EDA在“模拟集成电路设计”教学中的应用

罗志聪

(福建农林大学机电工程学院，福建福州350002)

“模拟集成电路设计”是每个集成电路设计人才必修的一门专业课程，但是传统的教学过程中存在许多的问题，因此有必要融合EDA软件以及现代多媒体教学手段对课程教学进行深入改革。

1 课程存在的问题

“模拟集成电路设计”是相对较难的专业课程。首先要求学生具备较扎实的基础，如“电路原理”、“模拟电路”、“数字电路”、“信号与系统”、“EDA技术”以及“半导体物理”等课程的基础;其次课程本身的理论分析也很复杂，较为抽象，如MOS管的寄生电容、放大器的频率特性和交流小信号增益等。

笔者首先将EDA软件引入课堂教学中，加强学生的感性认识，培养学生掌握好相应的软件并能独立完成课程的实验。但是笔者在近年来的教学和实践中发现理论与实践严重脱节，还有少数学生和工程技术人员完全依赖EDA软件的仿真，想完全由EDA软件代替人的思考。他们忽略了计算时所采用的Spice模型都是低等级的，通常无法准确描述如沟道效应和体效应等对结论的影响。

笔者的教学思路是在讲解“模拟集成电路设计”课程的电路知识时，先通过简单的理论推导得到相关的结论，接着采用EDA软件仿真验证这些结论。在此基础上进一步深化理论推导，最后再采用EDA软件验证。

2 EDA软件的介绍

选择一个合适的EDA设计工具是顺利进行实践教学的关键。笔者选用了Tanner Research公司开发的Tanner Tools Pro软件［1]。它虽然在功能上不如Cadence和Synopsys等大型商业软件，但最大优点是成本低，可以在PC机上使用。该工具主要包含了S-edit(原理图编辑)、L-edit(版图编辑)、T-spice(电路仿真)、W-edit(波形观察)和LVS(版图与原理图比对)等几个工具，满足了集成电路设计从前端到后端、设计验证的一系列过程的需要，完全适用于“模拟集成电路设计”课程的实践教学。在教学过程中我们发现学生对该软件上手快，对于以后使用其他大型的IC设计工具也有一定帮助。

3 放大器频率特性分析实例

3.1 零极点与波特图的关系

1)放大器特输函数

要理解掌握放大器的频率特性，首先必须掌握电路系统的零极点的概念，以及零极点的位置与幅度、相位特性曲线变化的关系。为了简化分析过程，令放大器传递函数为

上式中存在一阶极点(零点)ω1，通过简单的数学分析即可得到一些有用的结论。

对y取模后得到幅度特性

传递函数y的相位函数为

当ω1位于左半平面时对上式分析可得，当ω0.1 ω1时，φ(ω)=0;当ω=ω1时，φ(ω)=±45°;当ω≥10ω1时，φ(ω)=±90°。当ω1位于右半平面时，则反之。

可见，如图2所示左半平面的一个零点最多引入+90°相移，在零点对应的地方为+45°，一个极点最多引入－90°相移，在极点对应的地方为－45°。右半平面的零点则反之。

图1 零极点对幅度特性的影响

图2 零极点对相位特性的影响

2)RC低通滤波器

为了使学生进一步掌握零极点位置与幅度相位变化的关系，以如图3所示的一个低通滤波器为例。其传递函数为

其中，ω1=1/RC。

从上式可知该电路存在一个极点，如果取R=10kΩ、C=10pF，那么极点ω1=107rad/s，即极点频率f1=1.59MHz。根据上述的结论可以直接画出图4所示幅频特性曲线，其中ω1=107rad/s。

图3 RC低通滤波器

图4 低通滤波器频率特性

采用Tanner软件仿真得到如图5所示。从图5可知-3dB带宽为1.59MHz，所对应的相位为-45°，该结果与计算结果完全一致。图5中幅度以-20dB/dec变化，与图4结果完全吻合。

图5 RC低通滤波器仿真结果

3.2 频率特性的简单理论推导

以电阻为负载的共源级放大器为例，电路如图6所示，其中CGS、CGD和CDB分别为寄生电容［2]。

图6 电阻为负载的共源级放大器

为了避免学生面对枯燥的理论推导和难以记忆的公式而丧失学习兴趣，首先采用最简单的估算法得到电路输入端极点的值为

输出端极点的值为

同时注意到CGD提供一个信号的前馈通道，即X节点的高频信号由CGD同相传导到输出端，而X节点信号也由M1反相传导到输出端。因此电路系统必定存在一个零点，使得输出信号Vout等于0。于是有

式中，gm为跨导，Vx为图6中x点的电压。由上式得到零点频率为

由于该零点位于右半平面，因此在该零点引入了-90°相移。

上述分析得到该电路存在两个极点，一个零点。如果采用传统的教学方法，很难解释清楚这些零极点对电路性能的影响，必须采用EDA软件。

3.3 频率特性仿真与理论验证

对图6所示电路，我们取M1的W=2000μm，L=20μm，RS=50Ω，RD=30kΩ。采用MCNC 1.25μm CMOS Process工艺和2级Spice模型，分别进行直流分析和交流分析。从直流分析中可以得到M1管的工作状态以及CGS、CGD、CDB等参数的具体数值。交流分析结果如图7所示，从分析中可以得到频率特性曲线和增益。其中增益为26.06倍，输出极点fout≈509.33kHz，输入极点fin≈76.58MHz。

为了简化分析过程，器件的CGS、CGD、CDB等参数直接由直流分析给出。其中CGS=20.1pF、CGD=0.578pF、CDB=9.70pF、gmRD=26.06。因此由式(5)得到输入极点ωin=559.59×106rad/s，所以fin=89.11MHz。由式(6)得到输出极点ωout=32.43×105rad/s，所以fout=516.43kHz。该结果基本上与图7所示的仿真结果相当。同时该频率特性曲线和3.1节的结论几乎一致。

图7 共源级放大器频率响应特性曲线

3.4 频率特性的精确推导

为了进一步掌握其本质，需要得到精确的传递函数，首先得到如图8所示共源放大器的小信号模型。

图8 共源级放大器小信号等效图

对于图8，根据KCL和KVL方程可得

由式(8)和式(9)联解可得

输入极点:ωin=1/RS(1+gmRD)CGD+Ψ;

输出极点:ωout≈1/RD(CDB+CGD);

零点:ωz=+gm/CGD。

其中，ψ=RSCGS+RD(CGD+CDB)。

4 结语

基于EDA平台的教学有效地促进和推动了“模拟集成电路设计”课程的改革，将增益、频率响应、电路的寄生电容及其对电路性能的影响等抽象和难理解的内容具体化，便于理解。同时整个教学过程涵盖了半导体器件工艺、Spice模型、EDA软件的使用和理论分析等，加大了教学信息量。通过EDA技术在课堂教学中对电路进行仿真验证，解决了传统教学中课堂与实验室、理论与实践严重脱节的问题，使理论和实践更有效地结合。

［1] 武玉华，路而红.非微电子专业“专用集成电路设计”课程建设研究［J] .南京:电气电子教学学报，2005，27(6)

［2] 毕查德拉扎维著，陈贵灿等译.模拟CMOS集成电路设计［M] .西安:西安交通大学出版社，2003年