王耀

摘 要：本文主要探討了基于Cadence的模擬集成電路設(shè)計(jì)課程教學(xué)方法。通過基準(zhǔn)電流源設(shè)計(jì)實(shí)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(shí)際的弊端，有助于培養(yǎng)學(xué)生的電路設(shè)計(jì)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(guó)在該領(lǐng)域上與發(fā)達(dá)國(guó)家還有較大差距，集成電路專業(yè)人才缺口極大，因此國(guó)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(gè)領(lǐng)域，尤其是模擬集成電路設(shè)計(jì)課程，涉及到半導(dǎo)體器件、電路分析設(shè)計(jì)、電路仿真技術(shù)、版圖設(shè)計(jì)等多個(gè)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(shí)，引領(lǐng)學(xué)生把握集成電路設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)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(jì)課程教學(xué)體系；然后以基準(zhǔn)電流源電路的設(shè)計(jì)為案例，介紹了針對(duì)該電路的設(shè)計(jì)/分析/仿真的教學(xué)方法；最后對(duì)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(jì)的每一個(gè)環(huán)節(jié)，從電路圖設(shè)計(jì)到電路的前仿真、版圖設(shè)計(jì)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(jì)公司都采用該軟件完成電路的整體設(shè)計(jì)流程，該軟件是集成電路設(shè)計(jì)行業(yè)的通用EDA平臺(tái)。該軟件平臺(tái)針對(duì)不同的設(shè)計(jì)需求包含了多個(gè)工具，對(duì)于集成電路專業(yè)教學(xué)而言，從電路設(shè)計(jì)、版圖設(shè)計(jì)到仿真＼驗(yàn)證依次可使用Cadence軟件的Schematic composer，Layout Editor和Spectre＼Carlibre工具實(shí)現(xiàn)。

對(duì)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(shí)驗(yàn)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(dú)立完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)，可使學(xué)生更好的掌握模擬集成電路設(shè)計(jì)的流程。學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識(shí)的同時(shí)可以通過仿真加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，同時(shí)也可培養(yǎng)集成電路的學(xué)生的實(shí)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(jì)專業(yè)人才。

2基于Cadence的基準(zhǔn)電流源的設(shè)計(jì)

本文選擇基準(zhǔn)電流源的設(shè)計(jì)作為設(shè)計(jì)實(shí)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(jì)一般結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅由MOS管構(gòu)成，分析過程簡(jiǎn)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(jì)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(gè)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(gè)芯片電路的性能。

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

溫漂系數(shù)?；鶞?zhǔn)電流源的一個(gè)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(shí)，輸出電流變化的百萬分比。其計(jì)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(dòng)往往導(dǎo)致實(shí)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(duì)于基準(zhǔn)電流源的設(shè)計(jì)，由于其對(duì)電路精度要求較高，在設(shè)計(jì)的過程中必須考慮工藝偏差對(duì)輸出基準(zhǔn)電流的影響。

低功耗設(shè)計(jì)。為使基準(zhǔn)電流源可應(yīng)用于射頻識(shí)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(jì)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?jī)?nèi)容的學(xué)術(shù)研究前沿，將這些知識(shí)進(jìn)行整理歸納，有針對(duì)性的帶入課堂。同時(shí)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(jì)電路的創(chuàng)新點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，然后利用Cadence軟件去驗(yàn)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(shí)踐性。

對(duì)于本文所要介紹的基準(zhǔn)電流源設(shè)計(jì)，目前基準(zhǔn)電流源的設(shè)計(jì)廣泛采用的有求和型基準(zhǔn)電流源以及對(duì)傳統(tǒng)基準(zhǔn)源進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)确椒āｋm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(duì)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(jì)。所以基準(zhǔn)電流源的設(shè)計(jì)重點(diǎn)集中在消除工藝偏差對(duì)其溫度特性的影響，同時(shí)應(yīng)該滿足低功耗等設(shè)計(jì)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(duì)溫度成正比（PTAT）的電流和與絕對(duì)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(shí)IPTAT和ICTAT的電流值，αp和αC分別為兩個(gè)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(shí)，可以得到零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電流，由于IP0、IC0、αp、αC會(huì)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)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(shí)，電流IREF將是一個(gè)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(huì)影響基準(zhǔn)電流IREF的值，而不會(huì)影響其溫度系數(shù)。

設(shè)計(jì)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(gè)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(jí)米勒運(yùn)放。

本設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)的基準(zhǔn)電流源的結(jié)構(gòu)示意圖，并對(duì)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(duì)電路的原理圖進(jìn)行仿真與優(yōu)化，去驗(yàn)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(duì)電路原理圖的設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)擬合計(jì)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(yàn)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(tái)介紹了基于該軟件的模擬集成電路設(shè)計(jì)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(jì)，從理論推導(dǎo)到電路的仿真驗(yàn)證進(jìn)行了逐一介紹。通過實(shí)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(jì)專業(yè)的學(xué)生掌握電路設(shè)計(jì)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(jì)課程教學(xué)中學(xué)生難以將所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合的問題。