中山学院集成电路版图识别与提取.docx

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中山学院集成电路版图识别与提取

学生实验报告

系别

电子信息学院

课程名称

集成电路设计实验

班级

10电科

实验

（六、七）

集成电路版图识别与提取

集成运算放大器参数的测试

姓名

实验时间

2013年5月31日

学号

20100102010

指导教师

张华斌

成绩

教师签名

批改时间

2013年月日

报告内容

一、实验目的和任务

版图提取与识别是微电子IC逆向设计的关键技术，一方面可借鉴并消化吸收先进、富有创意的版图设计思路、结构，建立自己的版图库；另一方面通过分析、优化已有版图可将原有芯片的性能加以改进提高。

本实验正是基于以上的技术应用背景和《集成电路原理》课程及其特点而设置，目的在于：

（1）了解对塑封、陶瓷封装等不同封装形式的芯片解剖的方法及注意事项。

（2）学习并掌握集成电路版图的图形识别、电路拓扑结构提取。

（3）能对提取得到的电路进行功能分析、确定，并可运用PSPICE等EDA工具展开模拟仿真。

通过该实验，使学生了解IC内部结构及其主要工艺特点，加深感性认识，增强学生的实验与综合分析能力，掌握学习、跟踪先进电路设计与制造技术的基本方法，进而为今后从事科研、开发工作打下良好基础。

二、实验原理介绍

本实验重点放在版图识别、电路拓扑提取、电路功能分析三大模块，实验流程如下：

1.CMM-30E图像金相显微镜使用与操作练习。

2.在芯片上找出划线槽、分布在芯片边缘的压焊点、对位标记和CDBar（特征尺寸线条）并测出有关的图形尺寸和间距。

仔细观察芯片图形总体的布局布线，找出电源线、地线、输入端、输出端及其对应的压焊点。

3.判定此IC采用P阱还是N阱工艺；进行版图中元器件的辨认，要求分出MOS管、多晶硅电阻和MOS电容。

4.根据以上的判别依据，提取芯片上图形所表示的电路连接拓扑结构；复查，加以修正；应用PSPICE等电路模拟器进行仿真验证。

三、关键的实验步骤、实验中出现的问题和解决方案

1.CMM-30E图像金相显微镜使用与操作练习，重点放在视野定位、焦距调整和连续变倍等功能掌握。

2.对于未切割封装的裸圆片，先在低倍数放大状态下观察整体概貌；然后调高倍数，观察其中一块芯片（Chip），分清周围的划线槽和分布在芯片边缘的压焊点。

3.调节显微镜，在芯片内查找出对位标记和CDBar（特征尺寸线条），绘下图形的形状，测出有关的图形尺寸和间距。

由此，可确定此IC电路采用工艺的最小线宽和工艺容差。

4.仔细观察芯片图形的布局布线，找出电源线和地线（一般线条宽度较宽，并有多条支路与之相接）及其压焊点；再找出输入端或输出端，对于MOS电路，输入端一般都加二极管保护电路，可先查到有二极管保护电路的部分，分析与其相接的连线情况，确定输入端；输出端离输入端较远，应是从MOS管漏/源极引出，不会与MOS管栅极相接，由此初步确定为输出端，再根据附近的器件和布线情况加以确认。

5.根据在衬底和阱中的器件与电源线、地线的连接情况，判定此IC采用P阱还是N阱工艺：

如果阱及其保护环与电源相接，而衬底与地或负电源（双电源时）相接，则为N阱工艺；如相反，则为P阱工艺。

（注意分辨某些电路可能有阱电位浮空的情况出现）

6.确定了采用的工艺之后，进行版图中元器件的辨认。

首先分清铝线和多晶硅连线，电路中压焊点、电源线、地线以及较长的布线都是铝线；其他与铝线交叉“过桥”和作栅电极的为多晶硅。

多晶硅两侧是有源区，并有铝线引出的为MOS管；一段多晶硅下面无其他图形，两端用铝线分别引出的多晶硅或是为了解决与铝线交叉“过桥”，或是多晶硅电阻；如有大片的多晶硅覆盖扩散区，则为MOS电容。

7.根据以上的判别依据，提取出芯片上图形所表示的电路连接拓扑结构，并测出各自的尺寸，确定MOS管的W/L，如能进行芯片的纵向解剖，测出层厚、结深等参数，还可算出R、C的值。

8.先根据所学的电路原理检查所提取的电路是否有明显的连接错误，或违背基本原理的地方，复查，加以修正。

应用PSPICE等电路模拟器进行模拟仿真。

四、实验结论与心得

实验结论：

通过这次实验，学习并掌握了版图的识别与提取，完成了提取电路的整理。

通过该实验，学习了解IC内部结构及其主要工艺特点，加深感性认识，增强了实验与综合分析能力，

掌握学习、跟踪先进电路设计与制造技术的基本方法，进而为今后从事科研、开发工作打下良好基础。

一、实验目的和任务

运算放大器是一种直接耦合的高增益放大器，在外接不同反馈网络后，就组成不同的运算功能。

运算放大器除了可对输入信号进行加、减、乘、除、微分、等数学运算外，还在自动控制、测量技术、仪器仪表等各个领域得到广泛应用。

为了更好地使用运算放大器，必须对它的各种参数有一个较为全面的了解。

运算放大器结构十分复杂，参数很多，测试方法各异，需要分别进行测量。

本实验正是基于如上的技术应用背景和《集成电路原理与设计》课程设置及其特点而设置，目的在于：

（1）了解集成电路测试的常用仪器仪表使用方法及注意事项。

（2）学习集成运算放大器主要参数的测试原理，掌握这些主要参数的测试方法。

通过该实验，使学生了解运算放大器测试结构和方法，加深感性认识，增强学生的实验与综合分析能力，进而为今后从事科研、开发工作打下良好基础。

二、实验原理介绍

运算放大器符号如图1所示，有两个输入端。

一个是反相输入端用“”表示，另一个是同相输入端用“+”表示。

可以是单端输入，也可是双端输入。

若把输入信号接在“”输入端，而“+”端接地，或通过电阻接地，则输出信号与输入信号反相，反之则同相。

若两个输入端同时输入信号电压为V和V+时，其差动输入信号为VID=VV+。

开环输出电压Vo=AVOVID。

AVO为开环电压放大倍数。

运算放大器在实际使用中，为了改善电路的性能，在输入端和输出端之间总是接有不同的反馈网络。

通常是接在输出端和反相输入端之间。

图1运算放大器符号

1、开环电压增益

开环电压增益是指放大器在无反馈时的差模电压增益，其值为输出端电压变化量Vo和输入电压变化量的比值。

（1）

由于AVo很大，输入信号VI很小，加之输入电压与输出电压之间有相位差，从而引入了较大的测试误差，实际测试中难以实现。

测试开环电压增益时，都采用交流开环，直流闭环的方法。

测试原理如图2所示。

图2开环直流电压增益测试原理图

直流通过RF实现全反馈，放大器的直流增益很小，故输入直流电平十分稳定，不需进行零点调节。

取CF足够大，以满足RF>>l/CF，使放大器的反相端交流接地，以保证交流开环的目的。

这样只要测得交流信号电压vS和vo，就能得到

（2）

在信号频率固定的条件下，增加输入信号电压幅度，使输出端获得最大无失真的波形。

保持输入电压不变，增加输入电压频率，当输出电压的幅值降低到低频率值的0.707倍，此时频率为开环带宽。

2、输入偏置电流IIB

当运算放大器的输出电压为零（或规定值）时流入两个输入端偏置电流的平均值，为输入偏置电流IIB。

设两偏置电流为IIB1与IIB2，则

（3）

用图3测试，若vS＝0，K3断开，当K1闭合，K2断开，测得输出电压vo1。

当K2闭合,K1断开，又可测得输出电压vo2：

（4）

3、开环差模输入电阻RID

开环差模输入电阻RID是指差模输入电压变化与对应的输入电流变化之比。

其测试原理如图3所示。

在该图中，要取CF足够大，使交流短路，构成交流开环，而直流是闭环，稳定直流输出电压。

测试RID分两步进行，将低频正弦信号巧输入电路，先将K1、K2闭合，测得输出正弦信号v01=AVDv1，再将K1、K2断开，测得输出正弦信号v02，其值为

（5）

由此求得

（6）

输入正弦信号vS的频率一般不超过1KHz，以清除电容的影响。

R不宜太大，以减小噪声的影响。

4．开环输出电阻ROS

开环输出电阻ROS是指输出电压变化与其对应的输出电流变化之比。

仍用图3的电路进行测试。

测试分两步进行，先将K1、K2闭合，K3断开，送入低频正弦信号vs，测得输出v01=AVDv1，这里v1为输入端信号。

闭合K3，接入负载阻抗RL，再次测得输出电压v02为

（7）

5．输入失调电压VIO

由于运放电路参数的不对称，使得两个输入端都接地时，输出电压不为零，称为放大器的失调。

为了使输出电压回到零，就必须在输入端加上一个纠偏电压来补偿这种失调，这个所加的纠偏电压就叫运算放大器的输入失调电压，用VIO表示。

故VIO的定义为使输出电压为零在两输入端之间需加有的直流补偿电压。

输入失调电压的测量原理如图4所示。

图中直流电路通过RI和RF接成闭合环路。

通常RI的取值不超过100,RFRI，这时若测得输出电压为Vo1，就可推算出输入端的失调电压为

（8）

图4输入失调电压和失调电流测试原理图

6、输入失调电流IIO

IIO的定义为补偿失调电压后，使输出电压为零，而流入运算放大器两输入端的电流之差。

即

（9）

测试原理仍用图4，分两步进行。

第一步将K1、K2闭合，测得输出电压为VO1，，因这时的电路和测试输入失调电压完全一样，故可得:

。

第二步将K1、K2都断开，此时运放的两个输入端，除了失调电压VIO之外，还有输入电流Ib1和Ib2在电阻上所产生的电压，即。

若这时测得输出电压为VO2，根据前面的计算公式可知

（10）

由此可得

（11）

7、共模抑制比kCMR

运放应对共模信号有很强的抑制能力。

表征这种能力的参数叫共模抑制比，用kCMR表示。

它定义为差模电压增益AVD和共模电压增益AVC之比，即。

图5共模抑制比测试原理图

测试原理如图5所示。

由于RFRI,该闭环电路对差模信号的增益。

共模信号的增益因此，只要从电路上测出VO和VS，即可求出共模抑制比

（12）

kCMR的大小往往与频率有关，同时也与输入信号大小和波形有关。

测量的频率不宜太高，信号不宜太大。

8、最大共模输入电压VIVM

最大共模输入电压是指最大不失真共模输出正弦波电压时的共模输入电压。

其侧试原理仍用图5的电路。

测试方法是将VS由小到大逐渐增加，观察到输出波形刚出现失真时，记下这时输入信号值，就是最大共模输入电压。

由于输入电压加大后，kCMR将下降，故也有将VIVM定义为使kCMR下降6分贝的输入电压。

测试时可将两种定义的测试结果进行比较。

9、电压转换速率SR的测试

电压转换速率SR定义为运放在单位增益状态下，在运放输入端送入规定的大信号阶跃脉冲电压时，输出电压随时间的最大变化率。

图6电压转换速率测试原理图

SR的测试原理如图6（a）所示。

测试时取RI=RF，在输入端送入脉冲电压，从输出端见到输出波形，如图6（b）所示。

这时可以规定过冲量的输出脉冲电压上升沿（下降沿）的恒定变化率区间内，取输出电压幅度VO和对应的时间t，然后由计算公式求出

（13）

通常上升过程和下降过程不同，故应分别测出SR+和SR-。

10、脉冲响应时间的测试（或称为建立时间）

图7读取响应时间方法

脉冲响应时间包括上升时间，下降时间、延迟时间、和脉动时间等，测试原现仍如图6（a）所示，取RF＞RI，RI远大于信号源内阻、规定的误差带为2。

读取响应时间方法如图7所示。

其中tr为上升时间，tf为下降时间，td（r）为上升延迟时间，td（f）为下降延迟时间。

三、实验内容和步骤

1．开环电压增益测量；

*2．输入偏置电流测量；

*3．开环差模输入电阻测量。

4．开环输出电阻测量。