9. 模拟集成电路的电路设计入门

大家好！这一次我想讲的是模拟集成电路设计中的核心设计——电路设计，也称之为前端设计，之所以说它是核心，因为它进行的是一种抽象的设计，但是抽象并不意味着简洁，反而设计中需要处理的问题会比版图设计更加复杂。

作为一名模拟集成电路设计师一定希望自己能够进行电路设计，那么最好的入门还是从反向设计开始，通过对前人的电路进行研究分析，体会其电路架构、信号走向、器件尺寸等信息，从而构建自己的电路库，为后期进行正向设计做好比较充足的准备。

同版图设计工作一样，电路设计工作同样需要一些背景知识，它们分别是：工艺器件、电子电路、数字工具、激励负载、三本书籍。下面我来分别进行讲解：

首先我们说一下工艺器件，这个知识主要是让设计师对模拟集成电路工艺有所了解，通过半导体工艺制造出来的器件，其某些特性决定了设计师在设计电路时的最高上限，例如器件的截止频率决定了器件的最高工作频率，也同时决定了电路的最高工作频率；同时器件的电流密度和尺寸决定了器件所在电路支路的最大工作电流。

接下来是电子电路，这个知识是集成电路设计的基础，因为其实在集成电路出现以前，电子电路就已经存在了；其中很多的原理对集成电路设计仍然有用，例如：负反馈原理，四种负反馈的电路类型在模拟集成电路中随处可见。

第三个背景知识是数字工具，这里其实我主要说的是电路与系统中的传输函数，这个数学工具，通过它，我们可以看到电路的极点、零点、增益、带宽等信息，同时还可以通过极点和零点的位置分布，来初步判读电路的稳定性，所以这个工具是模拟集成电路设计师必须掌握的一个工具，就如同裁缝的剪刀一样。

第四个背景知识是激励负载，这个知识内容主要是为电路设计后进行仿真时需要用到的，激励是电路仿真的信号模型，而负载是电路对其他器件、电路影响的一个模型；这两个模型的准确性决定了对电路设计的评价是否真实；有时候由于激励和负载选择或者设置的不恰当，导致我们对电路的评价出现偏差，从而导致整个模拟集成电路设计的失败，所以大家对此千万要注意和小心。

最后一个背景知识就是我想大家推荐的三本书，他们分别是拉扎维撰写的《模拟CMOS集成电路设计》，艾伦撰写的《CMOS模拟集成电路设计》，格雷撰写的《模拟集成电路设计与分析》，之所以推荐这三本书，主要是其在模拟集成电路设计这个行业中，这三本书应该是比较经典的著作，如果没有研读完这三本书，那么在模拟集成电路设计这个行业想走得更远会比较困难。当然不是说学了这三本书就一定是大牛，真正的大牛是在一次次流片失败中活着走出来的“小强”设计师。

介绍完背景知识后，我现在谈谈电路设计的工具，其实电路设计的工具和版图设计的工具类似，现在都被国际三大EDA巨头公司垄断，电路设计工具是Cadence的Virtuoso的schmatice-edit，仿真可以采用Cadence的MMsim，或者Synopsys的Hspice，当然这些是主流工具，如果设计师希望采用Mentor公司的软件也是可行的，只不过操作略有不同，原理其实是一样的。

下面我们来讲一下电路设计方法，一般来讲从我个人的理解和经验，电路设计方法分为两种：一种是电流-电压法，另一种是电流-跨导法；前一种方法主要针对电路的设计，而后一种主要针对器件的设计。一般来说在进行模拟集成电路设计时，这两者方法都要用到。这样我先将电流电压法的步骤，这个步骤有十步，分别是：

第一步、从芯片应用的工作电流为开始；

第二步、确定芯片各个模块的工作电流；

第三步、确定单个模块中的电路中各个支路电流；

第四步、确定模块中电路的直流电压；（工作时的静态电压，这些静态电压需要分析MOS的过驱动电压，饱和电压，NPN的Vce，Vbe等）

第五步、在静态工作电压下，优化MOS的长宽比，RES的宽长比，NPN的E级长度，设计电路的交流这增益，交流带宽，

第六步、不仅要保证在TT条件下，各个MOS管在饱和区，NPN管在线性区，一般MOS的Vds最好在0.5V左右，如果仅仅比过驱动电压高100mV，可能在其他工艺角下，MOS管会进入到线性区；而且要保证在SS，FF等条件下，各个MOS管在饱和区，NPN管在线性区；

第七步、对于需要匹配的器件，MOS管的L应该相同，RES的W应该相同；特别是在带隙电路中，分压的RES必须采用W>=2um，同时必须是统一单元的RES组合而成，不能使用不同单元的RES来进行分压；

第八步、对于大电流支路，需要考虑MOS或者RES，NPN的有源区的过电流能力；特别是在BUF电路的输出级，这里的电流一般大于5mA，有些可能达到10mA，所以这里的有源器件的W，L和无源器件的W必须满足过电流能力；

第九步、在模块电路中需要找到核心器件，这些核心器件构成了模块的主要功能，同时决定了模块的主要性能：增益，带宽，噪声，功耗，等效输入电阻/电容，等效输出电阻/电容；一般核心器件的电流是其他非核心器件电流的3倍以上；

第十步当需要MOS器件和NPN器件工作在高速情况下时，其器件的电流密度和截止频率有一个对应关系（由工艺厂商提供），需要在足够的电流密度下来设计高速工作的MOS和NPN器件。

然后我讲讲电流跨导法，它的步骤有5步，分别是：

第一步、在确定器件的工作电流以后，通过设计W和L来调节器件的gm，从而达到我们希望的交流特性；

第二步、对于L来说，是有源器件的重要参数；一般来说，如果需要器件工作在高速状态，L选取为最小值；如果是低速状态工作，一般L大于1um；如果是工作在电流镜状态，一般L大于2um；如果是对对称性要求非常高，一般L大于4um；

第三步、对于W来说，是无源器件的重要参数；如果无源器件工作在分压模式，一般来说，W大于2um；如果无源器件工作在滤波模式，一般来说，W取最小尺寸；如果无源器件工作在阻值模式，则一般W大于2um，且L大于3W；

第四步、特别是在对NPN器件进行设计时，一般B极的尺寸固定，可以设计的是E极的W 和L，而有些工艺下W一般的取值是离散的，只有L可以连续选择；

第五步、如果设计的MOS管工作在电阻模式,则需要W较L大,一般选取10倍以上。

介绍完集成电路设计的方法，我这边最后聊一下模拟集成电路设计的类型，其实由于模拟集成电路的特殊性，在我们选取EDA软件时，设计的电路就是可视化的，从而导致我们其实对集成电路的另一个类型不太了解，所以我特意将这个内容作为电路设计的一个方面，其实我们电路设计的类型应该分为电路图设计和网表设计，由于EDA工具的存在，我们可以通过电路图转化为网表，但是现在还没有那个软件可以将网表转化为电路图，可见网表才是集成电路设计的核心信息，电路图不过是网表的一种可视化表现形式，虽然我们大部分时候都是基于电路图进行集成电路设计的。

好，我们总结一下，这一讲我从入门起点、背景知识、设计工具、设计方法、设计类型这五个方面进行了讲解，希望对大家的模拟集成电路的电路设计有帮助。