shu)据库组成(cheng)(cheng)(cheng)，它(ta)与电(dian)路的(de)电(dian)性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)亲密相关。如前所(suo)述，幅(fu)(fu)员(yuan)(yuan)完(wan)(wan)成(cheng)(cheng)(cheng)后，需求(qiu)将幅(fu)(fu)员(yuan)(yuan)的(de)寄(ji)(ji)生(sheng)效应思索(suo)进去(qu)再(zai)次仿(fang)真(zhen)。假如性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)满(man)足，就(jiu)能(neng)(neng)(neng)够制造(zao)电(dian)路了。

制(zhi)成之后，设(she)(she)计(ji)者将会面临最后一步——肯定(ding)制(zhi)成的电路(lu)能否(fou)满足(zu)设(she)(she)计(ji)请求。假(jia)如在整个(ge)设(she)(she)计(ji)过程中设(she)(she)计(ji)者没(mei)有认(ren)真思索这一步，那么在停止电路(lu)测试(shi)以(yi)及(ji)判别电路(lu)能否(fou)满足(zu)设(she)(she)计(ji)请求时可能会遇到艰难。

正(zheng)如前(qian)面所提(ti)到的(de)，分(fen)立(li)与集成模(mo)仿电路设计的(de)区别之一是(shi)后(hou)者无法用电路实验板考证。计算机仿真(zhen)技术曾(ceng)经有了长足(zu)的(de)开展(zhan)，能提(ti)供恰当的(de)模(mo)型。

其优点包括：

·不需求电路实验(yan)板

·具有监测(ce)电(dian)路任一处信号的才能

·可以将反应(ying)环路拆(chai)开

·可以方便的修(xiu)改电路

.可以在不同的工艺和温度条件下剖析电路

计(ji)算机仿真也(ye)有一些缺陷：

·模(mo)型的精度问题

·由于不收(shou)敛(lian)而得不出仿真结果

·对大电路停止仿真很费时间(jian)

·无法用计算机替代(dai)人的思(si)想

由于仿真与设计(ji)过(guo)程亲密相(xiang)关，本书将在恰当的中央(yang)停(ting)止引见。

在完(wan)成(cheng)上述各个设(she)(she)计(ji)(ji)步骤的(de)(de)(de)过程中，设(she)(she)计(ji)(ji)者运用(yong)了三种不同的(de)(de)(de)描(miao)(miao)绘(hui)(hui)(hui)格式(shi)：设(she)(she)计(ji)(ji)描(miao)(miao)绘(hui)(hui)(hui)、物理(li)层描(miao)(miao)绘(hui)(hui)(hui)和模型/仿(fang)真描(miao)(miao)绘(hui)(hui)(hui)。设(she)(she)计(ji)(ji)描(miao)(miao)绘(hui)(hui)(hui)的(de)(de)(de)格式(shi)用(yong)来(lai)肯定(ding)电(dian)路(lu)；物理(li)层描(miao)(miao)绘(hui)(hui)(hui)用(yong)来(lai)定(ding)义电(dian)路(lu)的(de)(de)(de)几何外形；模型肪真描(miao)(miao)绘(hui)(hui)(hui)用(yong)来(lai)对电(dian)路(lu)停止仿(fang)真。设(she)(she)计(ji)(ji)者必需在每种描(miao)(miao)绘(hui)(hui)(hui)格式(shi)中都能对设(she)(she)计(ji)(ji)停止描(miao)(miao)绘(hui)(hui)(hui)。例如，模仿(fang)集(ji)成(cheng)电(dian)路(lu)设(she)(she)计(ji)(ji)的(de)(de)(de)第一(yi)步能够用(yong)设(she)(she)计(ji)(ji)描(miao)(miao)绘(hui)(hui)(hui)格式(shi)完(wan)成(cheng)，显(xian)然，幅员设(she)(she)计(ji)(ji)阶段(duan)能够用(yong)物理(li)层描(miao)(miao)绘(hui)(hui)(hui)格式(shi)，仿(fang)真阶段(duan)可采用(yong)模型/仿(fang)真描(miao)(miao)绘(hui)(hui)(hui)格式(shi)。

模(mo)仿集(ji)成电(dian)(dian)路设(she)计还(hai)能(neng)够用(yong)分(fen)(fen)层的(de)(de)观念来(lai)描(miao)绘。表(biao)1.1-1展现了由器件、电(dian)(dian)路和(he)(he)系(xi)(xi)统(tong)构成的(de)(de)纵向(xiang)层次，横向(xiang)分(fen)(fen)为(wei)设(she)计、物理(li)和(he)(he)模(mo)型三个层次。器件级是(shi)设(she)计的(de)(de)最底层。能(neng)够分(fen)(fen)别用(yong)器件性能(neng)、几何(he)图(tu)形和(he)(he)器件模(mo)型作为(wei)设(she)计、物理(li)和(he)(he)模(mo)型的(de)(de)相(xiang)应描(miao)绘。电(dian)(dian)路级是(shi)设(she)计的(de)(de)较(jiao)高层，能(neng)够用(yong)器件的(de)(de)术(shu)语来(lai)表(biao)示。电(dian)(dian)路级的(de)(de)设(she)计、物理(li)和(he)(he)模(mo)型描(miao)绘的(de)(de)格式普通为(wei)：电(dian)(dian)压(ya)电(dian)(dian)流关系(xi)(xi)、参数化的(de)(de)幅员和(he)(he)宏模(mo)型。设(she)计的(de)(de)最高层是(shi)系(xi)(xi)统(tong)级——用(yong)电(dian)(dian)路来(lai)表(biao)示。系(xi)(xi)统(tong)级的(de)(de)设(she)计、物理(li)和(he)(he)模(mo)型描(miao)绘的(de)(de)格式为(wei)：数学或图(tu)形描(miao)绘、芯片(pian)规划规划以及行为(wei)模(mo)型。

本书的组织体系偏重于集成电路设计的层次化观念，表1.1-2示出了模仿电路设计与相应各章的对应关系。在器件级，第2章和第3章引见CMOS工艺技术及模型。为了设计CMOS模仿集成电路，设计者必需理解工艺技术，因而第2章概要地引见了CMOS工艺技术以及南工艺思索得出的设计规则。这些信息关于设计者了解工艺的限制和约束是十分重要的。在开端设计之前，设计者应该曾经晓得工艺和器件模型的电参数。建模在综合与仿真这两个步骤中是关键局部，这在第3章中做引见。设计者还应理解实践器件的模型参数，以便肯定假定模型参数能否适宜，理想状况下设计者已取得能够对这些参数停止丈量的测试芯片。最终，制成后的模型参数测试可被用来测试完好的电路。器件描绘办法在附录B中做了引见。

第(di)(di)4章与第(di)(di)5章主(zhu)要引(yin)见由两个管子(zi)(zi)及两个以上管子(zi)(zi)构(gou)成的(de)(de)(de)电(dian)(dian)路，这(zhei)类电(dian)(dian)路称为简(jian)单(dan)电(dian)(dian)路。在(zai)第(di)(di)6章到第(di)(di)8章中引(yin)见如何由这(zhei)些简(jian)单(dan)电(dian)(dian)路设计(ji)更复杂(za)的(de)(de)(de)电(dian)(dian)路。最(zui)后，在(zai)第(di)(di)9章和第(di)(di)10章中给(ji)(ji)出了由这(zhei)些复杂(za)电(dian)(dian)路设计(ji)的(de)(de)(de)模(mo)仿系(xi)统。各种设计(ji)层次间的(de)(de)(de)界线有(you)时并不太明白。但(dan)是，根本的(de)(de)(de)关系(xi)是有(you)效的(de)(de)(de)，能够给(ji)(ji)读者一个模(mo)仿集成电(dian)(dian)路设计(ji)的(de)(de)(de)框架(jia)构(gou)造概念。

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