基于bandgap版图设计毕业论文.docx
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基于bandgap版图设计毕业论文
基于bandgap版图设计毕业论文
摘要
摘要
近年来随着IC设计要求的不断发展，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。
而集成电路中的bandgap可以在温度和电压不稳定的环境中保持稳定的参考电压，被广泛运用于比较器、A/D转换器等模拟电路及数模混合信号集成电路中，其性能直接影响整个系统的精度和性能。
因此，bandgap版图设计的研究非常有意义。
本文基于Cadence版图设计软件平台，采用XFAB0.6µmCMOS工艺设计。
设计的版图元件包括PMOS、NMOS、PNP三极管、电阻、电容。
其中对差分放大器、电流镜、电阻等重要元件采用了匹配和对称的设计方法，考虑电气特性的版图设计技术;为防止闩锁效应，本设计还运用了保护环保护整个电路，提高了bandgap电路的可靠性。
本设计对最终设计出的版图使用calibre验证工具进行LVS和DRC验证，并顺利通过验证。
关键字:
版图;带隙基准电压源;Cadence;匹配;验证
I
Abstract
ABSTRACT
Inrecentyears,alongwithICdesignrequestofcontinuouslydevelopment,IClayoutareessentialtoachievethedesignofintegratedcircuitmanufacturingsectors,itisnotonlyrelatedtotheIC'sfunctionsarecorrect,butalsogreatextentaffectICperformanceandcost.Butbandgapreferencevoltageofintegratedcircuitcankeepstabilityintheunsteadyenvironmentofthetemperatureandtheelectricvoltageofreferenceelectricvoltage,usedextensivelyincomparisonmachine,A/Dconversionmachineetc.analogelectriccircuitandsomemixturesignalintegratedcircuit.Itsfunctionisdirectlyinfluencethewholeaccuracyandfunctionofsystem.Therefore,theresearchwhichtakethelayoutdesignofthebandgapreferencevoltageisverymeaningful.
Thistext,accordingtothedesignsoftwareoftheCadenceaboutlayoutdesign,adoptsXFAB0.6µmCMOSofdesignrule.ThecomponentoflayoutdesignincludePMOS,NMOS,PNP,electricresistance,electriccapacity.TotheOP、currentand
resistancewhichareimportancecomponentsadoptlayoutdesigntechniqueofconsiderationelectricitycharacteristic;Toreducelatch-up,thisdesignstillusesguardringtoprotectthewholeelectriccircuit,improvingthecredibilityofbandgapreferencevoltage.
Intheend,thisdesigncarriedLVSandDRCofverificationtothelandscapeusedcalibreverificationtoolthatfinallydesignsandpassedaverificationsmoothly.KeyWords:
Layout;Bandgapreferencevoltage;Cadence;matching;Symmetry
II
第1章引言........................................................11.1选题背景及意义.................................................11.2国内微电子发展状况.............................................1第2章Bandgap简介..................................................32.1什么是Bandgap.................................................32.2Bandgap的原理.................................................32.3Bandgap的应用.................................................5第3章Virtuoso工具及版图绘制.......................................73.1Cadence软件介绍..............................................73.2Virtuoso工具的使用............................................83.2.1建立版图库...................................................83.2.2层选择窗的设置..............................................113.2.3版图编辑窗的设置............................................133.2.4Virtuoso的常用快捷键........................................14第4章Bandgap的版图设计..........................................174.1版图设计中的相关主题..........................................17
4.1.1器件的匹配规则............................................17
4.1.2匹配管子的版图设计........................................21
4.1.3电阻版图设计..............................................24
4.1.4倒比管版图设计............................................25
4.1.5双极型晶体管版图设计......................................26
4.1.6电容版图设计..............................................274.2全局规划（floorplan）..........................................28
III
4.2.1模块摆放....................................................284.3整体布线......................................................29第5章Bandgap电路版图验证.........................................315.1版图验证的概述................................................315.2版图的DRC验证................................................325.3版图的LVS验证...............................................35结束语.............................................................40参考文献...........................................................41致谢..............................................................42附录..............................................................44外文资料原文.......................................................48
IV
第1章引言
第1章引言
1.1选题背景及意义
随着IC工艺的发展,在模拟电路和数模混合电路中,片内集成的基准源电路已被普遍采用,它是集成电路中的一个重要模块。
产生基准的目的是建立一个与电源波动和工艺无关、具有确定温度特性的直流电压或电流。
为了提高电路的性能对基准源的要求越来越高。
而相应的版图设计也是至关重要的，它直接关系到基准源性能的好坏。
集成电路版图设计是连接集成电路工艺的桥梁，它在集成电路发展过程中起着重要作用。
随着特征尺寸的不断减小，使得版图设计中需要考虑的问题越来越多，对版图设计人员的要求也越来越高。
研究本课题从基础入手，一方面是电路和版图理论知识的学习，另一方面是EDA工具的应用实践，理论与实践相结合能够帮助我轻松了解IC后端设计的全过程，熟练运用Cadence工具进行版图设计和验证以及掌握版图设计的基本方法和技巧。
这将对所学知识的巩固和今后从事相关工作有很大帮助。
1.2国内微电子发展状况
随着全球信息化、网络化和知识化经济浪潮的到来，集成电路产业的战略地位越来越重要，它已成为事关国民经济、国防建设、人民生活和信息安全的基础性、战略性产业。
特别是近几年来，在世界半导体产业环境不断改善，集成电路的性能以惊人的速度向快速和微型方面发展，其发展潜力、高技术含量和广阔的市场都令人叹为观止。
与此同时，中国集成电路产业也已经开始快速发展，正在努力向世界技术前沿靠拢。
也就是说，我们中国的IC产业已经初具规模，并且正处在一个摆脱一味只是集中在制造和消费方面而向核心技术领域转型的一个关键阶段，所有的IC精英们正在齐心协力打造中国自己的“中国芯”，争取早日扭转在内核技术上受制于人的局面，这是每一个IC精英义不容辞的责任，同时也是产业调研的最大目的。
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第1章引言
随着我国国民经济的持续高速增长,蓄势多年的我国IC产业出现了勃勃生机,呈现群体发展态势。
我国在2002年底前,共有3条8英寸生产线,6条6英寸线,6条5英寸线,10条4英寸线。
2003年正在建设的有5条8英寸线,2条6英寸线。
正在筹建的有1条12英寸线,8条8英寸线,6条6英寸线,1条5英寸线。
这些生产线的建立将有助于缩小我国与世界先进水平的差距。
目前我国IC芯片制造企业有49家,其中综合制造企业40家,委托加工6家,相对集中在长江三角洲地区、京津地区和珠江三角洲地区。
近几年我国IC产业取得了一定的进步,2001年国产IC的产我国的集成电路（IC）产业近年来发展非常迅速，对IC设计人才的需求日益趋膨胀，尤其在版图设计方面的人才更是紧缺，因此，版图设计的培养就越来越迫切。
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第3章Virtuoso工具及版图绘制
第2章Bandgap简介
本章主要介绍Bandgap的基本知识。
首先给出Bandgap的定义;然后对其原理及运用进行说明，重点讲述带隙基准源的原理;最后用具体例子阐述基准源的实际应用。
本章是本课题的一个理论基础，具有一定的电路知识将对后面的版图设计有较大帮助。
2.1什么是Bandgap
Bandgapvoltagereference中文翻译为带隙基准电压源，也常常有人简单地称它为Bandgap。
是利用一个与温度成正比的电压与二极管压降之和，二者温度系数相互抵消，实现与温度无关的电压基准。
因为其基准电压与硅的带隙电压差不多，因而称为带隙基准。
实际上利用的不是带隙电压。
现在有些Bandgap结构输出电压与带隙电压也不一致。
模拟电路广泛的包含电压基准和电流基准。
这种基准是直流量，它与电源和工艺参数的关系很小，但与温度的关系是确定的。
产生基准的目的是建立一个与电源和工艺无关，具有确定温度特性的直流电压或电流。
在大多数应用中，所要求的温度关系采取下面三种形式中的一种:
1）与绝对温度成正比;
2）常数Gm特性，也就是，一些晶体管的跨导保持常数;
3）与温度无关。
要实现基准电压源所需解决的主要问题是如何提高其温度抑制与电源抑制，即如何实现与温度有确定关系且与电源基本无关的结构。
由于在现实中半导体几乎没有与温度无关的参数，因此只有找到一些具有正温度系数和负温度系数的参数，通过合适的组合，可以得到与温度无关的量，且这些参数与电源无关。
2.2Bandgap的原理
Bandgap广泛应用于电源调节器、A,D和D,A转换器、数据采集系统，以及各种测量设备中。
它的原理是通过合理的电路设计，设法利用正、负温度系数相
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第3章Virtuoso工具及版图绘制
互抵消来补偿Vbe随温度变化对输出电压的影响，以获得接近零温度系数的基准源。
它可以在温度和电压不稳定的环境中保持稳定的参考电压，被广泛运用于模拟电路及数模混合信号集成电路中。
图2-1为带隙基准电压源的原理示意图。
双极性晶体管的基极-发射极电压VBE，具有负的温度系数，其温度系数一般为-2（2mV,K。
而热电压VT具有正的温度系数，其温度系数在室温下为十0（085V,K。
将VT乘以常数K并和VBE相加就得到输出电压VREF:
将式
（1）对温度T微分并代入VBE和VT的温度系数可求得K，它使VREF的温度系数在理论上为零。
VBE受电源电压变化的影响很小，因而带隙基准电压的输出电压受电源的影响也很小。
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第3章Virtuoso工具及版图绘制
传统带隙基准源结构能输出比较精确的电压，但其电源电压较高（大于3V），且基准输出范围有限（1（2V以上）。
要在1（8V以下的电源电压得到1（2V以下的精确基准电压，就必须对基准源结构上进行改进和提高。
图2-1带隙基准源原理示意图
图2-2典型的CMOS带隙基准电压源
2.3Bandgap的应用
几乎在所有先进的电子产品中都可以找到基准源，它们可能是独立的、也可能集成在具有更多功能的器件中。
比如:
在数据转换器中，基准源提供了一个绝
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第3章Virtuoso工具及版图绘制
对电压，与输入电压进行比较以确定适当的数字输出。
在电压调节器中，基准源提供了一个已知的电压值，用它与输出作比较，得到一个用于调节输出电压的反馈。
在电压检测器中，基准源被当作一个设置触发点的门限。
下面再举两个更具体的例子来加以说明。
例:
ADC中的基准电压源
“模拟数字转换”的意思，如果要把模拟信号量化，就要有一个量ADC就是
化标准。
比如16位的ADC可以量化出来65536个电平级别，但是每一级实际对应的电压在不同的基准源下就不一样了。
如果使用3.2768V的基准源，允许正负输入的情况下，那么每个量化级所表示的电压相差0.1mV，即0.0001V，但同样的环境，基准源是6.5536V的话，则每级相差0.2mV了。
从ADC的原理上来说，以常见的SLOPE法为例，都是要通过以保持中的信号电压向电容充电后进行放电，并把这个时间与基准源充电后的放电时间进行比较而得到的，没有基准源，就无法知道本次放电时间对应的电压是多少了。
此例中基准源给ADC电路提供了一个参考电压，基准源的精度越高，ADC量化模拟信号的精度也就越高。
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第3章Virtuoso工具及版图绘制
第3章Virtuoso工具及版图绘制
本章是本课题的一个重点，主要介绍版图绘制工具Virtuoso的使用以及版图设计中的相关主题。
所谓版图就是在制造集成电路时使用的掩膜版上的几何图形，它是一组相互套合的图形，各层版图相应于不同的工艺步骤，每一层版图用不同的图案来表示。
集成电路的版图设计是指根据电子电路性能的要求和制造工艺的水平，按照一定的规则，将电子线路图设计成为光刻掩膜版图。
版图设计是连接电路系统和制造工艺的桥梁，是发展集成电路必不可少的重要环节。
3.1Cadence软件介绍
Cadence是CADENCE公司生产的集成电路设计产品的总称，是具有强大功能的大规模集成电路设计辅助设计系统。
作为流行的EDA设计工具，Cadence可以完成各种电子设计，包括ASIC设计，FPGA设计和PCB设计。
它是全球最大的电子设计技术（ElectronicDesignTechnologies）、程序方案服务和设计服务供应商之一。
Cadence公司还提供设计方法学服务，帮助客户优化其设计流程;提供设计外包服务，协助客户进入新的市场领域。
自1991年以来，该公司已的销售业绩一直占据EDA行业的第一位置。
Cadence版图设计工具VirtuosoEditor是一个包含电路设计、仿真验证、版图绘制、数据导入导出等多种设计工具的综合性设计平台。
它支持参数化单元，是一个很好的特性。
Cadence集成了版图验证工具diva，即本设计所使用的版图验证工具。
Virtuoso定制设计平台是一个全面的系统，能够加速差异化定制芯片的精确设计。
个人消费电子和无线产品已经成为当今世界电子市场的主导力量。
这些设备对于新功能和特性的无止境的要求促进了RF、模拟和混合信号应用设备的前所未有的发展。
为创造满足该需求的新产品，IC设计师必须掌握精确的模拟数值——电压、电流、电荷，以及电阻与电容等参数值的持续比率。
这就是企业采用定制设计的时候。
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第3章Virtuoso工具及版图绘制
全定制设计在让性能最大化的同时实现了面积和功耗的最小化。
尽管如此，它需要进行大量的手工作业，需要一批有着极高技能的特定的工程师。
此外，定制模拟电路对于物理效应更为敏感，而这在新的纳米工艺节点上进一步得以加强。
为简化设计定制IC的流程，并将其整合到终端产品中，半导体和系统公司需要精密的软件和流程方法，以达成迅速上市和迅速量产的目标。
CadenceVirtuoso定制设计平台提供了极其迅速而保证芯片精确的方式，进行定制模拟、RF和混合信号IC的设计。
主要优点:
1）通用数据库上的集成产品，解决了跨越各工艺节点的复杂设计要求;
2）自动化约束管理有助于维持流程内以及广泛分布于设计链内的设计意图;;
3）高速全面的模拟引擎实现约束精炼;
4）全新的底层编辑器让设计团队可以在芯片实现之前探索多种设计结构;
5）新的版图布置技术和DFM相结合，提供了尽可能最佳、最具差异化的定制芯片。
3.2Virtuoso工具的使用
3.2.1建立版图库
1.在自己的homedirectory下新建一个项目目录，如jzhu’shome。
在jzhu’shome下新建layout文件夹。
把图层技术文件（.tf文件）、版图显示文件（.drf文件，注意一定要命名为display.drf）等技术文件拷贝到layout目录下。
2.在layout目录下启动Cadence。
3.建library:
（1）在CIW框中点击File?
New?
Library,弹出对话框，如图3-2所示（也可以在库管理器中建库）。
填写新库名。
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第3章Virtuoso工具及版图绘制
图3-1建立新库
在弹出的对话框中有3项关于技术文件的选择。
在TechnologyFile选项中选择第一个，即“Compileanewtechfile”，点击“OK”按钮，出现LoadTechnology
File对话框（见图3-2）。
在ASCIITechnologyFile文本区输入技术文件名，如xfab.tf，单击“OK”按钮，报告技术文件加载成功。
图3-2加载技术文件
（2）如果需要建单元，选择TechnologyFile选项中的“Attachtoanexisting
techfile”,出现“AttachDesignLibrarytoTechnologyFile”对话框，在TechnologyLibrary文本区打开下拉菜单选择需要的技术库，单击“OK”按钮即可完成建库。
（3）对已有的库进行添加时，选择库管理器中Edit?
LibraryPath...,填写库名和路径并保存。
或直接在cds.lib文件中加语句“DEFINE库名路径”。
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第3章Virtuoso工具及版图绘制
4.自己的库建好以后，还需要在库中建自己需要的单元。
用命令File?
New?
Cellview...，出现“CreateNewFile”对话框（见图3-3）。
图3-3单元库的建立
在对话框中，库名选为03_rabbit，本设计是要设计bandgap电路的版图，在CellName文本区输入bandgap。
将Tool选为Virtuoso，则ViewName自动生成Layout，点击“OK”按钮，屏幕则会弹出版图编辑窗（virtuosoLayoutEditing）和层选择窗（LSW）。
如图3-4所示。
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第3章Virtuoso工具及版图绘制
图3-4层选择窗和版图编辑窗
3.2.2层选择窗的设置
1.设置层符号
在层选择窗（LSW）中，点击Edit?
SetValidLayers...,出现如3-5图的对话框。
点选某图层符号右边的小正方形，决定是否将该图层符号显示在LSW上。
选Edit?
Save可对设置进行保存。
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第3章Virtuoso工具及版图绘制
图3-5SetValidLayers对话框
2.设置层符号的颜色和图案
在LSW中，点击Edit?
DisplayResourceEditor,出现如图3-6的对话框。
图3-6DisplayResourceEditor对话框
在Application设置为Virtuoso，在TechLibName中选择技术库，对话框中就出现了层图
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