JFET輸入雙運算放大器集成電路芯片的版圖設計

羅志勇++田健

摘要：介紹了基于4μm雙極對通隔離兼容JFET工藝的雙運算放大器集成電路芯片的版圖設計。版圖設計的主出發點是高精度、高速和高可靠性三方面。版圖中各模塊采用對稱設計，關鍵元件的匹配采用了共質心對稱設計。芯片測試結果表明，JFET輸入雙運算放大器的輸入偏置電流和失調電流均達到了200pA以下，電路的轉換速率達到了10V/μs，增益帶寬積4.5MHz，很好的實現了預定電路功能。芯片成品率達90%。

關鍵詞：JFET；運算放大器；版圖設計；可靠性

0 引言

該JFET輸入運算放大器主要用在高速積分器、快速D/A轉換器、采樣-保持等電路中，其關鍵技術指標是高精度、高速和高可靠。作為集成電路設計流程中最重要的一個環節，芯片版圖的設計將是提高電路精度、成品率和可靠性的關鍵因素。

1 芯片功能及原理圖

本文設計的JFET輸入雙運算放大器輸入偏置電流最大200pA，失調電流最大50pA，失調電壓最大2mV，共模抑制比最小85dB，電源抑制比最小85dB，電壓增益最小90dB，轉換速率最小10V/μs，增益帶寬積最小4.5MHz。電路由失調調零電路、輸入ESD保護電路、偏置電路、差分輸入電路、電壓放大電路、輸出擴流電路、保護電路組成。電路原理圖如圖1所示。

2 芯片版圖設計

2.1 芯片版圖的平面設計

本文設計的JFET輸入雙運算放大器最大的熱源就是輸出擴流電路，為了保證電路精度，降低溫度對輸入部分的影響，應該將差分輸入電路遠離輸出擴流電路；保護電路需要測量輸出管的電流和結溫（主要是電流），因此需把它放在貼近輸出擴流電路的位置；電路失調調零電路考慮到電路中測應放在芯片邊緣；偏置電路采用正溫度系數的擴散電阻和負溫度系數的齊納二極管串聯，基本消除了溫度的影響，可以放在輸出擴流電路邊上，同時降低了溫度對差分輸入電路的影響。

考慮到電路的高可靠性能，在電路的輸入、輸出、電源端均加上ESD保護電路，提高電路抗靜電等級。

綜上所述，結合具體布線情況，得出了芯片版圖的整體布局，如圖2所示。

2.2 主要模塊及元器件版圖設計

本設計采用4μm雙極對通隔離兼容JFET工藝，單層金屬布線，共15次光刻版，全部采用負膠接觸光刻。最小特征尺寸為4μm，外延層厚度12μm，電阻率3Ω·cm，基區結深2.5～3.0μm。

2.2.1 標準元器件版圖設計

本設計中用到的標準元件主要有P溝道JFET、外延型JFET，小功率npn晶體管、橫向pnp管、電阻、電容。P溝道JFET溝道長度設計為10μm。外延型JFET溝道寬度設計為32μm。小功率npn晶體管發射區下限尺寸主要受光刻精度的限制，小于4mA的npn晶體管發射區為φ22μm圓形，發射極電流按0.1mA/μm計算【1】；4～25mA的npn晶體管發射區設計為200μm×18μm的矩形。縱向pnp晶體管發射區設計為350μm×30μm的矩形，同時在發射區做重摻雜，提高縱向pnp管的大電流增益。橫向pnp管基區寬度設計為14μm。

另外，設計時還采用了發射極鋁層大面積覆蓋（過EB結勢壘區），以減少表面復合，提高npn管和橫向pnp管的小電流放大倍數【1】。

本設計中采用的電阻主要有基區電阻和高硼注入電阻。對于精度要求高、匹配性好的電阻采用基區電阻，如差分輸入端要求精確匹配的電阻。為了保證電阻的精度和好的匹配性，設計時盡量避免彎頭的出現。其余要求不高且阻值較大的電阻采用高B注入電阻，為了形成可靠的歐姆接觸，在接觸孔下的擴散區做了重摻雜。

電容器的設計采用MIS電容器，考慮電路對轉換速率的要求，電容面積按2pF/10000μm2計算。

2.2.2 差分輸入電路的版圖設計

差分輸入電路的精度是影響JFET輸入運算放大器的最主要因素。因此，在版圖設計時除了合適的布局外，還要充分考慮到該部分電路所用元器件的匹配性，設計時主要采用以下匹配原則：（1）JFET采用統一的幾何形狀，放置在最相鄰的位置，采用共質心拓撲結構交叉耦合的版圖設計【2】；（2）JFET所屬隔離島外圍實行N+重摻雜，保證隔離島等電位，減小JFET表面漏電；（3）npn晶體管發射區采用φ22μm圓形結構，放置在JFET邊上，采用交叉耦合的版圖設計，減小輸入級有源負載失配對失調的影響；（4）匹配好的JFET遠離芯片熱源，放置在芯片的對稱軸上；（5）所用電阻均為基區電阻，條寬為20μm。采用上述原則設計出如下結構：

經布局規劃，模塊實現和版圖優化，得到芯片的整體版圖（圖4），芯片版圖尺寸為：3380μm×1860μm。

3 流片結果及分析

芯片版圖經總體布局、布線設計完成后，對版圖進行了DRC和LVS檢查，并在流片廠雙極對通隔離兼容JFET工藝線成功流片，芯片圖形如圖5所示。

表1是該運算放大器樣品的上機測試參數與國外同型號產品對比結果。從表1可以看出，該運算放大器達到了國外同型號產品的參數要求（實測時TI公司同類產品IB為100pA左右，Linear Technology公司同類產品IB為150pA左右），可以替代進口的同型產品。

4 結語

為了實現高精度、高速、高可靠運算放大器，本文設計出了一種輸入級完全對稱的版圖結構。芯片版圖經總體布局、布線設計完成，并在流片廠成功流片。結果表明，該芯片的性能指標優于國內同型產品，版圖設計很好地實現了電路功能，初測芯片的成品率達90%。

參考文獻：

[1]復旦大學微電子教研組.集成電路設計原理——模擬集成電路[M].北京：高等教育出版社，1983.

[2]HASTINGS A.The art of analog layout[M].北京：清華大學出版社，2004.