集成电路原理实验指导书.docx

1、集成电路原理实验指导书电子科技大学 微电子与固体电子学院实验指导书课程名称： 集成电路原理 电子科技大学教务处制表实验一 集成运算放大器参数的测试一、实验目的与意义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

2、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= V- - V+ 。开环输出电压

3、V0=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V0和输入电压变化量 （1）由于AV0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，从而引人了较大的测试误差，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

4、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）在讯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vS0， k3 断开，当k1闭合， k2断开，测得输出电压v01。当k2闭合, k1断开，又可

5、测得输出电压 vo2 ： （4）3 、开坏差模输入电阻 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。图3 开环差模输入电阻和输出电阻测试原理测试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

6、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

7、通过 RI 和 RF 接成闭合环路。通常RI的取值不超过 100 , RF RI，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IIOIIO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V01，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

8、（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 RF RI ,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V

9、S 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 电压转换速率侧试原理图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

10、压幅度V0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、脉冲晌应时间的测试（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 RFRI，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。 5 输入失调电压测量。 * 6

11、输入失调电流测量。7 共模抑制比测量。 8 电压转换速率测量。9 脉冲响应时间测量。注：前面加*的参数测试为选作内容，根据个人的进度而定，其他参数测试必做。四、实验步骤以图 8 所示的电路进行参数测试，步骤如下：图8 运算放大器参数测试电路1、测试运放的开环特性参数用图 8 ( a ）电路。测试时将K2接输入信号， K1 接电容。 K3 、K4 根据需要可接入 RL 和CL。参照实验原理进行各个参数的测试。 2、测试大信号脉冲参数也采用图 8 ( a ）的电路。测试时将 K2 接电阻， K1接脉冲信号源，RI根据需要选取，从输入和输出脉冲波形中读取各个有关脉冲的参数。测试时可利用 K3和 K4

12、接入负载RL和 CL 以观察 RL 和 CL 对脉冲参数的影响。 3、测试失调特性参数和共模特性参数都采用图8 ( b）的电路。图中的AT 为被测电路， A 为辅助电路。若采用单电路测试方法，可将K6和 K7断开， K5闭合。变换开关位置，即可测试各个参数。 4 、在图 8 ( b）中将K4、 K8 接地，分别在 K1断开， K2闭合和 K1闭合、 K2 断开两种情况下，测出辅助放大器的输出电压vo1 和vo2，代入式（4）中，即可计算出IIB。测VID和IID 时，都是将K4、 K8 接地，通过 K1 和 K2的闭合断开，测出辅助放大器的输出电压VO1和VO2，计算VIO 和IIO。，测试共

13、模特性参数时，将 K 1，K2闭合，K4接地，从K8 送入正弦信号VS，测出辅助放大器的输出电压VL ,计算出KCMR。五、实验仪器与器材（1）直流稳压电源 一台（2）数字双踪示波器* 一台（3）信号发生器 一台（4）实验测试板及连接线 一套（5）常见通用运算放大器IC样品 一块 六、实验报告1、 示波器、信号源等常用测试设备的操作方法与技巧总结。2、 将有关输入、输出波形描绘下来，详细记录各个测试数据。3、 根据实验内容和要求对实验数据进行处理并作相应的计算，总结测试过程中应注意的问题。实验学时：4学时实验二 集成电路版图识别与提取一、实验目的与意义随着IT产业的迅猛发展，微电子集成电路在通

14、讯、计算机及其他消费类电子产品中的重要地位日益突出，而IC的生产和设计技术水平是决定IC芯片性能的两大要素。目前，IC设计主要沿正向和逆向设计两条技术路线继续发展，其中逆向设计在通用类IC和某些低端产品的研发方面尚有十分重要的意义。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

15、图形识别、电路拓扑结构提取。（4）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： 三、实验内容1、 Motic SMZ体视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CD Bar（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，

16、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。四、实验步骤1、Motic SMZ体视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CD Bar（特征尺寸线条），

17、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

18、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

19、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。五、实验仪器与器材（1）可连续变倍体视显微镜 一台（2）探针台* 一台（3）晶体管特性图示仪* 一台（4）模拟双踪示波器* 一台（5）镊子、干燥器皿（含干燥剂）（6）常见通用数字/模拟IC样品 一块 （7）微机 34台（8）版图编辑软件 一套（9）打印机 一台* 如要作电路特性及相关参数测试，以配合对提取所得电路进行验证，则应配备此项设备。六、实验报告1、 显微镜的操作方法与技巧总结。2、 绘出芯片的对位标记和CD条的图形。3、

20、对芯片版图中电阻、电容、MOS管等元器件进行识别，并说明判别依据；并电路提取。总结提取过程中应注意的问题。4、 掌握LEDIT版图编辑器的使用和基本技巧，明确各版次含义，和相关的设计规则。实验学时：4学时实验三 CMOS模拟集成电路设计与仿真一、实验目的与意义随着IT产业的迅猛发展，微电子集成电路在通讯、计算机及其他消费类电子产品中的重要地位日益突出，而IC的生产和设计技术水平是决定IC芯片性能的两大要素。目前，IC设计主要沿正向和逆向设计两条技术路线继续发展，该实验为正向设计中的必须环节，使学生能基本掌握IC正向设计与电路仿真的流程。本实验是基于微电子技术应用背景和集成电路原理与设计课程设置

21、及其特点而设置，为IC设计性实验。其目的在于： 根据实验任务要求，综合运用课程所学知识自主完成相应的模拟集成电路设计，掌握基本的IC设计技巧。 学习并掌握国际流行的EDA仿真软件Cadence的使用方法，并进行电路的模拟仿真。通过该实验，使学生掌握CMOS模拟IC设计的流程，加深对课程知识的感性认识，增强学生的设计与综合分析能力，掌握自主进行模拟集成电路设计与仿真的基本方法，进而为今后从事科研、开发工作打下良好基础。二、实验原理2.1 IC设计与制造的主要流程2.2 基于Cadence 平台的电路设计与仿真2.2.1 Cadence 环境的调入 1、在 UNIX 操作系统的Terminal窗口

22、下 cd user/userxxx/ Project icms& 或icfb& 2、出现CIW(command Interpreter window)命令解释画面3、点选在CIW窗口的上面工具列ToolsLibrary Manager，会出现LM窗口LM(Library Manager)2.2.2 建立新的Library1. 点选LM窗口上面的工具列FileNewLibrary2. 会产生New Library画面3. 出现右图画面1. 在name填上Library名称2. 点选下面的OK4. 出现Load Technology File窗口，添加工艺文件1. 选择Attach to an e

23、xisting techfile2. 点选上面的OK 在弹出的对话框中，Technology Library选择为umc18。2.2.3 建立Cell View1、 建立Schematic view：先点选要LM窗口预定的library，再点选LM窗口的FileNewCell view，按OK之后，即可建立Schematic View2、若Schematic View已存在，在LM窗口用鼠标左键点选Library的OpAmp再点选cell的opa再连续点选view的schematic两次，或是用右键open,即可开启schematic窗口。3、点选Schematic窗口上面的指令集AddIns

24、tance，出现Add Instance窗口再点选Add Instance窗口的Browser，选择analoglib中常用的组件常用组件analoglib PMOS pmos4 NMOS nmos4 电容 cap 正电压Vdc 正弦电压 Vsin直流电源 Idc 接地 Gnd 选完所需的组件之后, 利用narrow wire 将之线路接起来.完整的电路拓扑结构。 点选 nmos 再选 properties (按 q 键 ) , 标明 model name ,width ,length, 同理 for pmos，Model name 是以width,length 来决定用那一个model ,

25、可由models目录下的README 中得知,比如L=1um W=1um for nmos和 pmos 经查阅可用 (ng, pg) 等等. 最后 Design Check and Save , 若有error 则schematic view 上有闪动 ,此时可选 Check Find Marker 来看 error 的原因.2.2.4 由Schematic产生symbol1. 打开Schematic view2. 点选Schematic窗口上面指令集的DesignCreate cellviewFrom cellview按OK按OK3. 点选 partName 按 q 键 出现 propert

26、ies 的对话盒把partName，依电路的特性改成所要的name 比如 opa 等.4.可用 ADD shape内的各种形状来修饰这symbol的外观.5.完成之后, Check-Cross View check, 然后 Design save6. 按照以上步骤来产生的symbol必须注意的若更改 schematic 的input, output label, 且必须更改其 symbol的input, output label, 不然会发生闪动的error2.2.5 仿真环境Affirma Analog Circuit design Environment的调用1、主菜单中点击 Affirm

27、a Analog Circuit design Environment，出现如下界面2、加载model文件。在主菜单中点选SetupModel Libraries，在Model Library Setup对话框中，找到相应的lib文件，选择Add，再选择OK。加载完毕后如下图所示。3、DC分析设置1、 设置需扫描的元件，如Vdd电压源2、 设定扫描范围，0-3.3V3、 选定Enable仿真环境窗口显示设置情况：在主菜单中，选择SimulationNetlist and Run，进行仿真。4、瞬态分析Trans参数设置类似于DC分析，设置瞬态分析的起止时间Start time & Stop t

28、ime、分析步长Step等。设置后的窗口状态如下图所示。5、交流分析（AC）设置交流分析的起止频率Start-Stop等。设置后的窗口状态如下图所示。 完成仿真后，如下图操作方式，再选择输出端，按Esc，查看仿真结果。2.3 参数调试与优化设计对照设计指标要求，根据仿真结果的情况，对工作点设定、偏置电流、器件宽长比及负载大小等进行调试，以达到预定的性能指标。三、实验内容与实验步骤2、 UNIX操作系统常用命令的使用，Cadence EDA仿真环境的调用。2、 设计一个运算放大器电路，要求其增益大于40dB, 相位裕度大于60，功耗小于10mW。3、根据设计指标要求，选取、确定适合的电路结构，并

29、进行计算分析。4、电路的仿真与分析，重点进行直流工作点、交流AC分析、瞬态Trans分析、建立时间小信号特性和压摆率大信号分析，能熟练掌握各种分析的参数设置方法。5、电路性能的优化与器件参数调试，要求达到预定的技术指标。6、整理仿真数据与曲线图表，撰写并提交实验报告。四、实验仪器与器材（1）工作站或微机终端 一台（2）局域网（3）EDA仿真软件 1套五、实验报告4、 电路设计思路与分析。5、 仿真流程与心得体会。6、 分析调试过程中出现的问题与解决方案。7、 总结，按实验报告格式完成报告。8、 实验方式是一人一机，所以实验报告必须是自己的工作，如是小组合作完成，需标明本人在其中承担的工作。实验

30、学时：4学时实验四 模拟集成电路版图设计与验证一、实验目的与意义随着IT产业的迅猛发展，微电子集成电路在通讯、计算机及其他消费类电子产品中的重要地位日益突出，而IC的生产和设计技术水平是决定IC芯片性能的两大要素。该实验是正向设计中电路仿真完成之后、工艺制版之前的必须环节，与其他实验相结合，可以使学生对当前国际主流的IC设计技术流程有较完整的认识。本实验是基于微电子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，为IC设计性实验。其目的在于： 根据实验任务要求，综合运用课程所学知识自主完成相应的模拟集成电路版图设计，掌握基本的IC版图布局布线技巧。 学习并掌握国际流行的EDA仿真软件Cadence的使用方法，并进行版图的的设计与验证。通过该实验，使学生掌握CMOS模拟IC版图设计的流程，加深对课程知识的感性认识，增强学生的设计与综合分析能力，掌握自主进行模拟集成电路版图设计与验证的基本方法，进而为今后从事科研、开发工作打下良好基础。二、实验原理2.1 IC设计与制造的主要流程2.2 基于Cadence 平台的电路设计与仿真2.2.1 Cadence 环境的调入1、 在 UNIX 操作系统的Terminal窗口下 setenv DISPLAY 100.100.21:0 (注意：100.100.100.21是