双极型混频器.docx
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双极型混频器
大规模集成电路设计
课程设计报告
学院电控学院
专业电子科学与技术
班级32050701
姓名郭振华
学号24
指导老师文常保杨东霞
前言
集成电路的出现与飞速发展是科技进步的一大奇迹，它不仅给人类的生产建设和科学研究带来了巨大成功而且也彻底改变了人类文明和人们日常生活的方方面面。
集成电路版图设计是实现集成电路制造所必不可少的设计环节，它不仅关系到集成电路的功能是否正确，而且也会极大程度地影响集成电路的性能、成本与功耗。
一个优秀的掩模版图设计者对于开发超性能的集成电路是极其关键的。
近年来迅速发展的计算机、通信、嵌入式或便携式设备中集成电路的高性能低功耗运行都离不开集成电路版图的精心设计，现代集成电路设计中发展起来的全定制与ASIC设计、单元库和IP库的建立，以及系统芯片（SoC）设计的新概念和方法学也无一不与集成电路版图设计密切相关
。
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。
集成电路版图设计不仅仅是一门技术，更是一门艺术。
设计出一套符合设计规则的版图也许并不困难，但要设计出最大程度体现高性能低功耗低成本、能实际可靠工作的芯片版图却不是一朝一夕能学会的事情。
作为一个电路设计者，对电路所作的每一个选择和决定都会直接影响最终的硅片产品。
电路设计远远超过电路模拟器。
设计的物理属性将决定电路工作的成败与否。
掩模设计问题现在比以往任何时候都更加成为整个电路设计过程的一部分。
设计只有在变成了硅芯片上的电路时才能算完成。
本设计的电路是一个直接的Gilbert单元混频器，版图的设计得到了改善以满足较高的性能要求。
混频器版图中的晶体管采用环晶体管技术，以增加晶体管承受电流的能力，并且降低了发射极的寄生电阻，使得电路在高频率条件下工作得更好。
鉴于所学知识的有限，设计中难免会有很多缺点和不足，真诚希望老师给予指导和改正。
目录
第一章电路设计与原理
1.1双极型混频器电路图……………………………………………………2
1.2电路工作原理……………………………………………………………3
第二章版图实现
2.1电流源……………………………………………………………………5
2.2下二管组…………………………………………………………………6
2.3上四管组…………………………………………………………………7
2.4负载………………………………………………………………………8
2.5双极型混频器版图………………………………………………………10
双极型混频器
摘要：
在通讯设备中经常要用到混频器，本设计的电路是一个直接的Gilbert单元混频器。
设计中的Gilbert单元混频器是一下变频混频器，由NPN晶体管与多晶硅电阻组成。
混频器版图中的晶体管采用环晶体管技术，以增加晶体管承受电流的能力，并且降低了发射极的寄生电阻。
关键字：
Gilbert单元混频器下变频混频器环晶体管多晶硅电阻
设计要求：
设计一个采用NPN晶体管与多晶硅的双极型Gilbert单元混频器的版图，并且要使电路在高频率条件下工作得更好一些。
这个混频器是一个下变频混频器，假设我们把固定频率称为sina,把被调制频率称为sinb，两个正弦波的相乘产生a+b的正弦波和a-b的正弦波，我们需要的是频率的差。
该混频器由四个基本部分组成—电流源、下二管组、上四管组和负载。
对电路的要求：
它要是一个差分电路；它要有较好的匹配；它要有均衡的低寄生参数；它要有很好的对称性；它要有很好的平缓的电流；它要有很好的平缓的信号流
。
第一章电路设计与原理
TannerPro是一套集成电路设计软件，包括S-Edit,T-Spice,W-Edit,L-Edit与LVS。
TannerPro的设计流程可以用图
（1）来表示。
将要设计的电路先以S一Edit编辑出电路图，再将该电路图输出成SPICE文件。
接着利用T一Spice将电路图模拟并输出成SPICE文件，如果模拟结果有错误，N回S-Edit检查电路图，如果T一Spice模拟结果无误，则以L一Edit进行布局图设计。
用L-Edit进行布局图设计后要以DRC功能做设计规则检查，若违反设计规则，再将布局图进行修改直到设计规则检查无误为止。
将验证过的布局图转化成SPICE文件，再利用T一Spice模拟，若有错误，再回到L一Edit修改布局图。
最后利用LVS将电路图输出的SPICE文件与布局图转化的SPICE文件进行对比，若对比结果不相等，则回去修正L一Edit或S一Edit的图。
直到验证无误后，将L一Edit设计好的布局图输出成GDSII文件类型，再交由工厂去制作半导体过程中需要的的光罩
。
本次的设计中主要用到TannerPro软件中的S-Edit与L-Edit程序。
首先利用S-edit编辑电路图，然后是利用L-edit进行版图设计。
图
（1）
1
1.1、双极型混频器电路图
图
（2）
2
1.2、电路工作原理
双极型混频器电路如图
（2）所示,主要由四个部分组成：
电流源、下二管组、上四管组和负载。
电流源部分电路如图（3）所示。
电流源用来提供固定电流。
正是这个电流将通过开关，并最终在输出端作为电压被读出，这一电流首先流到下二管组。
图（3）
下二管组部分电路如图（4）所示。
下二管组的基极将切换通过它们的电流。
依赖于晶体管基极接收到的差分输入信号，电流将或者通过左面的晶体管，或者通过右面的晶体管，或者分两部分同时从两个晶体管通过。
我们称这个差分信号为Input1。
经过切换的电流接着就到达了上四管组。
图（4）
上四管组部分电路如图（5）所示。
上四管组也根据它们晶体管接收到的差分输入信号切
3
换电流。
这第二个输入信号称为Input2。
正是这一组合，即首先切换电流通过下二极管组然后又切换这些电流通过上四管组，把两个信号混合在了一起。
在电流经过第二次切换后，已经把两个信号混合了起来。
这一混合信号以被切换的电流形式通过负载。
图（5）
负载部分电路如图（6）所示，负载就是一些电阻，电流经电阻形成电压V=IR。
我们可以在输出端读出这一电压，这一电压包含了我们所需要的信息。
图（6）
4
第二章版图实现
模拟集成电路的版图设计特别注重根据电路参数的要求，在一定的工艺条件下，按照版图设计的有关规则，设计具体电路中各个元件的图形和尺寸，然后进行排版与布线，从而设计出一套符合要求的芯片版图。
任何版图设计都是以一定的工艺条件为前提的，因此在设计之前必须对实际的工艺条件和工艺水平有清楚的了解，只有这样，才能按照具体的电路要求，选取适当的工艺条件作为版图设计的基础。
模拟集成电路中常见的器件除了晶体管、二极管外，还有电阻、电容等无源器件。
而这些器件在目前常见的工艺类型中有很多种物理实现方式。
因此在版图设计前，必须对电路从底层到顶层有充分的了解。
因为构成集成电路各种元件的参数指标以及这些元件之间的互联都是由电路本身决定的，只有对电路的工作原理以及性能要求有充分了解，才能合理地设计元件的结构图形和尺寸，从而设计出符合要求的版图
。
下面具体分析混频器各部分的版图实现。
2.1、电流源
电流源部分版图如图（7）所示。
电流源晶体管由4个器件组成，晶体管采用环晶体管技术——发射极由两边引出并在底部汇合，连接的方式是并联，即所有发射级连接在一起，所有基极连接在一起，所有集电级连接在一起。
由发射极来的电流全部由一个端点流出，可能会引起电流密度问题，为此，为了给每一个发射极提供一条明确畅通的电流路径，把最终的电流从很宽的发射极总线的中点处引出来。
所有基极都用Metal2连接在一起，所有集电极都用Metal1连接在一起。
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图（7）
连接电流源电阻的导线从发射极导线的中点引出，并且加宽电阻间的导线以使内部的金属连线不会增加太多的寄生电阻。
电流源的两边增加一对虚设电阻，并不真把这些器件连接到电路中，它们只作为真正有用电阻的“靠垫”以避免在两端过度刻蚀。
，把虚设电阻短接在一起并把它们接地以让靠外的两个电阻与里面的两个电阻的刻蚀条件相近。
2.2、下二管组
由于单个晶体管尺寸不合适，所以把两个一样的晶体管并联来组成电路图中的一个晶体管，实际上把两个并联晶体管作为一个器件来考虑，分别称为QL1和QL2。
两个集电极并联，
两个基极并联，两个发射极也并联。
就器件的连接方式而言，器件QL1和QL2的连接形成了差分对，为了改进下二极管的匹配，这个差分对的两半设计成指状交叉。
如图（8）所示，QL1的两半和QL2的两半互相交错，这样它们所处的状况就更一致了。
所有的发射极都用一段很宽的Metal1线相互连接，并连接至电流源器件的集电极。
因为采用指状交叉，需要把两个QL1的集电极互相连接，把两个QL2的集电极也互相连接。
由于QL1被分成了两半，中间夹了半个QL2，所以采用Metal2把金属线引到外面，QL2的连接也是采用Metal2。
以与连接集电极相同的方式把基极相互连接起来，由于都要越过Metal1的图层，这里利用Metal2来连接。
为了保证所有的晶体管之间有均衡的寄生参数，这里我们把输入线从中间接入已有的基极布线。
虽然这两条线上的寄生参数还不完全一致，但已经有了很大的改进。
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最终的下二管组部分版图如图（9）所示。
图（8）
图（9）
2.3、上四管组
如图（10）所示，为了改进匹配，我们采用同样的指状交叉技术。
这里有两个差分对，实际上是四个器件要设计成指状交叉。
需要把晶体管QU1和QU2连接到下二管组中的一个集电极上，我们用QU器件的公共发射极连线与下二管组的一个集电极连接。
对于晶体管QU3和QU4我们采用同样的跨越连接。
由于上四管组晶体管的指状交叉，连接上四管组的集电极时不需要跨越器件，我们可以采用Metal1连接器件。
由于我们的差分对设计成指状交叉，器件QU1在最左端，它的基极需要与最右端的QU4连接，这里采用Metal2水平跨越连接我们的基极。
同样的，利用Metal2连接QU2和QU3的基极。
QU1、QU4之间的距离和QU2、QU3之间的距离相差很大，如果简单地把这些基极互相连接起来，它们的寄生参数差别会很大。
为此，我们把QU2-QU3间用于连接的Metal2延长，使之更接近QU1-QU4间连线的距离，这有助于均衡到其它发射极上的寄生参数。
与在下二管组一样，为使四管组中的输入线的长度一致，我们把输入线从中间接入已有的基极布线。
最终的上四管组部分版图如图（11）所示。
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图（10）
图（11）
2.4、负载
如图（12）所示，和在其它地方一样，我们也把电阻负载互相进行指状交叉。
图（12）
与电流源电阻一样，负载电阻采用加宽了的金属线以减少寄生电阻，集电极直接连接到电阻的中心以确保对称。
电阻采用Metal2宽导线连到VCC。
在负载区放上两个虚设电阻，以改善制造过程中的匹配，但它们没有连到电源轨线上，并不会影响电路的功能。
负载电阻用Metal1直接连至上四管组的集电极。
同样是为了保持对称性，我们从单元的中间连接电阻链的始端，用Metal2把输出通过单元的中间对称地引出。
最终的电阻负载部分版图如图（13）所示。
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图（13）
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2.5、双极型混频器版图
图（14）
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收获与体会
课程设计是为了让我们对平时学习的理论知识与实际操作相结合，在理论和实验教学基础上进一步巩固已学基本理论及应用知识并加以综合提高，学会将知识应用于实际的方法，提高分析和解决问题的能力。
经过查资料、选方案、设计电路、撰写设计报告、使我得到一次较全面的训练。
理论联系实际，提高和培养创新能力，为后续课程学习打下基础。
作为一名学习集成电路的学生，我觉得能做这样的课程设计是十分有意义的。
自己对于这门课的需要的很多基础的东西都还没有很好的掌握，觉得很难，也没有很有效的办法通过自身去理解，课堂上有部分知识还是不太清楚，于是我不得不边学边用，时刻巩固所学知识，这也是我作本次课程设计的一大收获。
这也激发了我今后努力学习的兴趣，我想这将对我以后的学习产生积极的影响。
通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。
通过这次的混频器版图课程设计，我对混频器的工作原理有了进一步的认识与理解，更为重要的是，对如何编辑版图与改善版图的性能的方法有了更深一步的理解。
在设计这一个电路的时候，主要还是根据《集成电路掩模设计》一书来完成的，基本上是按照书上一步一步完成的。
虽然如此，由于在画版图时把书过了一遍，对一些在版图设计中经常用到可以提高设计的性能的方法有了一个大致的了解。
譬如说尽量减少寄生参数降低噪声的方法。
这是一个性能相对不错的版图，在设计中还考虑到制造时可能造成的不对称，如在电阻的两侧增加虚设电阻以使靠近边界电阻的腐蚀程度与靠近里面的一样；还有就是尽量把接入信号的Mental2的长度设计成一样......还有很多很多，虽然看起来每一步都不太重要，但是这些细节能更好的保证高频电路的性能，这可真是一门艺术啊！
在做这一次的课程设计时，深深的感觉到这一个专业真不是随便就可以弄懂的。
这只是一个简单的根据电路，已经给好的版图依法从新画一遍就发现了不少问题，跟何况是让自己来设计版图或是设计电路。
而且这一次的版图设计没有进行仿真，因为对于高频，还不知道如何进行仿真。
不过既然有高频就应该会有，即使课程设计中不需要这一步，课设完了之后还是应该学习一下如何对其进行仿真。
在这一个课程设计之前，已经做过一个CMOSD触发器的版图设计。
那是一个利用cmos管设计出来的，是一个数字的器件，而这一次是模拟的高频器件，这对我们来说能更好的掌握版图的设计。
这一次的课程设计虽然安排的是单独一人完成的，但在这过程中有时还是感到一个人力量的有限，特别是当遇到一些自己转不过弯的问题，有时只需要老师同学点一下就好了。
在这课程设计中我也从同学那里得到了很多帮助，感觉团队的力量真的很大，一起在思考解决问题时效果很是不错。
在做本次课程设计的过程中，为了让自己的设计更加完善，一次次不知疲惫的整天对着电脑重新布局电路，整个设计我基本上还满意，由于水平有限，难免会有错误，还望老师批评指正。
参考文献
1.陈贵灿，张瑞智，程军著.大规模集成电路设计.高等教育出版社.2005.
2.ChristopherSaint，JudySaint著；周润德，金申美译.集成电路掩膜设计：
基础版图技术.清华大学出版社.2006.
3.廖裕评，陆瑞强著.TannerPro集成电路设计与布局实战指导.科学出版社.2007.
4.邹雪城，邹志革，刘政林著.VLSI设计方法与项目实施.科学出版社.2007.
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