模拟集成电路设计的流程范文

导语：如何才能写好一篇模拟集成电路设计的流程，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

【关键词】可编程模拟器件；整流电路；模拟

Abstract：A Design method of rectifier circuit with high precision implemented on in-system programmable analog circuit is introduced in the paper.All the parts are integrated in a single chip to improve the integration and reliability of the circuit.The goal chip can be programmed to realize new contents，which reduces the development cycle and cost.

Keywords：ispPAC；Rectifier Circuit；Analog

1.引言

在系统可编程模拟器件ispPAC（in-system Programmable Analog Circuit）是美国Lattice半导体公司推出的可编程产品，到目前为止已有5种芯片：ispPAC10，ispPAC20，

ispPAC30，ispPAC80和ispPAC81[1]。与数字在系统可编程大规模集成电路一样，ispPAC同样具有在系统可编程技术的优势和特点，电路设计人员可通过开发软件在计算机上快速、便捷地进行模拟电路设计与修改，对电路的特性可进行仿真分析，然后用编程电缆将设计方案下载到芯片当中。同时还可以对已经装配在印刷线路板上的ispPAC芯片进行校验、修改或者重新设计。

把高集成度的精密模拟电路设计集成于单块ispPAC芯片上，取代了由若干分立元件或传统ASIC芯片所能实现的功能，具有开发速度快，成本低，可靠性高与保密型强的特点[2]。其开发软件是基于Windows平台的PAC Designer，目前版本为6.0，提供完整的设计和验证解决方案，支持ispPAC、ispClock和ispPower系列芯片开发。

本文以PAC Designer为设计软，以ispPAC20为目标芯片，介绍了一种精密整流电路的设计方法。将电路设计方案以单芯片实现，提高了电路的集成度和可靠性；对目标芯片可重新编程以升级电路结构，缩短了研制周期，降低了设计成本。

2.ispPAC20芯片的结构

ispPAC20芯片由两个基本单元电路PAC块、两个比较器、一个8位的D/A转换器、配置存储器、参考电压、自校正单元、模拟布线池和ISP接口所组成。其内部结构框图如图1所示。

ispPAC20中有两个PAC块，PACblock1由两个仪用放大器和一个输出放大器组成、配以电阻和电容构成一个真正的差分输入、差分输出的基本单元电路，如2图所示。其中，仪用放大器IA1的输入端连接二选一输入选择器，通过芯片的外部引脚MSEL来控制。当MSEL为0时，端口a连接至IA1；当MSEL为1时，端口b连接至IA1。IA1和IA2的增益调范围在-10～+10之间，电路输入阻抗为109，共模抑制比为69dB。输出放大器OA1中的电容CF有128种值可供选择，反馈电阻RF可以编程为连同或断开状态。芯片中各基本单元通过模拟布线池（Analog Routing Pool）实现互联，以组成各种复杂电路。

PACblock2与PACblock1的结构基本相同，但IA4的增益范围为-10至-1，并为IA4增加了外部极性控制端PC。当PC=1时，增益调整范围为-10至-1，当PC=0时，增益调整范围为+10至+1。

DAC单元是一个8位电压输出的数字模拟转换器。接口方式可自由选择为8位的并行方式、串行JTAG寻址方式、串行SPI寻址方式。在串行方式中，数据的总长度为8为，D0为数据的首位，D7处于数据的末位。DAC的输出是完全差分形式，可以与芯片内部的比较器或仪用放大器相连，也可以直接输出。无论采用串行还是并行的方式，用户都可以通过查询芯片说明的编码数据进行编程[3]。

在ispPAC20中有两个可编程的双差分比较器，当同相输入电压相对反向输入电压为正时，比较器的输出为高电平，否则为低电平。比较器CP1的输出可编程为直接输出或以PC为时钟的寄存器输出两种模式，且CP1和CP2的输出端可作异或运算或触发器操作后在WINDOW端输出信号。

另外，配置存储器用于存放编程数据，参考电压和自校正模块完成电压的分配和校正功能。

3.基于ispPAC20的精密整流电路设计

基于ispPAC20的精密整流电路内部编程结构如图2所示，电路工作时，需将输入信号ui同时连接至IN2和IN3端，将比较器输出CP1OUT由外部连接至极性控制端PC。

端口IN2编程为连接输入仪用放大器IA4，IN3编程为连接比较器CP1，OUT2作为整流电路的输出端。编程DAC编码为80h，输出模拟电压0V，并编程连接至比较器CP1的反相输入端作为阈值电压，设置CP1为直接输出模式（Direct）。编程IA4的增益为-1，OA2相关参数如图2所示。

当ui＞0时，比较器CP1的输出CP1OUT为高电平，通过极性控制端PC的控制，则PAC block2输出OUT2=-ui；当ui＜0时，CP1OUT为低电平，则OUT2=+ui。即，OUT2=-|ui|，从而电路实现整流功能。

若将IA4的增益设置为K（调整范围为-10至-1），按图2的方式进行编程，则整流输出端信号为OUT2=K|ui|

在PAC-Designer设计软件中，选择菜单Tools/Download，即可将所设计的电路方案编程下载到目标芯片ispPAC20中，并可进行电路仿真和测试。

4.结束语

本文介绍了一种基于在系统可编程模拟器件ispPAC的精密整流电路设计方法，在ispPAC20芯片上实现，将整个电路集成于一块芯片中，提高了电路的集成度和可靠性。借助于开发工具PAC-Designer，可随时对芯片进行重新编程以升级电路结构，提高了电路设计的效率，降低了设计成本。

参考文献

[1]王成华,蒋爱民,吕勇.可编程模拟器件的应用研究[J].数据采集与处理,2002,17(3):345.

[2]高玉良.在系统可编程模拟器件(ispPAC)及应用[J].现代电子技术,2002,4:80-81.

[3]Lattice Semiconductor Co.ispPAC hand-

篇2

关键词：集成电路设计；本科教学；改革探索

作者简介：殷树娟（1981-），女，江苏宿迁人，北京信息科技大学物理与电子科学系，讲师；齐臣杰（1958-），男，河南扶沟人，北京信息科技大学物理与电子科学系，教授。（北京 100192）

基金项目：本文系北京市教委科技发展计划面上项目（项目编号：KM201110772018）、北京信息科技大学教改项目（项目编号：2010JG40）的研究成果。

中图分类号：G642.0     文献标识码：A     文章编号：1007-0079（2012）04-0064-02

1958年，美国德州仪器公司展示了全球第一块集成电路板，这标志着世界从此进入到了集成电路的时代。在近50年的时间里，集成电路已经广泛应用于工业、军事、通讯和遥控等各个领域。集成电路具有体积小、重量轻、寿命长和可靠性高等优点，同时成本也相对低廉，便于进行大规模生产。自改革开放以来，我国集成电路发展迅猛，21世纪第1个10年，我国集成电路产量的年均增长率超过25%，集成电路销售额的年均增长率则达到23%。我国集成电路产业规模已经由2001年不足世界集成电路产业总规模的2%提高到2010年的近9%。我国成为过去10年世界集成电路产业发展最快的地区之一。伴随着国内集成电路的发展，对集成电路设计相关人员的需求也日益增加，正是在这种压力驱动下，政府从“十五”计划开始大力发展我国的集成电路设计产业。

在20世纪末21世纪初，国内集成电路设计相关课程都是在研究生阶段开设，本科阶段很少涉及。不仅是因为其难度相对本科生较难接受，而且集成电路设计人员的需求在我国还未进入爆发期。我国的集成电路发展总体滞后国外先进国家的发展水平。进入21世纪后，我国的集成电路发展迅速，集成电路设计需求剧增。[1]为了适应社会发展的需要，同时也为更好地推进我国集成电路设计的发展，国家开始加大力度推广集成电路设计相关课程的本科教学工作。经过十年多的发展，集成电路设计的本科教学取得了较大的成果，较好地推进了集成电路设计行业的发展，但凸显出的问题也日益明显。本文将以已有的集成电路设计本科教学经验为基础，结合对相关院校集成电路设计本科教学的调研，详细分析集成电路设计的本科教学现状，并以此为基础探索集成电路设计本科教学的改革。

一、集成电路设计本科教学存在的主要问题

在政府的大力扶持下，自“十五”计划开始，国内的集成电路设计本科教学开始走向正轨。从最初的少数几个重点高校到后来众多相关院校纷纷设置了集成电路设计本科专业并开设了相关的教学内容。近几年本科学历的集成电路设计人员数量逐渐增加，经历本科教学后的本科生无论是选择就业还是选择继续深造，都对国内集成电路设计人员紧缺的现状起到了一定的缓解作用。但从企业和相关院校的反馈来看，目前国内集成电路设计方向的本科教学仍然存在很多问题，教学质量有待进一步提高，教学手段需做相应调整，教学内容应更多地适应现阶段产业界发展需求。其主要存在以下几方面问题。

首先，课程设置及课程内容不合理，导致学生学习热情降低。现阶段，对于集成电路设计，国内的多数院校在本科阶段主要开设有如下课程：“固体物理”、“晶体管理”、“模拟集成电路设计”和“数字集成电路设计”（各校命名方式可能有所不同）等。固体物理和晶体管原理是方向基础课程，理论性较强，公式推导较多，同时对学生的数学基础要求比较高。一方面，复杂的理论分析和繁琐的公式推导严重降低了本科生的学习兴趣，尤其是对于很多总体水平相对较差的学生。而另外一方面，较强的数学基础要求又进一步打击学生的学习积极性。另外，还有一些高等院校在设置课程教学时间上也存在很多问题。例如：有些高等院校将“固体物理”课程和“半导体器件物理”课程放在同一个学期进行教学，对于学生来说，没有固体物理的基础就直接进入“晶体管原理”课程的学习会让学生很长一段时间都难以进入状态，将极大打击学生的学习兴趣，从而直接导致学生厌学甚至放弃相关方向的学习。而这两门课是集成电路设计的专业基础课，集成电路设计的重点课程“模拟集成电路设计”和“数字集成电路设计”课程的学习需要这两门课的相关知识作为基础，如果前面的基础没有打好，很难想象学生如何进行后续相关专业知识的的学习，从而直接导致学业的荒废。

其次，学生实验教学量较少，学生动手能力差。随着IC产业的发展，集成电路设计技术中电子设计自动化（Electronic design automatic，EDA）无论是在工业界还是学术界都已经成为必备的基础手段，一系列的设计方法学的研究成果在其中得以体现并在产品设计过程中发挥作用。因此，作为集成电路设计方向的本科生，无论是选择就业还是选择继续深造，熟悉并掌握一些常用的集成电路设计EDA工具是必备的本领，也是促进工作和学习的重要方式。为了推进EDA工具的使用，很多EDA公司有专门的大学计划，高校购买相关软件的价格相对便宜得多。国家在推进IC产业发展方面也投入了大量的资金，现在也有很多高等院校已经具备购买相关集成电路设计软件的条件，但学生的实际使用情况却喜忧参半。有些高校在培养学生动手能力方面确实下足功夫，学生有公用机房可以自由上机，只要有兴趣学生可以利用课余时间摸索各种EDA软件的使用，这对他们以后的工作和学习奠定了很好的基础。但仍然还有很多高校难以实现软件使用的最大化，购买的软件主要供学生实验课上使用，平时学生很少使用，实验课上学到的一点知识大都是教师填鸭式灌输进去的，学生没有经过自己的摸索，毕业后实验课上学到的知识已经忘得差不多了，在后续的工作或学习中再用到相关工具时还得从头再来学习。动手能力差在学生择业时成为一个很大的不足。[2]

再者，理工分科紊乱，属性不一致。集成电路设计方向从专业内容及专业性质上分应该属于工科性质，但很多高校在专业划分时却将该专业划归理科专业。这就使得很多学生在就业时遇到问题。很多招聘单位一看是理科就片面认为是偏理论的内容，从而让很多学生错失了进一步就业的好机会。而这样的结果直接导致后面报考该专业的学生越来越少，最后只能靠调剂维持正常教学。其实，很多高校即使是理科性质的集成电路设计方向学习的课程和内容，与工科性质的集成电路设计方向是基本一致的，只是定位属性不一致，结果却大相径庭。

二、改革措施

鉴于目前国内集成电路设计方向的本科教学现状，可以从以下几个方面改进，从而更好地推进集成电路设计的本科教学。

1.增加实验教学量

现阶段的集成电路本科教学中实验教学量太少，以“模拟集成电路设计”课程为例，多媒体教学量40个学时但实验教学仅8个学时。相对于40个学时的理论学习内容，8个学时的实验教学远远不能满足学生学以致用或将理论融入实践的需求。40个学时的理论课囊括了单级预算放大器、全差分运算放大器、多级级联运算放大器、基准电压源电流源电路、开关电路等多种电路结构，而8个学时的实验课除去1至2学时的工具学习，留给学生电路设计的课时量太少。

在本科阶段就教会学生使用各种常用EDA软件，对于增加学生的就业及继续深造机会是非常必要的。一方面，现在社会的竞争是非常激烈的，很少有单位愿意招收入职后还要花比较长的时间专门充电的新员工，能够一入职就工作那是最好不过的。另一方面，实验对于学生来说比纯理论的学习更容易接受，而且实验过程除了可以增加学生的动手操作能力，同样会深化学生对已有理论知识的理解。因此，在实践教学工作中，增加本科教学的实验教学量可以有效促进教学和增进学生学习兴趣。

2.降低理论课难度尤其是复杂的公式推导

“教师的任务是授之以渔，而不是授之以鱼”，这句话对于集成电路设计专业老师来说恰如其分。对于相同的电路结构，任何一个电路参数的变化都可能会导致电路性能发生翻天覆地的变化。在国际国内，每年都会有数百个新电路结构专利产生，而这些电路的设计人员多是研究生或以上学历人员，几乎没有一个新的电路结构是由本科生提出的。

对于本科生来说，他们只是刚刚涉足集成电路设计产业，学习的内容是最基础的集成电路相关理论知识、电路结构及特点。在创新方面对他们没有过多的要求，因此他们不需要非常深刻地理解电路的各种公式尤其是复杂的公式及公式推导，其学习重点应该是掌握基础的电路结构、电路分析基本方法等，而不是纠结于电路各性能参数的推导。例如，对于集成电路设计专业的本科必修课程――“固体物理”和“晶体管原理”，冗长的公式及繁琐的推导极大地削弱了学生的学习兴趣，同时对于专业知识的理解也没有太多的益处。[3]另外，从专业需要方面出发，对于集成电路设计者来说更多的是需要学生掌握各种半导体器件的基本工作原理及特性，而并非是具体的公式。因此，减少理论教学中繁琐的公式推导，转而侧重于基本原理及特性的物理意义的介绍，对于学生来说更加容易接受，也有益于之后“模拟集成电路”、“数字集成电路”的教学。

3.增加就业相关基础知识含量

从集成电路设计专业进入本科教学后的近十年间本科生就业情况看，集成电路设计专业的本科生毕业后直接从事集成电路设计方向相关工作的非常少，多数选择继续深造或改行另谋生路。这方面的原因除了因为本科生在基本知识储备方面还不能达到集成电路设计人员的要求外，更主要的原因是随着国家对集成电路的大力扶持，现在开设集成电路设计相关专业的高等院校越来越多，很多都是具有研究生办学能力的高校，也就是说有更多的更高层次的集成电路设计人才在竞争相对原本就不是很多的集成电路设计岗位。

另外一方面，集成电路的版图、集成电路的工艺以及集成电路的测试等方面也都是与集成电路设计相关的工作，而且这些岗位相对于集成电路设计岗位来说对电路设计知识的要求要低很多。而从事集成电路版图、集成电路工艺或集成电路测试相关工作若干年的知识积累将极大地有利于其由相关岗位跳槽至集成电路设计的相关岗位。因此，从长期的发展目标考虑，集成电路设计专业本科毕业生从事版图、工艺、测试相关方向的工作可能更有竞争力，也更为符合本科生知识储备及长期发展的需求。这就对集成电路设计的本科教学内容提出了更多的要求。为了能更好地贴近学生就业，在集成电路设计的本科教学内容方面，教师应该更多地侧重于基本的电路版图知识、硅片工艺流程、芯片测试等相关内容的教学。

三、结论

集成电路产业是我国的新兴战略性产业，是国民经济和社会信息化的重要基础。大力推进集成电路产业的发展，必须强化集成电路设计在国内的本科教学质量和水平，而国内的集成电路设计本科教学还处在孕育发展的崭新阶段，它是适应现代IC产业发展及本科就业形势的，但目前还存在很多问题亟待解决。本文从已有的教学经验及调研情况做了一些分析，但这远没有涉及集成电路设计专业本科教学的方方面面。不过，可以预测，在国家大力扶持下，在相关教师及学生的共同努力下，我国的集成电路设计本科教学定会逐步走向成熟，更加完善。

参考文献：

[1]王为庆.高职高专《Protel电路设计》教学改革思路探索[J].考试周刊,2011,(23).

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关键词：电子科学与技术；实验教学体系；微电子人才

作者简介：周远明（1984-），男，湖北仙桃人，湖北工业大学电气与电子工程学院，讲师；梅菲（1980-），女，湖北武汉人，湖北工业大学电气与电子工程学院，副教授。（湖北 武汉 430068）

中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）29-0089-02

电子科学与技术是一个理论和应用性都很强的专业，因此人才培养必须坚持“理论联系实际”的原则。专业实验教学是培养学生实践能力和创新能力的重要教学环节，对于学生综合素质的培养具有不可替代的作用，是高等学校培养人才这一系统工程中的一个重要环节。[1，2]

一、学科背景及问题分析

1.学科背景

21世纪被称为信息时代，信息科学的基础是微电子技术，它属于教育部本科专业目录中的一级学科“电子科学与技术”。微电子技术一般是指以集成电路技术为代表，制造和使用微小型电子元器件和电路，实现电子系统功能的新型技术学科，主要涉及研究集成电路的设计、制造、封装相关的技术与工艺。[3]由于实现信息化的网络、计算机和各种电子设备的基础是集成电路，因此微电子技术是电子信息技术的核心技术和战略性技术，是信息社会的基石。此外，从地方发展来看，武汉东湖高新区正在全力推进国家光电子信息产业基地建设，形成了以光通信、移动通信为主导，激光、光电显示、光伏及半导体照明、集成电路等竞相发展的产业格局，电子信息产业在湖北省经济建设中的地位日益突出，而区域经济发展对人才的素质也提出了更高的要求。

湖北工业大学电子科学与技术专业成立于2007年，完全适应国家、地区经济和产业发展过程中对人才的需求，建设专业方向为微电子技术，毕业生可以从事电子元器件、集成电路和光电子器件、系统（激光器、太能电池、发光二极管等）的设计、制造、封装、测试以及相应的新产品、新技术、新工艺的研究与开发等相关工作。电子科学与技术专业自成立以来，始终坚持以微电子产业的人才需求为牵引，遵循微电子科学的内在客观规律和发展脉络，坚持理论教学与实验教学紧密结合，致力于培养基础扎实、知识面广、实践能力强、综合素质高的微电子专门人才，以满足我国国民经济发展和国防建设对微电子人才的迫切需求。

2.存在的问题与影响分析

电子科学与技术是一个理论和应用性都很强的专业，因此培养创新型和实用型人才必须坚持“理论联系实际”的原则。要想培养合格的应用型人才，就必须建设配套的实验教学平台。然而目前人才培养有“产学研”脱节的趋势，学生参与实践活动不论是在时间上还是在空间上都较少。建立完善的专业实验教学体系是电子科学与技术专业可持续发展的客观前提。

二、建设思路

电子科学与技术专业实验教学体系包括基础课程实验平台和专业课程实验平台。基础课程实验平台主要包括大学物理实验、电子实验和计算机类实验；专业课程实验平台即微电子实验中心，是本文要重点介绍的部分。在实验教学体系探索过程中重点考虑到以下几个方面的问题：

第一，突出“厚基础、宽口径、重应用、强创新”的微电子人才培养理念。微电子人才既要求具备扎实的理论基础（包括基础物理、固体物理、器件物理、集成电路设计、微电子工艺原理等），又要求具有较宽广的系统知识（包括计算机、通信、信息处理等基础知识），同时还要具备较强的实践创新能力。因此微电子实验教学环节强调基础理论与实践能力的紧密结合，同时兼顾本学科实践能力与创新能力的协同训练，将培养具有创新能力和竞争力的高素质人才作为实验教学改革的目标。

第二，构建科学合理的微电子实验教学体系，将“物理实验”、“计算机类实验”、“专业基础实验”、“微电子工艺”、“光电子器件”、“半导体器件课程设计”、“集成电路课程设计”、“微电子专业实验”、“集成电路专业实验”、“生产实习”和“毕业设计”等实验实践环节紧密结合，相互贯通，有机衔接，搭建以提高实践应用能力和创新能力为主体的“基本实验技能训练实践应用能力训练创新能力训练”实践教学体系。

第三，兼顾半导体工艺与集成电路设计对人才的不同要求。半导体的产业链涉及到设计、材料、工艺、封装、测试等不同领域，各个领域对人才的要求既有共性，也有个性。为了扩展大学生知识和技能的适应范围，实验教学必须涵盖微电子技术的主要方面，特别是目前人才需求最为迫切的集成电路设计和半导体工艺两个领域。

第四，实验教学与科学研究紧密结合，推动实验教学的内容和形式与国内外科技同步发展。倡导教学与科研协调发展，教研相长，鼓励教师将科研成果及时融化到教学内容之中，以此提升实验教学质量。

三、建设内容

微电子是现代电子信息产业的基石，是我国高新技术发展的重中之重，但我国微电子技术人才紧缺，尤其是集成电路相关人才严重不足，培养高质量的微电子技术人才是我国现代化建设的迫切需要。微电子学科实践性强，培养的人才需要具备相关的测试分析技能和半导体器件、集成电路的设计、制造等综合性的实践能力及创新意识。

电子科学与技术专业将利用经费支持建设一个微电子实验教学中心，具体包括四个教学实验室：半导体材料特性与微电子技术工艺参数测试分析实验室、微电子器件和集成电路性能参数测试与应用实验室、集成电路设计实验室、科技创新实践实验室。使学生具备半导体材料特性与微电子技术工艺参数测试分析、微电子器件、光电器件参数测试与应用、集成电路设计、LED封装测试等方面的实践动手和设计能力，巩固和强化现代微电子技术和集成电路设计相关知识，提升学生在微电子技术领域的竞争力，培养学生具备半导体材料、器件、集成电路等基本物理与电学属性的测试分析能力。同时，本实验平台主要服务的本科专业为“电子科学与技术”，同时可以承担“通信工程”、“电子信息工程”、“计算机科学与技术”、“电子信息科学与技术”、“材料科学与工程”、“光信息科学与技术”等10余个本科专业的部分实践教学任务。

（1）半导体材料特性与微电子技术工艺参数测试分析实验室侧重于半导体材料基本属性的测试与分析方法，目的是加深学生对半导体基本理论的理解，掌握相关的测试方法与技能，包括半导体材料层错位错观测、半导体材料电阻率的四探针法测量及其EXCEL数据处理、半导体材料的霍尔效应测试、半导体少数载流子寿命测量、高频MOS C-V特性测试、PN结显示与结深测量、椭偏法测量薄膜厚度、PN结正向压降温度特性实验等实验项目。完成形式包括半导体专业实验课、理论课程的实验课时等。

（2）微电子器件和集成电路性能参数测试与应用实验室侧重于半导体器件与集成电路基本特性、微电子工艺参数等的测试与分析方法，目的是加深学生对半导体基本理论、器件参数与性能、工艺等的理解，掌握相关的技能，包括器件解剖分析、用图示仪测量晶体管的交（直）流参数、MOS场效应管参数的测量、晶体管参数的测量、集成运算放大器参数的测试、晶体管特征频率的测量、半导体器件实验、光伏效应实验、光电导实验、光电探测原理综合实验、光电倍增管综合实验、LD/LED光源特性实验、半导体激光器实验、电光调制实验、声光调制实验等实验项目。完成形式包括半导体专业实验课、理论课程的实验课时、课程设计、创新实践、毕业设计等。

（3）集成电路设计实验室侧重于培养学生初步掌握集成电路设计的硬件描述语言、Cadence等典型的器件与电路及工艺设计软件的使用方法、设计流程等，并通过半导体器件、模拟集成电路、数字集成电路的仿真、验证和版图设计等实践过程具备集成电路设计的能力，目的是培养学生半导体器件、集成电路的设计能力。以美国Cadence公司专业集成电路设计软件为载体，完成集成电路的电路设计、版图设计、工艺设计等训练课程。完成形式包括理论课程的实验课时、集成电路设计类课程和理论课程的上机实践等。

（4）科技创新实践实验室则向学生提供发挥他们才智的空间，为他们提供验证和实现自由命题或进行科研的软硬件条件，充分发挥他们的想象力，目的是培养学生的创新意识与能力，包括LED封装、测试与设计应用实训和光电技术创新实训。要求学生自己动手完成所设计器件或电路的研制并通过测试分析，制造出满足指标要求的器件或电路。目的是对学生进行理论联系实际的系统训练，加深对所需知识的接收与理解，初步掌握半导体器件与集成电路的设计方法和对工艺技术及流程的认知与感知。完成形式包括理论课程的实验课时、创新实践环节、生产实践、毕业设计、参与教师科研课题和国家级、省级和校级的各类科技竞赛及课外科技学术活动等。

四、总结

本实验室以我国微电子科学与技术的人才需求为指引，遵循微电子科学的发展规律，通过实验教学来促进理论联系实际，培养学生的科学思维和创新意识，系统了解与掌握半导体材料、器件、集成电路的测试分析和半导体器件、集成电路的设计、工艺技术等技能，最终实现培养基础扎实、知识面宽、实践能力强、综合素质高、适应范围广的具有较强竞争力的微电子专门人才的目标，以满足我国国民经济发展和国防建设对微电子人才的迫切需求。

参考文献：

[1]刘瑞，伍登学.创建培养微电子人才教学实验基地的探索与实践[J].实验室研究与探索，2004，（5）：6-9.

篇4

关键词:CMOS;带隙基准;掉电检测保护

Abstract: A low-power protect circuit is presented. The circuit is composed of resistive division, bandgap, comparator and output buffer. The paper has provided the design of circuit and layout. The simulation results prove the circuit can work well. The low-power protect circuit is implemented in SMIC 0.18?m Mixed-signal technology. The whole structure is simple and the circuit is easy to implement. It can be integrated in singlechip.

Key Words: CMOS ,bandgap, low-power protect circuit

1引言

在单片机系统中,时常会遇到系统电源电压瞬时欠压和意外掉电的情况,前者可能会导致单片机程序“跑飞”,而令系统无法正常工作,后者将丢失重要数据而不能恢复。监视定时器侦测到异常状态就会使单片机自动复位,让程序重新回到正确流程。但是在某些场合,当电源电压本身的原因,致使电源电压下降,当下降到一定程度时,会使驱动能力下降,从而导致数据混乱甚至数据丢失无法恢复。为了尽量避免这些情况的出现,需要加上掉电检测和保护电路,以提高系统的可靠性和安全性。掉电检测和保护电路对电源电压进行监控,一旦电源电压下降某一下限阈值时,掉电保护电路输出复位信号,使单片机处于复位状态,待电源电压恢复正常值时,单片机恢复正常工作。本文设计一种简单,容易实现的电源电压监测和保护电路,该电路工作可靠,可集成在单片机及微处理器系统内,减少系统的器件,降低成本。同时,该电路结构还可以作为高压或功率集成电路等的电源保护电路。

2掉电检测和保护电路设计

电路结构如图1所示,取样电阻R1、R2对电源电压分压后输入至比较器一端,比较器另一端接1.2 V参考电压。当电源电压经分压后低于1.2 V,则比较器输出低电平复位信号,使单片机处于复位状态。当电源电压恢复时,输出高电平信号,单片机恢复正常工作。输出缓冲驱动电路对比较器输出的信号进行整形,增加输出信号的驱动能力。

2.1 参考电压源

检测保护电路中,需要检测的是电源电压,故参考电压源的输出需与电源电压无关,同时考虑到工作环境的影响,参考源的输出还应该与温度无关。在CMOS电路中利用带隙基准源实现这样的基准电压是我们常用的方法[1]。本文采用的带隙基准源电路如图2所示,由运算放大器、带隙基准核心电路及启动电路三部分构成。其中Q1~Q3双极晶体管,在CMOS工艺可由寄生的管子得到,将N阱中的P+区作为发射区,N阱本身作为基区,P型衬底作为集电区,则可以构成一个PNP管。其中衬底形成的集电区必然连接到最低电位,以确保衬底和MOS源漏构成的二极管反偏。晶体管Q2发射结的面积是Q1发射结面积的N倍,电阻R2的阻值是R1的K倍。 运算放大器具有很高的增益使得节点A和节点B的电位相等,又由于PM5、PM6、PM7尺寸相同,故迫使流过三极管Q1、Q2、Q3电流相等,则可得到输出的参考电压:是一个正温度系数的电压,在室温下温度系数为0.087 mV/℃,VBE是一个负温度系数的电压,室温下温度系数为-1.5 mV/℃。[1]所以选取合适N值和电阻比例K就可以在输出端得到零温度系数的电压。在本设计中取N = 24,K = 5.18,经过仿真可以得到该电路在输出为1.2 V时,温度系数最小,温度在0-80℃变化时,输出电压变化为5 mV,完全可以满足检测电路的需求。考虑匹配性,R1和R2电阻要选取相同材料的电阻,CMOS工艺中POLY电阻是控制比好的电阻,故选择POLY电阻。同时Q1、Q2、Q3也要求较好的匹配性,可以从版图设计上来考虑,这在本文第3节中有详细说明。PM5~PM7的设计尺寸如图2中所标出,W、L的单位为μm。

为了使带隙基准源可以很好地工作,其中的运算放大器,应具有足够高的增益,同时为了使整体电路工作稳定运算放大器的相位裕度必须大于45℃。运放的失调电压会使带隙基准输出电压产生误差,所以运放应该具有很小的失调电压[1]。为此在设计运放时,应采用大尺寸器件。如图2所示,运算放大器采用全差分的结构,NM1-NM5、PM1-PM5构成两级运放,该运放的增益为60 dB,相位裕度为60°。

由于电路采用自偏置的结构,电路在开始工作时,运算放大器的输出电压存在不定状态,一旦输出电压大于VDD-VTP,电路将无法正常工作。图2中SM1-SM5组成启动电路,当电源上电时,运放的输出大于VDD-VTP时SM5导通将PM5-PM7的栅极电位拉低,PM5-PM7导通,电流注入带隙基准电路。电路正常工作后SM4导通,将SM5栅极电位拉低,SM5截止不影响带隙电路的正常工作。

2.2 高精度比较器及输出缓冲电路

高性能的比较器,首先要求有足够的增益以达到所要求的精度。此外失调电压和输出摆幅也是衡量比较器性能的两个重要指标。两级差分比较器具有高精度,小失调电压和大的输出摆幅的优点,同时该电路结构简单易于实现。图3所示为本文采用的两级差分比较器[2]。第一级为差分输出级,为了得到高增益,采用两只PMOS管作为电流源负载,第二级采用共源级放大器,进一步提高增益。

输出缓冲级实现对比较器输出电压进行整形,电路结构如图3所示,采用的是简单的两级反相器的结构,同时该电路可以提高输出电路的驱动能力。由于输出采用了推挽式的结构,故可在输出端得到满幅度的输出,VOH = VDD,VOL = GND。

3版图设计

带隙基准中差分运放的失调电压会引起输出电压的误差,故应注意输入对管的匹配性以及输入信号的对称性以减小失调电压。输入信号在可能的情况下可以采用差分布线,输入对管采用四方交差的技术[3],运放的两个负载PMOS管放在同一个阱里。在2.1中我们提到电阻R1和R2要求有较好的匹配性,采用根器件的方法[3]和共质心技术如图4(b)所示,此外Q1、Q2也要求有较好的匹配性,也采用共质心技术如图4(a)所示。

本文设计的版图如图5所示,左半部及右上半部分为带隙基准源的电路。右下半部为比较器及输出缓冲电路。

4仿真结果及结论

采用SMIC 0.18μm混合信号工艺,用Cadence的spectre进行仿真,仿真波形如图6所示。假设电源电压是线性下降的,当电源电压由3.3 V下降到2.6 V时,检测保护电路输出低电平,作为单片机的复位信号,使单片机复位。当电源电压上升到2.6 V以上时,电路输出高电平,结束复位信号,使单片机恢复正常工作。

本文设计的掉电检测保护电路,电路结构简单,易于实现,可集成于单片机内部,提高单片机的可靠性。同时该电路也可以使用于其他需要电压监控和保护的场合,例如充电电路的充电指示等。

参考文献

[1] [美]毕查德・拉扎维著,陈贵灿 程军 张瑞智等译. 模拟CMOS集成电路设计. 西安:西安交通大学出版社,2003. 314~318

[2] Philip E. Allen,Douglas R. Holberg著,冯军,李智群译. CMOS模拟集成电路设计. 北京:电子工业出版社,2007. 363~375

[3] [美]Christopher Saint,Judy Saint著,周润德,金申美译. 集成电路掩膜设计――版图技术基础. 北京:清华大学出版社,2006. 101~110