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浙江大学硕士学位论文电源线与地线芯片的电源线与地线的设计影响

发布时间:2019-08-09 20:41 来源:未知 编辑:admin

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  浙江大学硕士学位论文电源线与地线芯片的电源线与地线的设计影响到芯片的性能。对于电源线 为了避免沿电源总线可能有的大的直流或瞬态电压降 同时 为了保证电路的长期可靠性 电迁移要求电源总线要有最小的宽度。可采取并联两层或更多层金属的方法来减小串联电阻及缓和电迁移的限制。 信号串扰连线的长度越大 则连线电容与连线电阻也越大 从而产生信号串扰。版图设计要对敏感信号线“屏蔽”。在敏感信号线的两边都不一条地线 使干扰线发出的大部分电场终止于地线而不影响信号线。 两层金属版图的互连 工艺采用两层金属布线。两层金属布线使系统得布线灵活性提高 同时 第二层金属与硅衬底之间的分布电容小于第一层金属与硅衬底之间的分布电容 降低了分布参数。但是第二层金属不能与器件的物理层直接相连 必须经过第一层金属。 衬底耦合衬底耦合也称衬底噪声 是指衬底通过一个类似电感的内引线与地相连接 使衬底在电路中不同的器件之间建立有害通路 造成敏感信号的损害。衬底噪声的最主要的耦台机理是通过体效应 晶体管的阈值电压随衬底电压的变化而变化进而改变了 管的过驱动电压 影响模拟信号的输出。随着噪声源数目的增加 衬底耦合问题变得更显著。为了减小衬底噪声的影响 可用“保护环”将敏感模块与其他电路产生的衬底噪声进行隔离。保护环就是一条包围敏感电路、由衬底组成的带状封闭环 它为衬底产生的电荷提供较低的地阻抗。由于 阱注入较深 因此可以通过阻止噪声电流在表面附近流动来增强保护环的作用。””布线的基本原则是 一般连接线都用铝线实现 并且每一层铝线必须满足其最小宽度与线与线间的最小间距要求 连线以最近连接为准则 连线时应避免出现天线效应 浙江大学硕 学位论文 连线原则上要求每相邻层选择平行于垂直方向间隔走线。。 控制芯片的布局布图在综合考虑了以上的因素之后 设计出了 控制芯片的布局布图 如图 所示。 首先 控制芯片中既有模拟电路也有数字控制逻辑电路 因此 将数字电路与模拟电路分开 然后 对系统中各个模块进行分析 找出其中有振荡或者含有高频噪声 或者是大电流从而成为热源的模块 简言之 就是会干扰其它电路的模块。在本系统中 此类模块为 电压误差放大器、振荡器和驱动电路 系统中还有一些模块是精度要求高 对温度敏感 容易受干扰的 如基准电压源 对器件匹配的要求高 另外还须考虑信号线的分布以及互连。在特征尺寸日益减小 芯片规模日益增大的今天 信号线的互连不仅在芯片面积上 更在系统性能上占据了越来越重要的地位。 系统中还有许多电流偏置 是以电流镜的形式产生的一系列恒流源。为了减少连线压降 采用一种称为“ ”的方式 如图 所示 如果采用 的方式 那么由于连线电阻引起的压降就会使电流镜产生误差 尤其在连线很长的场合 此种误差就会不容忽视。改进为 的形式 将电压分布转换为电流分布 这样就能有效地减少压降 减小误差。浙江大学碗上学位论文图 控制芯片布局布图一 电压分布式电流镜图电流分布式电流镜在版图设计中必须考虑温度对电路的影响。因为晶体管的工作状况与工作环境温度密切相关 芯片中的电阻和电容值也与温度有关 也会对电路性能产生影响。在模拟 设计中为了减小基准电压源、直流偏置等电路的输出电压温度系数 都考虑了一定的温度补偿措旖。然而 这些措施只在整个芯片温度均匀变化时才有效 当芯片各处存在温度误差时 这种补偿并没什么效果。实际上 集成浙江大学硕 ‘学位论文电路芯片上存在着温度梯度 它会使电路的温漂特性变坏。而本设计中的驱动级电路在正常工作时的电流可达上安培 剧烈的发热 带来的问题较为严重。在考虑热源影响时 通常从两方面进行分析 一方面需要分析电路中那些模块或器件必须保持热匹配 另一方面需要分析热源所产生的温度分布情况。在该 控制芯片中基准电压源中的带隙基准电路部分需要严格保持热匹配。芯片上等温线的大致分布可以由热源图形的对称性以及芯片形状对它的影响来估计。芯片上的温度分布虽然与芯片的散热条件有关 但总的趋势是离热源越远温度越低 温度梯度也越小。因此 基准电压模块电路放置在离驱动模块最远的另一边界 将那些受热源影响较大的元件置于远离热源的等温线上 匹配元件尽量对称地置于热对称轴的两侧 以降低芯片上温度梯度对其影响。在进行版图规划时通常要考虑系统整体信号流走向。信号基本上由误差放大器 经过电流比较器 再与振荡器的输出波形相汇合至数字逻辑模块 与其他一些保护及检测信号一起控制驱动级电路模块。因此在版图上也应尽量遵循信号流方向 使信号在整体上基本按照一个主方向流动。这样做至少有两点好处 首先可以大大减少版图上的不必要的迂回布线 缩小布线通道的宽度 从而节省面积 其次 可以减少信号线之间的干扰。在 控制芯片中 电源线需要特别考虑。由于驱动电路部分的工作电流为 的交变电流 给驱动模块电路单独增加两个内部 引脚 分开它们分别通过封装引线 在外部供电电源引脚 处连接到一起 可大大降低对系统的影响。 基准电压源基准电压源的版图如图 是基准电压源的电路图。系统要求基准电压源输出精确的电压所以需要有精确的电阻。基极一扩散电阻有十 的工艺误差。为了得到精确的电阻 必须使用微调技术。要很好地实现微调 首先要在电路上精心设计。在 工艺中是利用齐纳管来实现微调的。如图 之间一个特殊结构的齐纳管在芯片加工后期根据需要 利用大电流 熔断齐纳管 以改变电阻值。 浙江大学顾 学位论文其实 中的微调也不是用一个电阻来实现的而是采用了一个“电阻树” 图中的每一个电阻完全相同复制 这样的目的是为了尽量消除工艺误差 更为可靠的调整电阻值。微调电阻的版图实现也要注意“等比例复制”的原则 与被调节的电阻放置在一起 使用全等的电阻条来实现。如图 的方框所示的管阵列是图 需要输出大电流。用管阵列而不是一个大面积的 使每个管流过合适的电流是因为晶体管大电流工作时会出现大注入效应和电流集边效应。 晶体管大电流时大注入效应当晶体管的工作电流增大到某一数值时 它的电流增益 将随工作电流的继续增加而减小 这种现象常常称为大注入效应。一般认为它的形成原因有两种可能。一是发射区的载流子大量注入到基区中时 基区的少数载流子形成很高的积累 使基区的电阻率下降 产生所谓的“基区电导调制效应”。此时发射区向基区的注入效应下降 因而 减小。这就是晶体管大电流时大注入效应。 发射区的电流集边效应由于晶体管基区的电阻率比较高 因而 当基区中有大电流流过是 在电流浙江大学硕 ‘学位论文流动的方向上会产生一个较大的电压降 这就是基区的自偏压效应。这时发射区各处的电压 也就不同 与基极引线孔相邻处的发射区边缘的 最大 随着罩基极引线孔距离的增加 逐渐减小。由于流过正偏 结的电流与结上的压降呈指数关系 因而发射区的注入电流密度也将有一个横向分布。邻近基区引线孔德发射区边缘上电流密度最大 而离基极引线孔最远的发射区所对应得电流密度最小。这就是发射区的电流集边效应… 在版图设计上 需要考虑输入差分对管的匹配问题。输入 对管的对称性 对电压误差放大器的输入失调电压、输入失调电流、共模抑制比及热稳定性等都有很大的影响。因此必须涉及好对称的输入极。对称性设计是一个综合性的问题 它涉及材料、工艺和版图设计等几个方面。 结正向电压可写成下式 分别是发射极电流和发射区面积为发射结反向饱和电流密度 它由工艺和材料特性决定。如果工艺和材料均匀性好 对管的发射区面积之差就成为引起失调的主要因素。为了保证 对管的对称性 应该使用交叉祸合热对称设计。热对称设计与整个版图的布局 特别是发热元件的位置关系密切 管芯上的温度分布、管芯的热传导等因素有关。首先 在总体设计上务必使输入对管尽量远离热源。因为电路的输出极是整个电路的热源 所以对管远离输出极可以有效地减小热扰动对输入对管的影响。也要安放热源使芯片上形成热对称线。其次 对管应对称而紧凑的安放在电路热对称线的两侧 并考虑等温线的位置 阻使它们之问的热对成性得到进一步的改善。 限制匹配程度的另一个因素是晶片模上与工艺相关的梯度值。这种因索的影响可以通过使用对某些类型的工艺梯度值不敏感的几何形状的适当的器件来部分地缓和。这种几何形状称为共质心 圆圈所示是输入差分对管的共质心版图。其中组成差分对的晶体管由晶体管组成的四角形交叉连接组成。从几何学上讲 两个合成器件的质心都处于这一结构的中心。…本次设计中采用最好的对称方法一中心对称法。采用中心对称法设计 从原则上可以有效地克服与距离有关 如温度、材料、光刻等 不均匀性对差分对管的影响。浙江大学硕上学位论文图 圆圈所示的用于放电的高压晶体管。振荡器电路会对其他模块产生影响 方框所示的高压管在每个振荡周期大电流放电一次 会影响其他晶体管的工作。信号之间的相互干扰在浙江大学硕士学位论文很大程度上是通过芯片衬底耦合的 特别是地电平上的毛刺 会严重影响电路的工作状况 因此有必要在电路周围加保护环以减少电路之问的相互干扰。保护环是连接在芯片衬底上的一圈接地线或电源线的金属线 对内部的电路起屏蔽作用 即外部电路产生的信号不会干扰保护环内部电路的工作 而且保护环内部的电路也不会对外部电路产生干扰。如图 所示版图的最外面一圈就是保护环在工艺上用大量的小接触孔将金属线连到芯片衬底上 然后将整块金属接地电平。保护环还具有防止闩锁效应 高压浙江大学顿 学位论史 偏置偏置电路的版图如图 的方框所示为叉指结构晶体管。大尺寸晶体管的版图一般可以采用并联晶体管结构 以及减小多晶硅栅电阻的方法来实现。由于节点电容的大小对电路的动态性能有很大的影响 因此采用并联晶体管结构后 管在同样的宽长比的情况下 由于采用了共源区和共漏区的结构 大大减小了源区和漏区的总面积 因此也就减小了节点电容 同时也减小了 结电容有利于改善电路的动态特性。为了减小 结面积和栅电阻 沟道宽度大的晶体管用折叠得形式。对于图 圆圈所示的晶体管 使用了叉指结构。根据经验 每一个指状晶体管的宽度选取要保证该晶体管的栅电阻小于跨导的倒数。并联 管的个数也就是叉指的个数 由器件的沟道宽度和每一个叉指所对应得 管的沟道宽度决定。决定小尺寸的 管的宽长比要考虑单个器件的性能优化、全部并联器件所占用的面积、版图平面布局的要求和工艺离散性的影响。图 椭圆所示的共源共栅结构晶体管具有相等的沟道长度。采用共有有源区的原理 并且根据工艺设计规则要求由于该连接区无外接线 这个共用的有源区的面积可以进一步减小 只要满足两个多晶之间的间距即可 如此可大大减小共源管的漏极电容 从而提高高频性能。 浙江大学硕 学位论文图 浙江大学硕士学位论文第五章结论与展望我国不断发展的电源市场对开关电源控制芯片的需求日益增加目前国内的开关电源正从传统的双极工艺电压模式控制过渡到 工艺电流模式控制。因此本文研究设计了一种电流型 控制芯片。该芯片拟采用 工艺制成 这样可以兼有 工艺功耗低、集成度高和双极型工艺速度快、驱动能力强模拟精度高、跨导高的优点。文中所做的工作包括在了解开关电源技术的发展现状基础上 对电路原理进行了分析、提出了系统与电路的设计方案 并加以仿真验证、开展了相应的版图设计。本文第二章内容为电路原理分析。首先介绍了 洲工作方式的基本原理 然后分析电路结构 将整体电路划分为子功能块 给出功能框图。本文第三章内容介绍了控制部分的子电路 欠压锁定电路、基准源电路、电压调节器、振荡器电路、电压误差放大器、电流比较器、过流保护、数字逻辑和驱动电路。本文第四章介绍了所采用的 工艺及流程、器件的结构、控制部分子电路版图。受时间所限设计完成的电路尚未完成实际流片 因此 相应的电路测试和验证均未能开展 有待下一步工作去完成。随着 技术的迅猛发展对低功耗和低电源电压设计提出了更高的要求 在今后的 删控制芯片的设计中将对此加以充分的关注。由于便携设备的增多 要求效率更高、集成度更高的电源控制芯片加以配合。把高压大功率开关管和低压控制电路集成到一片单芯片上也将是今后电源控制芯片发展的一个重要方向。船浙江人学硕士学位论文参考文献【 模拟集成电路设计等著模拟集成电路的分析与设计 电路设计、布局与仿真王鸿麟等编著现代通信电源 刑岩蔡宣三等著高频功率开关变换技术 蔡宣三等著高频功率电子学 求和比较器在删开关电源控制中的应用 等著模拟集成电路设计 等著模拟集成电路设计【 等著集成电路掩模设计 系统芯片电源管理模块的设计电路与系统学报张宇弘 采用工艺的 电源管理 模块微电子学 微电子制造科学原理与工程技术第二版 电子工业出版社 秦世才高清运模拟集成电子学北京 科学出版社 “模拟集成电子技术教程”高等教育出版社 智能功率开关电源设计半导体技术 蔡宣三开关电源发展轨迹电子产品世界 开关稳压电源电源技术 越建统薛红兵电源产业及电源技术的发展趋势电气时代 崔文静王奇峰电源产业跨入变革时代电气时代浙江大学颁七学位论立 苑国良丌关电源发展的新趋势机电一体化张小林冉建桥我国开关电源发展的思考微电子学俞阿龙电流控制 开关电源电声技术 模拟集成电路复旦大学微电子教研组编

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