CMOS模拟集成电路全流程设计

本书理论与实践并重，为读者提供CMOS模拟集成电路全流程设计的理论与实践指导，以及与设计流程有关的背景知识和重要理论分析，同时配有相关的设计训练，包括具体案例和EDA 软件的操作与使用方法。本书搭建完整的知识体系，帮助读者全面了解和掌握模拟集成电路设计的理论与方法。本书不仅包括从器件版图结构原理到芯片设计的完整流程，而且还对集成电路设计中重要的实际问题进行了分析和讨论，使读者得到完整的理论与实践指导，从而具备直接从事CMOS 模拟集成电路设计工作的基本能力。
本书可为集成电路行业从业人员提供参考，同时也可以供相关专业学生学习使用。

李金城
北京交通大学副教授，中国科学院微电子所博士，清华大学电子系博士后，长期从事集成电路教学和科研工作，在模拟集成电路设计和数字集成电路设计领域都具有丰富的教学和实践经验。主要研究领域包括混合信号集成电路设计、卫星导航芯片设计。主持和参加了多项国家自然基金项目，并拥有多项发明专利。

适读人群 ：集成电路从业者、相关专业师生
★构建模拟电路全流程设计的完整知识、实践体系
★掌握从原理分析、芯片设计、版图技巧到工程实践的工作能力
本书搭建了模拟集成电路设计的完整知识体系。
提供了模拟集成电路全流程设计的理论与实践指导。
帮助读者全面了解和掌握模拟集成电路设计的理论与方法。不仅包括从器件版图结构原理到芯片设计的完整流程，而且还对集成电路设计中重要的实际问题进行了分析和讨论，以及包括设计流程有关的背景知识和重要理论分析，同时配有相关的设计训练，包括具体案例和EDA软件的操作与使用方法，使读者具备直接从事CMOS模拟集成电路设计工作的基本能力。

集成电路产业是信息技术产业的核心，是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业。加快推进集成电路产业发展，对转变经济发展方式、保障国家安全、提升综合国力具有重大战略意义。发展集成电路产业已上升为国家战略，拥有强大的集成电路产业和领先的技术，已成为实现科技强国、产业强国的关键标志。
集成电路可以大体划分为模拟集成电路和数字集成电路两大类，它们既相互独立，又相辅相成，在电路系统中都发挥着不可替代的作用。随着集成电路工艺水平的提高，数字集成电路的信号处理能力越来越强，大有“一统天下”的趋势，但是自然界中的信号是模拟信号，人们能够感知的信号也是模拟信号，数字电路无法直接处理，必须通过模拟电路将其进行模-数、数-模转换，所以模拟集成电路将会伴随着数字集成电路一直存在下去。
模拟集成电路的重要作用不只限于模-数、数-模转换，还包括放大、滤波、存储和电源管理等很多方面，而且数字集成电路内部也必须由很多模拟电路进行辅助。另外，虽然数字集成电路设计过程中的自动化程度很高，但其所依靠的标准逻辑单元和输入/输出单元等器件也是用模拟集成电路的技术实现的。因此，可以说没有模拟集成电路设计，就没有数字集成电路设计，而且无论集成电路工艺发展到哪个工艺节点，模拟集成电路设计的基本理论与方法都不会过时。
本书各章将以CMOS模拟集成电路设计流程为主线，讲述CMOS集成电路工艺与器件、Spice原理与仿真、工艺角与PVT仿真、版图设计技术与常用技巧以及DRC、LVS、RCX/PEX和后仿真。同时在此基础上介绍了一个四运放芯片设计案例，内容涵盖了共源放大器原理、MOS器件参数获取方法、运算放大器基本结构分析、运算放大器设计指标计算与仿真、版图设计与验证、寄生参数提取与后仿真、芯片整体规划、Padframe搭建和芯片整体版图设计与验证，以及MPW流片、封装与测试等全部内容，充分引导读者完成一个完整的CMOS模拟集成电路设计流程。同时，本书电路图形符号形式与软件保持一致。
CMOS模拟集成电路有几个特殊的专有问题需要考虑，它们对电路的性能和可靠性至关重要，其中主要包括金属电迁移（ElectroMigration，EM）、电压降（IR Drop）、静电放电（Electro-Static Discharge，ESD）、闩锁（Latch-up）、保护环（Guardring）和版图匹配（Layout Matching）等，以及与工艺相关的沟道效应（Channelling Effect）、阴影效应（Shadowling Effect）、阱邻近效应（Well Proximity Effect，WPE）和浅沟槽隔离（ShallowTrench Isolation，STI）等对版图匹配的影响。本书用专门的章节对上述问题进行了讨论，并给出了常用的解决方案，以帮助读者避免因此类问题造成的设计缺陷和电路隐患。
本书的章节安排涵盖原理图输入到后仿真，是一个十分完整的设计流程。对流程中的每个设计步骤先介绍原理，再结合案例给出EDA软件的操作方法，具有完整的可操作性。带隙参考源和运算放大器是学习模拟集成电路设计必备的基础，书中用较大的篇幅对其进行了原理性分析、设计和仿真，努力做到重点突出，理论与实践并重。本书内容由浅入深，力求把复杂问题简单化，并且为了便于理解和记忆，对很多重要公式、方法和结论等进行了分类和归纳。同时为了减少在学习过程中对文献的考证量，并降低对集成电路设计先修课程的依赖程度，本书对相应的背景知识和基本原理都进行了介绍，使各部分内容独立成章，自成体系。
学习和完成每章中的实验，并经过反复实践和练习后，读者将能够熟练地使用EDA软件，独立完成CMOS模拟集成电路的整个流程。电路理论部分可以使读者掌握带隙参考源和运算放大器的基本电路结构和工作原理，能够对带隙参考源进行温度系数仿真，能够对运算放大器进行单位增益带宽、相位裕度，以及其他重要设计指标的仿真，并可根据仿真结果对电路进行调整和优化。通过本书中的四运放芯片设计案例，读者可以了解芯片的设计、流片、封装和测试的基本过程，并掌握CMOS模拟集成电路从原理图到芯片的整个过程。
学习本书一定要理论与实践并重，对书中各章的实验要亲自动手实践，只有这样才能真正掌握CMOS模拟集成电路全流程设计的理论与方法，并能熟练地使用EDA软件完成各个设计步骤。通过动手实践不仅能建立感性认识，提高熟练程度，而且还能提高职业敏感性，减少常见的操作失误，避免常见错误，同时亲身感受设计过程中可能出现的困难和问题，也能有效提高设计实践的自信心。
另外，希望读者学习本书时要反复实践，不仅要学会使用EDA软件完成整个设计流程，而且还要做到脱离书本和熟练使用，以便为今后专注于电路理论深造和电路设计优化打下坚实的基础。如果连基本流程都没走过或者走不通，创新与优化根本无从谈起，一切都只是纸上谈兵，面对实际项目依然是一个新手，在设计过程中会错误百出，失误不断，工作效率低下，导致项目进展缓慢，干劲和热情也可能随之消失。
本书可以作为集成电路专业高年级本科生和研究生的学习参考书，有效地把完整的设计流程和系统的理论体系融合起来，帮助读者在理论和实践方面共同提高。由于目前我国集成电路领域不仅人才严重短缺，而

前言
第1章　CMOS模拟集成电路设计概述1
1.1　 CMOS 模拟集成电路设计的重要性与挑战 1
1.2　 CMOS 模拟集成电路设计流程简介 2
1.3　 如何学好模拟集成电路设计 2
1.4　 必备的shell 命令和vi 基础 3
1.5　 本章小结 8
知识点巩固练习题 8
第2 章　 CMOS 器件与原理图输入 10
2.1　 半导体与CMOS 工艺 10
2.2　 MOS 管 15
2.3　 CMOS 电阻 19
2.4　 CMOS 电容 25
2.5　 CMOS 电感 30
2.6　 CMOS 二极管 31
2.7　 CMOS 双极晶体管 33
2.8　 CMOS 工艺PDK 35
2.9　 有源负载共源极放大器原理图输入 36
2.10　 Library、Cell 和View 46
2.11　 symbol view 的自动生成方法 48
2.12　 schematic entry 注意事项 52
2.13　 本章小结 53
知识点巩固练习题 53
第3 章　 Spice 原理与Cadence 仿真 54
3.1　 Spice 简介 54
3.2　 Spice 器件模型 55
3.3　 Spice 基本语法举例分析 55
3.4　 Spice 文件结构 58
3.5　 静态工作点仿真（.op）与直流扫描仿真（.dc） 59
3.6　 直流二重扫描与MOS 管I-V 特性曲线 67
3.7　 瞬态仿真（.tran） 72
3.8　 交流仿真（.ac）和常用波形操作技术 80
3.9　 工艺角仿真和波形显示方法 88
3.10　 温度扫描与带隙参考源入门 96
3.11　 PVT 仿真 117
3.12　 蒙特卡罗分析 123
3.13　 噪声原理与噪声分析（.noise） 128
3.14　 Spice 仿真收敛问题 138
3.15　 本章小结 140
知识点巩固练习题 140
第4 章　 版图基本操作与技巧 142
4.1　 元件例化与单层显示 142
4.2　 打散Pcell 分析图层属性 146
4.3　 画矩形和多边形 150
4.4　 移动、复制、旋转与镜像翻转 151
4.5　 拉伸与切割 152
4.6　 精确尺寸与严格对齐 153
4.7　 打孔与跨层画线 161
4.8　 保护环原理与Multipart Path 自动画法 163
4.9　 合并与组建cell 174
4.10　 Edit in Place 176
4.11　 版图操作综合练习 177
4.12　 本章小结 180
知识点巩固练习题 181
第5 章　 版图设计、验证与后仿真 183
5.1　 版图设计规则 183
5.2　 版图平面规划与布局布线 186
5.3　 CS_stage 版图设计 188
5.4　 CS_stage DRC 190
5.5　 CS_stage LVS 195
5.6　 CS_stage RCX/PEX 201
5.7　 CS_stage 后仿真 209
5.8　 CS_stage 版图的导出与导入 214
5.9　 本章小结 216
知识点巩固练习题 216
第6 章　 版图设计的重要问题与优化处理方法 218
6.1　 金属电迁移与电压降 218
6.2　 静电放电 219
6.3　 闩锁效应 221
6.4　 天线效应 223
6.5　 金属密度和多晶硅密度 224
6.6　 浅槽隔离及其扩散区长度效应和扩散区间距效应 225
6.7　 倾斜角度离子注入与阴影效应 226
6.8　 阱邻近效应 227
6.9　 栅间距效应 227
6.10　 版图匹配 228
6.11　 源漏共用与棒图 240
6.12　 版图优化的设计原则与方法 243
6.13　 版图设计的可制造性设计 245
6.14　 本章小结 247
知识点巩固练习题 247
第7 章　 IO Pad 249
7.1　 钝化窗口与Bonding 249
7.2　 IO Pad 结构 250
7.3　 Pad 库 251
7.4　 Padframe 257
7.5　 芯片封装 259
7.6　 本章小结 260
知识点巩固练习题 260
第8 章　 差分运算放大器原理与全流程设计案例 262
8.1　 共源极放大器分析基础 262
8.2　 差分运算放大器结构分析 270
8.3　 相位裕度与密勒补偿 274
8.4　 gm、W/L 及μnCOX 的计算 282
8.5　 运算放大器主要性能指标 291
8.6　 折叠式共源共栅放大器电路设计与仿真 312
8.6.1　 设计指标 312
8.6.2　 电路结构规划 312
8.6.3　 手工计算 314
8.6.4　 原理图输入与仿真 319
8.6.5　 PVT 仿真与优化 330
8.6.6　 其他设计指标的仿真 336
8.7　 二级折叠式共源共栅放大器版图设计与后仿真 359
8.7.1　 器件形状调整与局部版图单元划分 359
8.7.2　 单器件版图单元设计 360
8.7.3　 匹配器件版图单元设计 364
8.7.4　 主体单元布局与布线 369
8.7.5　 功能模块版图单元设计 370
8.7.6　 版图的后处理 373
8.7.7　 寄生参数提取与后仿真 374
8.8　 本章小结 375
知识点巩固练习题 376
第9 章　 四运放芯片设计与COB 封装测试 377
9.1　 Padframe 规划与顶层电路设计 377
9.2　 创建Pad 版图、符号图和电路图 379
9.3　 Padframe 版图设计与验证 387
9.4　 整体芯片版图搭建、验证与后仿真 390
9.5　 MPW 流片与封装测试 397
9.6　 本章小结 401
知识点巩固练习题 401
参考文献 402
参考答案 403