基于Cadence的模擬集成電路設(shè)計課程教學(xué)方法研究

王耀

摘 要：本文主要探討了基于Cadence的模擬集成電路設(shè)計課程教學(xué)方法。通過基準(zhǔn)電流源設(shè)計實例，闡述了利用Cadence進(jìn)行該課程教學(xué)的過程和細(xì)節(jié)，解決了傳統(tǒng)的教學(xué)方式理論難以聯(lián)系實際的弊端，有助于培養(yǎng)學(xué)生的電路設(shè)計能力。

關(guān)鍵詞：Cadence；模擬集成電路；教學(xué)方法研究

集成電路技術(shù)是信息技術(shù)的支柱之一，而我國在該領(lǐng)域上與發(fā)達(dá)國家還有較大差距，集成電路專業(yè)人才缺口極大，因此國內(nèi)很多高校均開設(shè)了集成電路課程，不斷加大集成電路專業(yè)人才的培養(yǎng)力度。

集成電路相關(guān)課程的教學(xué)與模擬電路、數(shù)字電路等傳統(tǒng)的電子信息類專業(yè)課程教學(xué)有較大的區(qū)別。該課程涉及半導(dǎo)體技術(shù)的多個領(lǐng)域，尤其是模擬集成電路設(shè)計課程，涉及到半導(dǎo)體器件、電路分析設(shè)計、電路仿真技術(shù)、版圖設(shè)計等多個方面。因此，如何在教學(xué)中使學(xué)生能夠掌握如此龐雜的知識，引領(lǐng)學(xué)生把握集成電路設(shè)計的關(guān)鍵方法，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，并使學(xué)生在畢業(yè)后能夠達(dá)到工業(yè)界對于該類人才的要求，成為教師需要深入思考的問題。

本文提出一種基于Cadence的模擬集成電路設(shè)計課程教學(xué)方法。本文首先介紹了基于Cadence的模擬集成電路設(shè)計課程教學(xué)體系；然后以基準(zhǔn)電流源電路的設(shè)計為案例，介紹了針對該電路的設(shè)計/分析/仿真的教學(xué)方法；最后對文章進(jìn)行了總結(jié)。

1基于Cadence的集成電路專業(yè)教學(xué)體系

Cadence軟件憑借其強(qiáng)大的功能貫穿于集成電路設(shè)計的每一個環(huán)節(jié)，從電路圖設(shè)計到電路的前仿真、版圖設(shè)計以及后仿真等環(huán)節(jié)，都離不開這一工具，目前幾乎所有的集成電路設(shè)計公司都采用該軟件完成電路的整體設(shè)計流程，該軟件是集成電路設(shè)計行業(yè)的通用EDA平臺。該軟件平臺針對不同的設(shè)計需求包含了多個工具，對于集成電路專業(yè)教學(xué)而言，從電路設(shè)計、版圖設(shè)計到仿真＼驗證依次可使用Cadence軟件的Schematic composer，Layout Editor和Spectre＼Carlibre工具實現(xiàn)。

對于教學(xué)而言，學(xué)?？梢园惭bCadence軟件服務(wù)器版本，通過廠家的授權(quán)安裝后，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程登陸使用該軟件進(jìn)行實驗學(xué)習(xí)。將此軟件應(yīng)用到模擬集成電路的教學(xué)過程中，讓學(xué)生獨立完成相關(guān)實驗，可使學(xué)生更好的掌握模擬集成電路設(shè)計的流程。學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識的同時可以通過仿真加深對所學(xué)知識的理解，同時也可培養(yǎng)集成電路的學(xué)生的實際工作能力，可以更好的為工業(yè)界培養(yǎng)相接軌的集成電路設(shè)計專業(yè)人才。

2基于Cadence的基準(zhǔn)電流源的設(shè)計

本文選擇基準(zhǔn)電流源的設(shè)計作為設(shè)計實例，由于電流源廣泛應(yīng)用于模擬、數(shù)字電路當(dāng)中，并且基準(zhǔn)電流源的設(shè)計一般結(jié)構(gòu)簡單，僅由MOS管構(gòu)成，分析過程簡單明了，以其作為模擬集成電路的教學(xué)可以使學(xué)生較快的接受和掌握模擬集成電路的設(shè)計過程。

基準(zhǔn)電流源是指集成電路中用來給其余的電路如模數(shù)＼數(shù)模轉(zhuǎn)換器、比較器、振蕩器等提供參考電流或偏置電流的電路，其余電路的電流都是基于一個標(biāo)準(zhǔn)電流源的復(fù)制，基準(zhǔn)源的性能好壞直接影響到整個芯片電路的性能。

基準(zhǔn)電流源的設(shè)計過程中有以下幾個比較重要的參數(shù)。

溫漂系數(shù)?；鶞?zhǔn)電流源的一個重要指標(biāo)就是在寬溫度范圍下的工作穩(wěn)定程度。溫漂系數(shù)表示輸出基準(zhǔn)電流隨溫度變化的情況，其單位為ppm/℃。表示當(dāng)溫度變化1℃時，輸出電流變化的百萬分比。其計算公式為：

其中TC為基準(zhǔn)電流源的溫漂系數(shù)；IMAX為基準(zhǔn)電流最大值；IMIN為基準(zhǔn)電流最小值；IMEAN為基準(zhǔn)電流平均值；TMAX為溫度最大值；TMIN為溫度最小值。

工藝偏差。隨著CMOS工藝尺寸的逐漸縮小，工藝波動往往導(dǎo)致實際結(jié)果與目標(biāo)值有較大的偏離，從而影響芯片的成品率，增加了重復(fù)流片的成本。對于基準(zhǔn)電流源的設(shè)計，由于其對電路精度要求較高，在設(shè)計的過程中必須考慮工藝偏差對輸出基準(zhǔn)電流的影響。

低功耗設(shè)計。為使基準(zhǔn)電流源可應(yīng)用于射頻識別電路、物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)、植入式醫(yī)療設(shè)備等大規(guī)模低功耗集成電路中，其必須滿足低功耗的設(shè)計要求。

在模擬集成電路專業(yè)的教學(xué)中，除了教授課程的主題內(nèi)容之外，教師還應(yīng)當(dāng)積極的關(guān)注所研究內(nèi)容的學(xué)術(shù)研究前沿，將這些知識進(jìn)行整理歸納，有針對性的帶入課堂。同時應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生分析傳統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)的能力，在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生自己去選擇自己所設(shè)計電路的創(chuàng)新點，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，然后利用Cadence軟件去驗證改進(jìn)自己的電路結(jié)構(gòu)，從而保證課堂教學(xué)的理論先進(jìn)性與工程實踐性。

對于本文所要介紹的基準(zhǔn)電流源設(shè)計，目前基準(zhǔn)電流源的設(shè)計廣泛采用的有求和型基準(zhǔn)電流源以及對傳統(tǒng)基準(zhǔn)源進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)确椒?。雖然這些電路都極大的降低了基準(zhǔn)電流的溫度系數(shù)，但是工藝偏差對其溫度特性的影響沒有被詳細(xì)研究，并且這些電路功耗較大，無法滿足低功耗設(shè)計。所以基準(zhǔn)電流源的設(shè)計重點集中在消除工藝偏差對其溫度特性的影響，同時應(yīng)該滿足低功耗等設(shè)計要求。

2.1傳統(tǒng)基準(zhǔn)電流源分析

求和型基準(zhǔn)電壓源工作原理：將與絕對溫度成正比（PTAT）的電流和與絕對溫度成反比（CTAT）的電流加權(quán)相加，得到零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電流IREF?；鶞?zhǔn)電流IREF可由式（2）表示：

其中IP0和IC0是T=T0時IPTAT和ICTAT的電流值，αp和αC分別為兩個電流的線性溫度系數(shù)，ΔT=（T-T0），T0為室溫。從上式（2）可以看出，當(dāng)IP0αp=IC0αC時，可以得到零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電流，由于IP0、IC0、αp、αC會隨工藝變化，所以此類的基準(zhǔn)電流源需要大量的校準(zhǔn)電路。

電流相加型基準(zhǔn)電流源中，即使兩個電流的溫度系數(shù)αp和αC是與工藝變化無關(guān)的量，若IP0和IC0是與工藝變化相關(guān)的量，溫漂系數(shù)還是難以相互抵消。所提出的一種新型的基準(zhǔn)電流源電流結(jié)構(gòu)中只需要使用兩個與工藝無關(guān)的溫度系數(shù)相比即可得到受工藝影響較小的基準(zhǔn)電流。

2.2基準(zhǔn)電流源理論分析

本文提出的與工藝無關(guān)的基準(zhǔn)電流源的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要由補(bǔ)償電壓發(fā)生器和一個電壓/電流轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。該電路結(jié)構(gòu)的核心是產(chǎn)生一個補(bǔ)償電壓，可以將片上電阻的溫度系數(shù)抵消掉。假設(shè)補(bǔ)償電壓VC與電阻R的值隨溫度是線性變化的，那么基準(zhǔn)輸出電流就可以用式3表示：

其中VC0、R0為T0時的補(bǔ)償電壓值和電阻值，αC為補(bǔ)償電壓的溫度系數(shù)，αR為片上電阻溫度系數(shù)。通過上式可以看出：當(dāng)αC=αR時，電流IREF將是一個與溫度無關(guān)的量。即使VC0、R0是與工藝相關(guān)的變量，這些參數(shù)只會影響基準(zhǔn)電流IREF的值，而不會影響其溫度系數(shù)。

設(shè)計基準(zhǔn)電流源電路原理圖如圖2所示，該電路由偏置電路，溫度補(bǔ)償電路，電流轉(zhuǎn)換電路組成。

偏置電路由MP1、MP2、MP3、MP4四個MOS管組成，MP3、MP4以二極管方式連接，產(chǎn)生偏置電流，通過MP1、MP2電流鏡，注入到溫度補(bǔ)償電路中。溫度補(bǔ)償電路由MN1、MN2組成，利用不同閾值電壓的MOS管的閾值電壓差構(gòu)成補(bǔ)償電壓。其中所有的MOS管均工作在亞閾值區(qū)以降低功耗。運(yùn)放可采用工作在亞閾值區(qū)的兩級米勒運(yùn)放。

本設(shè)計所用的電阻為片上多晶硅高阻，具有負(fù)溫度系數(shù)，其阻值與溫度的關(guān)系為：

VC0為T0時補(bǔ)償電壓，βC為補(bǔ)償電壓的溫度系數(shù)。從該式可以看出，補(bǔ)償電壓的表達(dá)式與片上電阻的溫度特性相同。

在分析傳統(tǒng)求和型基準(zhǔn)電流源的基礎(chǔ)上，提出了所要設(shè)計的基準(zhǔn)電流源的結(jié)構(gòu)示意圖，并對電路的原理進(jìn)行了詳細(xì)的理論推導(dǎo)，下一步就是利用Cadence軟件對電路的原理圖進(jìn)行仿真與優(yōu)化，去驗證理論推導(dǎo)的正確性。

3利用Cadence進(jìn)行基準(zhǔn)電流源原理圖仿真

Cadence軟件中對電路原理圖的設(shè)計與仿真的基本流程是：創(chuàng)建原理圖文件；原理圖編輯；設(shè)置器件參數(shù)；電路檢查與保存；原理圖的仿真設(shè)置；調(diào)整器件參數(shù)；重復(fù)仿真優(yōu)化。

在教學(xué)的過程中，可以讓學(xué)生在Virtuoso Schematic Composer中繪制基準(zhǔn)電流源電路，并通過Spectre工具進(jìn)行仿真，圖4就是繪制好的基準(zhǔn)電流源電路原理圖，根據(jù)式12可以看出，補(bǔ)償電壓的溫度系數(shù)可以調(diào)節(jié)MN1、MN2的尺寸比來設(shè)置，但是其值很難通過手算來設(shè)置，因此可以利用Cadence軟件的自動擬合工具來設(shè)置。擬合設(shè)置的界面如圖5所示，設(shè)置基準(zhǔn)電流源溫度系數(shù)的目標(biāo)值為最小值，設(shè)置MOS管的初始值，讓Cadence軟件自動擬合計算即可。

使用軟件擬合結(jié)束后，將此值作為初始值，去仿真基準(zhǔn)電流源在不同工藝角下的溫度特性，進(jìn)而學(xué)生可以通過仿真的波形直觀的去驗證該電路原理的可行性，即可以保證不同工藝角下該基準(zhǔn)源都有較好的溫度特性。圖6所示即為不同工藝角下該基準(zhǔn)源的溫度特性曲線?？梢钥闯龌鶞?zhǔn)電流在不同工藝角下都具有較好的溫度特性。

4結(jié)束語

本文基于EDA軟件Cadence平臺介紹了基于該軟件的模擬集成電路設(shè)計課程教學(xué)方法，結(jié)合一種低工藝偏差的基準(zhǔn)電流源的設(shè)計，從理論推導(dǎo)到電路的仿真驗證進(jìn)行了逐一介紹。通過實例分析，拓展了Cadence軟件的應(yīng)用形式，將其做為一種教學(xué)輔助工具引進(jìn)到集成電路的課堂教學(xué)中，可以使集成電路設(shè)計專業(yè)的學(xué)生掌握電路設(shè)計的流程及方法，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，從而解決了模擬集成電路設(shè)計課程教學(xué)中學(xué)生難以將所學(xué)的理論知識與實際應(yīng)用結(jié)合的問題。