EDA在“模擬集成電路設計”教學中的應用

羅志聰

(福建農林大學機電工程學院，福建福州350002)

“模擬集成電路設計”是每個集成電路設計人才必修的一門專業課程，但是傳統的教學過程中存在許多的問題，因此有必要融合EDA軟件以及現代多媒體教學手段對課程教學進行深入改革。

1 課程存在的問題

“模擬集成電路設計”是相對較難的專業課程。首先要求學生具備較扎實的基礎，如“電路原理”、“模擬電路”、“數字電路”、“信號與系統”、“EDA技術”以及“半導體物理”等課程的基礎;其次課程本身的理論分析也很復雜，較為抽象，如MOS管的寄生電容、放大器的頻率特性和交流小信號增益等。

筆者首先將EDA軟件引入課堂教學中，加強學生的感性認識，培養學生掌握好相應的軟件并能獨立完成課程的實驗。但是筆者在近年來的教學和實踐中發現理論與實踐嚴重脫節，還有少數學生和工程技術人員完全依賴EDA軟件的仿真，想完全由EDA軟件代替人的思考。他們忽略了計算時所采用的Spice模型都是低等級的，通常無法準確描述如溝道效應和體效應等對結論的影響。

筆者的教學思路是在講解“模擬集成電路設計”課程的電路知識時，先通過簡單的理論推導得到相關的結論，接著采用EDA軟件仿真驗證這些結論。在此基礎上進一步深化理論推導，最后再采用EDA軟件驗證。

2 EDA軟件的介紹

選擇一個合適的EDA設計工具是順利進行實踐教學的關鍵。筆者選用了Tanner Research公司開發的Tanner Tools Pro軟件［1]。它雖然在功能上不如Cadence和Synopsys等大型商業軟件，但最大優點是成本低，可以在PC機上使用。該工具主要包含了S-edit(原理圖編輯)、L-edit(版圖編輯)、T-spice(電路仿真)、W-edit(波形觀察)和LVS(版圖與原理圖比對)等幾個工具，滿足了集成電路設計從前端到后端、設計驗證的一系列過程的需要，完全適用于“模擬集成電路設計”課程的實踐教學。在教學過程中我們發現學生對該軟件上手快，對于以后使用其他大型的IC設計工具也有一定幫助。

3 放大器頻率特性分析實例

3.1 零極點與波特圖的關系

1)放大器特輸函數

要理解掌握放大器的頻率特性，首先必須掌握電路系統的零極點的概念，以及零極點的位置與幅度、相位特性曲線變化的關系。為了簡化分析過程，令放大器傳遞函數為

上式中存在一階極點(零點)ω1，通過簡單的數學分析即可得到一些有用的結論。

對y取模后得到幅度特性

傳遞函數y的相位函數為

當ω1位于左半平面時對上式分析可得，當ω0.1 ω1時，φ(ω)=0;當ω=ω1時，φ(ω)=±45°;當ω≥10ω1時，φ(ω)=±90°。當ω1位于右半平面時，則反之。

可見，如圖2所示左半平面的一個零點最多引入+90°相移，在零點對應的地方為+45°，一個極點最多引入－90°相移，在極點對應的地方為－45°。右半平面的零點則反之。

圖1 零極點對幅度特性的影響

圖2 零極點對相位特性的影響

2)RC低通濾波器

為了使學生進一步掌握零極點位置與幅度相位變化的關系，以如圖3所示的一個低通濾波器為例。其傳遞函數為

其中，ω1=1/RC。

從上式可知該電路存在一個極點，如果取R=10kΩ、C=10pF，那么極點ω1=107rad/s，即極點頻率f1=1.59MHz。根據上述的結論可以直接畫出圖4所示幅頻特性曲線，其中ω1=107rad/s。

圖3 RC低通濾波器

圖4 低通濾波器頻率特性

采用Tanner軟件仿真得到如圖5所示。從圖5可知-3dB帶寬為1.59MHz，所對應的相位為-45°，該結果與計算結果完全一致。圖5中幅度以-20dB/dec變化，與圖4結果完全吻合。

圖5 RC低通濾波器仿真結果

3.2 頻率特性的簡單理論推導

以電阻為負載的共源級放大器為例，電路如圖6所示，其中CGS、CGD和CDB分別為寄生電容［2]。

圖6 電阻為負載的共源級放大器

為了避免學生面對枯燥的理論推導和難以記憶的公式而喪失學習興趣，首先采用最簡單的估算法得到電路輸入端極點的值為

輸出端極點的值為

同時注意到CGD提供一個信號的前饋通道，即X節點的高頻信號由CGD同相傳導到輸出端，而X節點信號也由M1反相傳導到輸出端。因此電路系統必定存在一個零點，使得輸出信號Vout等于0。于是有

式中，gm為跨導，Vx為圖6中x點的電壓。由上式得到零點頻率為

由于該零點位于右半平面，因此在該零點引入了-90°相移。

上述分析得到該電路存在兩個極點，一個零點。如果采用傳統的教學方法，很難解釋清楚這些零極點對電路性能的影響，必須采用EDA軟件。

3.3 頻率特性仿真與理論驗證

對圖6所示電路，我們取M1的W=2000μm，L=20μm，RS=50Ω，RD=30kΩ。采用MCNC 1.25μm CMOS Process工藝和2級Spice模型，分別進行直流分析和交流分析。從直流分析中可以得到M1管的工作狀態以及CGS、CGD、CDB等參數的具體數值。交流分析結果如圖7所示，從分析中可以得到頻率特性曲線和增益。其中增益為26.06倍，輸出極點fout≈509.33kHz，輸入極點fin≈76.58MHz。

為了簡化分析過程，器件的CGS、CGD、CDB等參數直接由直流分析給出。其中CGS=20.1pF、CGD=0.578pF、CDB=9.70pF、gmRD=26.06。因此由式(5)得到輸入極點ωin=559.59×106rad/s，所以fin=89.11MHz。由式(6)得到輸出極點ωout=32.43×105rad/s，所以fout=516.43kHz。該結果基本上與圖7所示的仿真結果相當。同時該頻率特性曲線和3.1節的結論幾乎一致。

圖7 共源級放大器頻率響應特性曲線

3.4 頻率特性的精確推導

為了進一步掌握其本質，需要得到精確的傳遞函數，首先得到如圖8所示共源放大器的小信號模型。

圖8 共源級放大器小信號等效圖

對于圖8，根據KCL和KVL方程可得

由式(8)和式(9)聯解可得

輸入極點:ωin=1/RS(1+gmRD)CGD+Ψ;

輸出極點:ωout≈1/RD(CDB+CGD);

零點:ωz=+gm/CGD。

其中，ψ=RSCGS+RD(CGD+CDB)。

4 結語

基于EDA平臺的教學有效地促進和推動了“模擬集成電路設計”課程的改革，將增益、頻率響應、電路的寄生電容及其對電路性能的影響等抽象和難理解的內容具體化，便于理解。同時整個教學過程涵蓋了半導體器件工藝、Spice模型、EDA軟件的使用和理論分析等，加大了教學信息量。通過EDA技術在課堂教學中對電路進行仿真驗證，解決了傳統教學中課堂與實驗室、理論與實踐嚴重脫節的問題，使理論和實踐更有效地結合。

［1] 武玉華，路而紅.非微電子專業“專用集成電路設計”課程建設研究［J] .南京:電氣電子教學學報，2005，27(6)

［2] 畢查德拉扎維著，陳貴燦等譯.模擬CMOS集成電路設計［M] .西安:西安交通大學出版社，2003年