CMOS數(shù)模混合芯片布局和噪聲隔離及綜合驗證研究

張卓先

摘 要：數(shù)模混合芯片已經(jīng)在當(dāng)今世界占據(jù)越來越大的市場份額了，而它所包含的諸多問題也很值得研究，比如數(shù)字模擬模塊之間的布局、噪聲隔離和電源分配，以及之后的混合驗證等。本文即以此入手，闡述了上述數(shù)模混合芯片存在的諸多問題。內(nèi)容涉及到后端設(shè)計的各個方面，希望能為廣大后端工程師提供一些借鑒，以期提高芯片設(shè)計的水平和效率。

關(guān)鍵詞：數(shù)模 芯片 噪聲 驗證

中圖分類號：TN41 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）10（c）-000-02

以功能為標(biāo)準來進行劃分，集成電路芯片大致可分為三類：純數(shù)字、純模擬以及數(shù)模混合。數(shù)字芯片具有結(jié)構(gòu)化和自動化設(shè)計程度高，研發(fā)速度快，人才培養(yǎng)周期短等特點，模擬電路則在精度方面更具優(yōu)勢，而且是自然界各種信號的接口，缺點是自動化程度低，人才培育周期較長。數(shù)模混合芯片則結(jié)合了雙方的優(yōu)勢，是未來芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢。但數(shù)字和模擬電路之間存在的差異使得混合芯片的布局，噪聲隔離以及LVS（電路板圖一致性的檢查）驗證等方面成為一個難點，本文即以此為切入點，探討了上述問題。

1 數(shù)模混合芯片的噪聲隔離及布局

一般而言，數(shù)字電路頻率高，信號變化快，會對以精度見長的模擬電路造成嚴重干擾，所以在芯片上，對數(shù)模電路之間的各方面隔離就顯得非常重要了。通常情況下，數(shù)字模擬電路之間容易形成干擾的途徑有襯底和金屬線兩種。混合芯片生長在單一襯底（常為P型注入）之上，對數(shù)字和模擬電路中的NMOS晶體管來說，它們具有同樣的P型襯底，噪聲即會通過襯底進行傳導(dǎo)。尤其是為了防止閂鎖效應(yīng)（latch up），很多芯片會加重襯底摻雜以便減小襯底電阻，這樣會使噪聲傳遞更加嚴重。而金屬線之間的噪聲傳遞一般是通過線間介質(zhì)層（ILD）所具有的電容來耦合產(chǎn)生的，一般稱其為串?dāng)_（crosstalk）。這些噪聲輕則會影響電路性能，重則會使電路邏輯功能產(chǎn)生錯誤，對于上述兩種噪聲干擾的防治，在設(shè)計中的方法有N阱隔離、保護環(huán)隔離、深阱隔離、屏蔽線隔離、SOI（絕緣襯底硅）等，前4種方法屬于后端設(shè)計的范疇，最后一種是由工藝廠來完成的，N阱、保護環(huán)、深阱（需要額外的掩膜版）和SOI的添加都是試圖在襯底上隔絕噪聲，而屏蔽線則用來隔離線間耦合噪聲。N阱隔離無需額外掩膜版，但鑒于N阱深度有限，且不能給NMOS器件提供完善屏蔽，而深阱的添加則能解決NMOS晶體管的分隔問題，且其深度遠勝于N阱。保護環(huán)隔離是在模塊外依次添加P型和N型的注入環(huán)，三環(huán)結(jié)構(gòu)（PNP）要比雙環(huán)（PN或NP）的效果更好。屏蔽線方法是在干擾線和敏感線之間放置連接電源或地的屏蔽線，芯片在上電時電源電壓會由零上升，這種波動使其屏蔽效果弱于連接地的屏蔽線。模擬信號和慢數(shù)字信號之間，慢數(shù)字信號和時鐘線之間，高敏感度模擬線和低敏感度模擬線之間的屏蔽，它們所連接的電源或地是不同的，應(yīng)該按照屏蔽線不能給電源和地造成反向干擾這個原則加以選擇。

但無論是襯底隔離還是屏蔽線的方法，都很難百分之百地去除模擬數(shù)字電路間的噪聲。所以更應(yīng)注意的是在布局上使兩者區(qū)隔開來，因為從理論上來說，當(dāng)距離非常大時，噪聲傳導(dǎo)幾乎可以忽略不計了。可是對于芯片設(shè)計而言，面積引發(fā)的成本問題同樣是必須要考慮的，所以適當(dāng)?shù)呐挪寄M數(shù)字單元以做好權(quán)衡就顯得更為重要了。在進行數(shù)模混合電路的布局時，首要的考慮因素就是使數(shù)字電路和模擬電路分開，而且頻率最快的數(shù)字電路（如時鐘電路）和最敏感的模擬電路（如偏置電壓，偏執(zhí)電流模塊，ADC）應(yīng)該間隔最遠，最好能處于芯片的兩端，并做好各種屏蔽措施，而信號轉(zhuǎn)換較慢的數(shù)字電路和敏感度不太高的模擬電路可以放置在數(shù)字和模擬部分的交界處，但它們之間同樣要有屏蔽的存在。與此相結(jié)合的是電源和信號I/O（輸入輸出接口）的放置，通常情況下，電源I/O分為3種：一是模擬專用I/O，給模擬電路供電；二是數(shù)字低壓I/O，用于芯片內(nèi)的數(shù)字電路；三是數(shù)字高壓I/O，負責(zé)給I/O上的ESD（靜電釋放）器件供電，用于芯片核心邏輯電路的數(shù)字和模擬I/O都應(yīng)該盡量放置于對應(yīng)電路模塊附近，這樣既避免了金屬連線穿越干擾模塊，產(chǎn)生耦合噪聲，也能使其長度盡量縮短，減小了寄生參數(shù)，同時還使得數(shù)字和模擬各自的ESD環(huán)路保持完整和有效。數(shù)字和模擬I/O的電源和地線之間利用power cut（一組背靠背的二極管）相連接，使得整個芯片的ESD系統(tǒng)完整銜接。需要注意的是，有些模塊的干擾能力極強，如PLL（鎖相環(huán)），甚至對數(shù)字電路也會造成影響，這樣的模塊需要放置于芯片的邊緣處，其電源和地線的I/O最好也要單獨設(shè)置，而與此相類似，少數(shù)敏感電路也應(yīng)該采用單獨電源，比如圖像傳感器中的像素陣列，它的電壓同樣應(yīng)該獨立供給。信號線之間除了要采用屏蔽外，放置順序也需注意。時鐘線要放置在最遠離模擬線的區(qū)域，由近及遠，它旁邊依次是：快變化數(shù)字線，慢變化數(shù)字線，模擬電流線，模擬電壓線，這是按照各部分的干擾和敏感程度劃分的。

2 模數(shù)芯片的混合驗證

模數(shù)芯片的后端設(shè)計通常分為兩種，以數(shù)字為主導(dǎo)和以模擬為主導(dǎo)，這是依照芯片電路中數(shù)字還是模擬占據(jù)更多部分來決定的。以數(shù)字為主導(dǎo)的流程是將模擬單元的版圖轉(zhuǎn)換為IP，輸入數(shù)字APR（自動布局布線）工具中進行后續(xù)拼接和驗證，以模擬為主導(dǎo)的流程則是將APR生成的數(shù)字部分以gds格式提供給模擬后端工具進行后續(xù)工作。本文以后者為例說明模數(shù)芯片的混合驗證。不同于單個模塊可以直接通過calibre提取電路網(wǎng)表進行驗證，混合芯片的網(wǎng)表通常需要手動拼接各個模塊的子網(wǎng)表。一款常用的混合芯片所用到的子網(wǎng)表有：頂層單元的網(wǎng)表（包含所有的模擬電路和部分不由APR生成的數(shù)字電路，通過icfb工具提取，作為其他所有子網(wǎng)表的頭文件），I/O單元的網(wǎng)表（包含I/O單元定義，由工藝廠提供），RAM的網(wǎng)表（RAM生成器自動生成），數(shù)字的頂層網(wǎng)表（由APR工具生成），數(shù)字基本單元網(wǎng)表（包含數(shù)字基本單元定義，由工藝廠提供），所有的子網(wǎng)表都應(yīng)該使用命令I(lǐng)NCLUIDE鏈接入頂層單元網(wǎng)表內(nèi)。APR生成的數(shù)字網(wǎng)表格式是*.v的，要和其他網(wǎng)表進行拼接驗證就要先對其利用v2lvs命令進行格式轉(zhuǎn)換。

數(shù)字頂層網(wǎng)表只描述了數(shù)字單元之間的連接關(guān)系，數(shù)字單元內(nèi)、晶體管級的定義是在數(shù)字基本單元網(wǎng)表內(nèi)完成的。需要注意的是，工藝廠為了簡便，對數(shù)字基本單元網(wǎng)表內(nèi)電源與地的定義使用了GLOBAL全局變量的方法，這樣可能會影響到頂層網(wǎng)表內(nèi)電源與地的定義，造成混合驗證錯誤，所以相關(guān)端口的命名一定要加以區(qū)分。因為APR產(chǎn)生的數(shù)字模塊網(wǎng)表是通過INCLUDE命令鏈入的，所以當(dāng)頂層網(wǎng)表內(nèi)有調(diào)用關(guān)系的語句涉及到相關(guān)數(shù)字模塊時，應(yīng)該使用黑盒子的驗證方法，只保留它的端口，而其內(nèi)部應(yīng)該像黑盒子一樣掏空，相同的方法還適用于I/O電路網(wǎng)表。

3 結(jié)語

本文陸續(xù)探討了數(shù)模混合芯片在布局，噪聲隔離和綜合驗證等方面存在的一些問題，內(nèi)容涉及到后端設(shè)計的各個方面，希望能為廣大后端工程師提供一些借鑒，以期提高芯片設(shè)計的水平和效率。

參考文獻

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