基于Cadence的模擬集成電路設計課程教學方法研究

王耀

摘 要：本文主要探討了基于Cadence的模擬集成電路設計課程教學方法。通過基準電流源設計實例，闡述了利用Cadence進行該課程教學的過程和細節，解決了傳統的教學方式理論難以聯系實際的弊端，有助于培養學生的電路設計能力。

關鍵詞：Cadence；模擬集成電路；教學方法研究

集成電路技術是信息技術的支柱之一，而我國在該領域上與發達國家還有較大差距，集成電路專業人才缺口極大，因此國內很多高校均開設了集成電路課程，不斷加大集成電路專業人才的培養力度。

集成電路相關課程的教學與模擬電路、數字電路等傳統的電子信息類專業課程教學有較大的區別。該課程涉及半導體技術的多個領域，尤其是模擬集成電路設計課程，涉及到半導體器件、電路分析設計、電路仿真技術、版圖設計等多個方面。因此，如何在教學中使學生能夠掌握如此龐雜的知識，引領學生把握集成電路設計的關鍵方法，啟發學生的創新思維，并使學生在畢業后能夠達到工業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的模擬集成電路設計課程教學方法。本文首先介紹了基于Cadence的模擬集成電路設計課程教學體系；然后以基準電流源電路的設計為案例，介紹了針對該電路的設計/分析/仿真的教學方法；最后對文章進行了總結。

1基于Cadence的集成電路專業教學體系

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

對于教學而言，學校可以安裝Cadence軟件服務器版本，通過廠家的授權安裝后，學生可以通過網絡遠程登陸使用該軟件進行實驗學習。將此軟件應用到模擬集成電路的教學過程中，讓學生獨立完成相關實驗，可使學生更好的掌握模擬集成電路設計的流程。學生在學習相關理論知識的同時可以通過仿真加深對所學知識的理解，同時也可培養集成電路的學生的實際工作能力，可以更好的為工業界培養相接軌的集成電路設計專業人才。

2基于Cadence的基準電流源的設計

本文選擇基準電流源的設計作為設計實例，由于電流源廣泛應用于模擬、數字電路當中，并且基準電流源的設計一般結構簡單，僅由MOS管構成，分析過程簡單明了，以其作為模擬集成電路的教學可以使學生較快的接受和掌握模擬集成電路的設計過程。

基準電流源是指集成電路中用來給其余的電路如模數＼數模轉換器、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準電流源的復制，基準源的性能好壞直接影響到整個芯片電路的性能。

基準電流源的設計過程中有以下幾個比較重要的參數。

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

其中TC為基準電流源的溫漂系數；IMAX為基準電流最大值；IMIN為基準電流最小值；IMEAN為基準電流平均值；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，工藝波動往往導致實際結果與目標值有較大的偏離，從而影響芯片的成品率，增加了重復流片的成本。對于基準電流源的設計，由于其對電路精度要求較高，在設計的過程中必須考慮工藝偏差對輸出基準電流的影響。

低功耗設計。為使基準電流源可應用于射頻識別電路、物聯網傳感器網絡、植入式醫療設備等大規模低功耗集成電路中，其必須滿足低功耗的設計要求。

在模擬集成電路專業的教學中，除了教授課程的主題內容之外，教師還應當積極的關注所研究內容的學術研究前沿，將這些知識進行整理歸納，有針對性的帶入課堂。同時應培養學生分析傳統電路結構的能力，在此基礎上引導學生自己去選擇自己所設計電路的創新點，培養學生的創新思維，然后利用Cadence軟件去驗證改進自己的電路結構，從而保證課堂教學的理論先進性與工程實踐性。

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

2.1傳統基準電流源分析

求和型基準電壓源工作原理：將與絕對溫度成正比（PTAT）的電流和與絕對溫度成反比（CTAT）的電流加權相加，得到零溫度系數的基準電流IREF。基準電流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，ΔT=（T-T0），T0為室溫。從上式（2）可以看出，當IP0αp=IC0αC時，可以得到零溫度系數的基準電流，由于IP0、IC0、αp、αC會隨工藝變化，所以此類的基準電流源需要大量的校準電路。

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

2.2基準電流源理論分析

本文提出的與工藝無關的基準電流源的結構示意圖如圖1所示，主要由補償電壓發生器和一個電壓/電流轉換電路構成。該電路結構的核心是產生一個補償電壓，可以將片上電阻的溫度系數抵消掉。假設補償電壓VC與電阻R的值隨溫度是線性變化的，那么基準輸出電流就可以用式3表示：

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

設計基準電流源電路原理圖如圖2所示，該電路由偏置電路，溫度補償電路，電流轉換電路組成。

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，產生偏置電流，通過MP1、MP2電流鏡，注入到溫度補償電路中。溫度補償電路由MN1、MN2組成，利用不同閾值電壓的MOS管的閾值電壓差構成補償電壓。其中所有的MOS管均工作在亞閾值區以降低功耗。運放可采用工作在亞閾值區的兩級米勒運放。

本設計所用的電阻為片上多晶硅高阻，具有負溫度系數，其阻值與溫度的關系為：

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

在分析傳統求和型基準電流源的基礎上，提出了所要設計的基準電流源的結構示意圖，并對電路的原理進行了詳細的理論推導，下一步就是利用Cadence軟件對電路的原理圖進行仿真與優化，去驗證理論推導的正確性。

3利用Cadence進行基準電流源原理圖仿真

Cadence軟件中對電路原理圖的設計與仿真的基本流程是：創建原理圖文件；原理圖編輯；設置器件參數；電路檢查與保存；原理圖的仿真設置；調整器件參數；重復仿真優化。

在教學的過程中，可以讓學生在Virtuoso Schematic Composer中繪制基準電流源電路，并通過Spectre工具進行仿真，圖4就是繪制好的基準電流源電路原理圖，根據式12可以看出，補償電壓的溫度系數可以調節MN1、MN2的尺寸比來設置，但是其值很難通過手算來設置，因此可以利用Cadence軟件的自動擬合工具來設置。擬合設置的界面如圖5所示，設置基準電流源溫度系數的目標值為最小值，設置MOS管的初始值，讓Cadence軟件自動擬合計算即可。

使用軟件擬合結束后，將此值作為初始值，去仿真基準電流源在不同工藝角下的溫度特性，進而學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源的溫度特性曲線。可以看出基準電流在不同工藝角下都具有較好的溫度特性。

4結束語

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計課程教學方法，結合一種低工藝偏差的基準電流源的設計，從理論推導到電路的仿真驗證進行了逐一介紹。通過實例分析，拓展了Cadence軟件的應用形式，將其做為一種教學輔助工具引進到集成電路的課堂教學中，可以使集成電路設計專業的學生掌握電路設計的流程及方法，培養創新思維，從而解決了模擬集成電路設計課程教學中學生難以將所學的理論知識與實際應用結合的問題。