低压低功耗模拟集成电路设计简介及探讨

文理祥

摘要：集成电路系统设计通常为数模混合电路的系统设计，其中的数字集成电路设计部分，通常可以依靠一些电路综合系统软件来简化设计流程，例如使用Lattice公司的ispLEVER、Altera公司的QuartusⅡ等等软件，通过利用这些数字集成电路设计自动化EDA的辅助工具，可以极大降低数字集成系统设计的复杂度。相对的，模拟集成电路设计EDA辅助工具发展就比较滞后，导致集成电路系统中的模拟集成电路部分，其每个细节都需要工程师亲自去设计与调整，特别在工艺特征尺寸越来越小的当下，为兼容数模混合工艺需求，模拟集成电路设计面临更进一步的低压低功耗需求，极大增加了设计难度。

关键词：模拟集成电路设计；低压低功耗；数模混合；工艺特征尺寸

随着人们对电子设备，特别是对移动电子设备功耗指标要求的进一步提高，集成电路系统设计面临更低的电源电压与功率损耗需求。对于集成电路系统的数字集成电路方面而言，其数字逻辑电路的主要功耗来源于动态功耗，且该动态功耗值与电路电源电压的平方成正比，亦与工作频率成正比，而模拟集成电路方面的功耗来源更为广泛与复杂，综合整个集成电路系统而言，降低功耗最有效的方法依旧是降低电源电压，由此，当前的集成电路系统设计更偏重于低压低功耗设计。然而，在仅仅降低电源电压的情况下，模拟集成电路方面的功耗并没有我们期望的那样降低，类似的现象令模拟集成电路的低压低功耗设计面临着诸多挑战，引起了业界广泛的重视与关注。

1.模拟集成电路设计的特点

数字集成电路标准单元库的存在极大简化了数字集成电路的设计流程，那么我们是否可以也建立相应的模拟集成电路标准单元库，以实现模拟集成电路的流程化通用设计？实际上，上述期望的这种通用标准单元相当难以定义及实现，因为模拟集成电路设计考量的因素比数字集成电路设计要复杂的得多。当前，模拟集成电路设计主要特点如下：

（1）模拟集成电路性能指标参数最优值侧重点选择困难。描述模拟集成电路性能指标的相关参数项非常多，以模拟集成电路中常见的基准电压源设计为例，其性能指标包括了静态功耗、基准电压精度、基准电压温度系数、电源电压波动抑制能力、电源电压允许变化范围、基准稳态电压建立时间、线性调整率、负载调整率、噪声参数等多个参数项。在实际设计时，我们不可能让其所有性能指标在所有范围内均达到最优值，只能酌情侧重于某些具体的性能指标来设计。比如一个所有性能指标均要达标的基准电压源电路，它将仅能有极个别的指标在一定的范围内具有最优值，这个指标参数可以选择基准电压温度系数或者其他项，如此整个电路系统的成本才是最合适的，这就需要我们对系统所要求的模拟集成电路各项性能指标参数理解深刻并能做出合理选择。

（2）模拟集成电路拓扑构造的描述很难流程化综述与管理。对数字集成电路而言，只需处理1和0两种逻辑输出变量，于是我们可以根据所需要功能输出结果很方便地抽象描述出不同类型的通用逻辑单元，并根据合理简洁的流程逻辑设计思路将这些通用逻辑单元复用于不同层次的电路设计，如此简化了数字集成电路的設计过程。而模拟集成电路的众多输出变量导致我们难以综述出一个简洁且有效的设计流程，只能是根据具体输出要求与具体步骤来进行相应指标的详细设计，从中很难抽象描述出所需的通用单元，更不要说复用。

（3）模拟集成电路的功能模型设计和底层电路仿真设计繁冗。模拟集成电路设计EDA辅助工具发展比较滞后，且模拟集成电路设计考量的因素比数字集成电路设计要复杂的得多，导致集成电路系统中的模拟集成电路部分的每个细节都需要工程师亲自去设计与调整。很多情况下，模拟集成电路设计者需要根据系统各个部分功能需求的不同，慎重选择及设计出相应的电路拓扑，并依据自己的经验和直觉对电路进行反复模拟仿真及参数修正，即只能利用自己的经验和直觉来设计电路和分析仿真结果，且待电路性能指标满足要求后，才能手工绘制出用于生产芯片的layout。

（4）模拟集成电路对干扰源十分敏感，需要针对性的加强设计才能具备良好的抗干扰能力。对于数字集成电路而言，简单的1和0输出变量令其噪声容限之类的性能指标相当容易得到满足，因此数字集成电路的抗干扰能力极强。但对于模拟集成电路，由于其处理的输入信号通常表现为连续及平滑的模拟信号，则系统外部或内部的干扰信号极易与此输入信号混淆累加，所以模拟集成电路对这些干扰源的响应比数字集成电路要敏感得多。干扰源混淆的路径包括了公共的电源线、公共的地线、管芯隔离阱的寄生二极管、管芯的衬底，甚至隔离氧化层间的耦合寄生电容等等集成电路设计中不可规避的影响，所以模拟集成电路的设计不仅仅关心如何获得最小的管芯面积，还必须精心设计匹配器件的对称性、细心处理电路互连时所产生的各种寄生效应，必须充分考虑温度漂移、偏置变化、工艺偏差及其他相关寄生参数对模拟集成电路性能影响。

2.模拟集成电路的设计思路

针对不同模拟集成电路系统的不同要求，业界已分别进行了广泛的研究。特别在低压低功耗模拟集成电路设计方面，针对该类电路设计的局限条件，一般在确定流片工艺的前提下，比较可行的方法是尽可能的采用低电压余度消耗类型的电路拓扑构架来实现设计，比如采用低压共源共栅电流源偏置电路来替代普通电流源偏置电路等等。同时，也可以让MOS管器件工作在亚阈值工作区状态，即是在低电压余度消耗类型的电路拓扑中，额外再加入对MOS管器件衬底电压的控制，从而降低MOS管的实际阈值电压值。而在已经降低了MOS器件阈值电压的前提下，还可以进一步采用轨对轨之类的电路设计思路，以提高模拟集成电路的可用设计冗余量，从而提高了设计效率。此外，基于数模混合工艺兼容的考虑，还可以从工艺的特殊器件方面着手，利用用衬一源结的特殊偏置寄生器件、沟道JFET等技术来进一步完善低压低功耗模拟集成电路设计。

此外，针对可以选择不同流片工艺来进行模拟集成电路系统设计的情况，特别是可选择更小特征尺寸流片工艺的情况，还需阐述如下。相对而言，由于器件尺寸的变小，器件物理结深的减小，导致器件的性能与原先大尺寸器件相比弱化了不少，而在器件的性能弱化的情况下，为了模拟集成电路依旧能保持良好的性能指标，业界还发展出了组合晶体管构架、硅绝缘体技术（SOI）等新技术。其中，硅绝缘体技术（SOI）可以在确保数字集成电路的高集成度、高速运算、低动态功耗等性能指标要求得到满足的同时，还尽可能的减小了不希望出现的寄生参数项，例如衬底寄生电容等等，如此极大满足了模拟集成电路设计的需要，降低了集成电路系统的设计难度。并且，SOI技术以及在该技术基础上发展起来的全耗尽SOI、部分耗尽SOI等技术，为模拟集成电路的低压低功耗设计提供了更为全面的解决思路。

结束语

当前的集成电路系统是数字集成逻辑与模拟集成电路并存的系统，其中的模拟集成电路设计部分，特别是低压低功耗模拟集成电路设计，是需要多次性能指标折中及多阶段参数迭代的电路设计，尽管目前模拟集成电路的设计方法有了巨大的进步，但依旧需要工程师花费大量时间和精力亲自去设计与调整模拟集成电路中的每一个细节。当然，随着生产工艺水平的提高、Foundy工艺PDK的优化完善、EDA辅助工具的发展进步，模拟集成电路设计正步入崭新的时代。

（作者单位：南京通华芯微电子有限公司）