EDA在“模擬集成電路設(shè)計(jì)”教學(xué)中的應(yīng)用

羅志聰

(福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福建福州350002)

“模擬集成電路設(shè)計(jì)”是每個(gè)集成電路設(shè)計(jì)人才必修的一門專業(yè)課程，但是傳統(tǒng)的教學(xué)過(guò)程中存在許多的問題，因此有必要融合EDA軟件以及現(xiàn)代多媒體教學(xué)手段對(duì)課程教學(xué)進(jìn)行深入改革。

1 課程存在的問題

“模擬集成電路設(shè)計(jì)”是相對(duì)較難的專業(yè)課程。首先要求學(xué)生具備較扎實(shí)的基礎(chǔ)，如“電路原理”、“模擬電路”、“數(shù)字電路”、“信號(hào)與系統(tǒng)”、“EDA技術(shù)”以及“半導(dǎo)體物理”等課程的基礎(chǔ);其次課程本身的理論分析也很復(fù)雜，較為抽象，如MOS管的寄生電容、放大器的頻率特性和交流小信號(hào)增益等。

筆者首先將EDA軟件引入課堂教學(xué)中，加強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生掌握好相應(yīng)的軟件并能獨(dú)立完成課程的實(shí)驗(yàn)。但是筆者在近年來(lái)的教學(xué)和實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)理論與實(shí)踐嚴(yán)重脫節(jié)，還有少數(shù)學(xué)生和工程技術(shù)人員完全依賴EDA軟件的仿真，想完全由EDA軟件代替人的思考。他們忽略了計(jì)算時(shí)所采用的Spice模型都是低等級(jí)的，通常無(wú)法準(zhǔn)確描述如溝道效應(yīng)和體效應(yīng)等對(duì)結(jié)論的影響。

筆者的教學(xué)思路是在講解“模擬集成電路設(shè)計(jì)”課程的電路知識(shí)時(shí)，先通過(guò)簡(jiǎn)單的理論推導(dǎo)得到相關(guān)的結(jié)論，接著采用EDA軟件仿真驗(yàn)證這些結(jié)論。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步深化理論推導(dǎo)，最后再采用EDA軟件驗(yàn)證。

2 EDA軟件的介紹

選擇一個(gè)合適的EDA設(shè)計(jì)工具是順利進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)的關(guān)鍵。筆者選用了Tanner Research公司開發(fā)的Tanner Tools Pro軟件［1]。它雖然在功能上不如Cadence和Synopsys等大型商業(yè)軟件，但最大優(yōu)點(diǎn)是成本低，可以在PC機(jī)上使用。該工具主要包含了S-edit(原理圖編輯)、L-edit(版圖編輯)、T-spice(電路仿真)、W-edit(波形觀察)和LVS(版圖與原理圖比對(duì))等幾個(gè)工具，滿足了集成電路設(shè)計(jì)從前端到后端、設(shè)計(jì)驗(yàn)證的一系列過(guò)程的需要，完全適用于“模擬集成電路設(shè)計(jì)”課程的實(shí)踐教學(xué)。在教學(xué)過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)該軟件上手快，對(duì)于以后使用其他大型的IC設(shè)計(jì)工具也有一定幫助。

3 放大器頻率特性分析實(shí)例

3.1 零極點(diǎn)與波特圖的關(guān)系

1)放大器特輸函數(shù)

要理解掌握放大器的頻率特性，首先必須掌握電路系統(tǒng)的零極點(diǎn)的概念，以及零極點(diǎn)的位置與幅度、相位特性曲線變化的關(guān)系。為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，令放大器傳遞函數(shù)為

上式中存在一階極點(diǎn)(零點(diǎn))ω1，通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)分析即可得到一些有用的結(jié)論。

對(duì)y取模后得到幅度特性

傳遞函數(shù)y的相位函數(shù)為

當(dāng)ω1位于左半平面時(shí)對(duì)上式分析可得，當(dāng)ω0.1 ω1時(shí)，φ(ω)=0;當(dāng)ω=ω1時(shí)，φ(ω)=±45°;當(dāng)ω≥10ω1時(shí)，φ(ω)=±90°。當(dāng)ω1位于右半平面時(shí)，則反之。

可見，如圖2所示左半平面的一個(gè)零點(diǎn)最多引入+90°相移，在零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地方為+45°，一個(gè)極點(diǎn)最多引入－90°相移，在極點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地方為－45°。右半平面的零點(diǎn)則反之。

圖1 零極點(diǎn)對(duì)幅度特性的影響

圖2 零極點(diǎn)對(duì)相位特性的影響

2)RC低通濾波器

為了使學(xué)生進(jìn)一步掌握零極點(diǎn)位置與幅度相位變化的關(guān)系，以如圖3所示的一個(gè)低通濾波器為例。其傳遞函數(shù)為

其中，ω1=1/RC。

從上式可知該電路存在一個(gè)極點(diǎn)，如果取R=10kΩ、C=10pF，那么極點(diǎn)ω1=107rad/s，即極點(diǎn)頻率f1=1.59MHz。根據(jù)上述的結(jié)論可以直接畫出圖4所示幅頻特性曲線，其中ω1=107rad/s。

圖3 RC低通濾波器

圖4 低通濾波器頻率特性

采用Tanner軟件仿真得到如圖5所示。從圖5可知-3dB帶寬為1.59MHz，所對(duì)應(yīng)的相位為-45°，該結(jié)果與計(jì)算結(jié)果完全一致。圖5中幅度以-20dB/dec變化，與圖4結(jié)果完全吻合。

圖5 RC低通濾波器仿真結(jié)果

3.2 頻率特性的簡(jiǎn)單理論推導(dǎo)

以電阻為負(fù)載的共源級(jí)放大器為例，電路如圖6所示，其中CGS、CGD和CDB分別為寄生電容［2]。

圖6 電阻為負(fù)載的共源級(jí)放大器

為了避免學(xué)生面對(duì)枯燥的理論推導(dǎo)和難以記憶的公式而喪失學(xué)習(xí)興趣，首先采用最簡(jiǎn)單的估算法得到電路輸入端極點(diǎn)的值為

輸出端極點(diǎn)的值為

同時(shí)注意到CGD提供一個(gè)信號(hào)的前饋通道，即X節(jié)點(diǎn)的高頻信號(hào)由CGD同相傳導(dǎo)到輸出端，而X節(jié)點(diǎn)信號(hào)也由M1反相傳導(dǎo)到輸出端。因此電路系統(tǒng)必定存在一個(gè)零點(diǎn)，使得輸出信號(hào)Vout等于0。于是有

式中，gm為跨導(dǎo)，Vx為圖6中x點(diǎn)的電壓。由上式得到零點(diǎn)頻率為

由于該零點(diǎn)位于右半平面，因此在該零點(diǎn)引入了-90°相移。

上述分析得到該電路存在兩個(gè)極點(diǎn)，一個(gè)零點(diǎn)。如果采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，很難解釋清楚這些零極點(diǎn)對(duì)電路性能的影響，必須采用EDA軟件。

3.3 頻率特性仿真與理論驗(yàn)證

對(duì)圖6所示電路，我們?nèi)1的W=2000μm，L=20μm，RS=50Ω，RD=30kΩ。采用MCNC 1.25μm CMOS Process工藝和2級(jí)Spice模型，分別進(jìn)行直流分析和交流分析。從直流分析中可以得到M1管的工作狀態(tài)以及CGS、CGD、CDB等參數(shù)的具體數(shù)值。交流分析結(jié)果如圖7所示，從分析中可以得到頻率特性曲線和增益。其中增益為26.06倍，輸出極點(diǎn)fout≈509.33kHz，輸入極點(diǎn)fin≈76.58MHz。

為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，器件的CGS、CGD、CDB等參數(shù)直接由直流分析給出。其中CGS=20.1pF、CGD=0.578pF、CDB=9.70pF、gmRD=26.06。因此由式(5)得到輸入極點(diǎn)ωin=559.59×106rad/s，所以fin=89.11MHz。由式(6)得到輸出極點(diǎn)ωout=32.43×105rad/s，所以fout=516.43kHz。該結(jié)果基本上與圖7所示的仿真結(jié)果相當(dāng)。同時(shí)該頻率特性曲線和3.1節(jié)的結(jié)論幾乎一致。

圖7 共源級(jí)放大器頻率響應(yīng)特性曲線

3.4 頻率特性的精確推導(dǎo)

為了進(jìn)一步掌握其本質(zhì)，需要得到精確的傳遞函數(shù)，首先得到如圖8所示共源放大器的小信號(hào)模型。

圖8 共源級(jí)放大器小信號(hào)等效圖

對(duì)于圖8，根據(jù)KCL和KVL方程可得

由式(8)和式(9)聯(lián)解可得

輸入極點(diǎn):ωin=1/RS(1+gmRD)CGD+Ψ;

輸出極點(diǎn):ωout≈1/RD(CDB+CGD);

零點(diǎn):ωz=+gm/CGD。

其中，ψ=RSCGS+RD(CGD+CDB)。

4 結(jié)語(yǔ)

基于EDA平臺(tái)的教學(xué)有效地促進(jìn)和推動(dòng)了“模擬集成電路設(shè)計(jì)”課程的改革，將增益、頻率響應(yīng)、電路的寄生電容及其對(duì)電路性能的影響等抽象和難理解的內(nèi)容具體化，便于理解。同時(shí)整個(gè)教學(xué)過(guò)程涵蓋了半導(dǎo)體器件工藝、Spice模型、EDA軟件的使用和理論分析等，加大了教學(xué)信息量。通過(guò)EDA技術(shù)在課堂教學(xué)中對(duì)電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證，解決了傳統(tǒng)教學(xué)中課堂與實(shí)驗(yàn)室、理論與實(shí)踐嚴(yán)重脫節(jié)的問題，使理論和實(shí)踐更有效地結(jié)合。

［1] 武玉華，路而紅.非微電子專業(yè)“專用集成電路設(shè)計(jì)”課程建設(shè)研究［J] .南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27(6)

［2] 畢查德拉扎維著，陳貴燦等譯.模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)［M] .西安:西安交通大學(xué)出版社，2003年