芯片设计 CMOS模拟集成电路版图设计与验证:基于Cadence IC 617

本书主要依托Cadence IC 617版图设计工具与Mentor Calibre版图验证工具，在介绍新型CMOS器件和版图基本原理的基础上，结合版图设计实践，采取循序渐进的方式，讨论使用Cadence IC 617与Mentor Calibre进行CMOS模拟集成电路版图设计、验证的基础知识和方法，本书通过结合器件知识、电路理论和版图设计实践，使读者深刻了解CMOS电路版图设计和验证的规则、流程和基本方法，对于进行CMOS模拟集成电路学习的在校高年级本科生、硕士生和博士生，以及从事集成电路版图设计与验证的工程师，都会起到有益的帮助。

本书主要依托Cadence IC 617版图设计工具与Mentor Calibre版图验证工具，在介绍新型CMOS器件和版图基本原理的基础上，结合版图设计实践，采取循序渐进的方式，讨论使用Cadence IC 617与Mentor Calibre进行CMOS模拟集成电路版图设计、验证的基础知识和方法，内容涵盖了纳米级CMOS器件，CMOS模拟集成电路版图基础，Cadence IC 617与Mentor Calibre的基本概况、操作界面和使用方法，CMOS模拟集成电路从设计到导出数据进行流片的完整流程。同时分章节介绍了利用Cadence IC 617版图设计工具进行运算放大器、带隙基准源、低压差线性稳压器等基本模拟电路版图设计的基本方法。*后对Mentor Calibre在LVS验证中典型的错误案例进行了解析。
本书通过结合器件知识、电路理论和版图设计实践，使读者深刻了解CMOS电路版图设计和验证的规则、流程和基本方法，对于进行CMOS模拟集成电路学习的在校高年级本科生、硕士生和博士生，以及从事集成电路版图设计与验证的工程师，都会起到有益的帮助。

作为科研骨干和项目负责人参与了中科院知识创新工程“C/L双波段卫星导航系统”，“ 16bit 300K sigma-delta AD模数转换器” 、02国家重大专项“面向FPGA芯片的抗辐照加固技术研究 ”和“0.35um SOI工艺单元库建设”、中科院知识创新重大专项“多传感器集成与节点核心芯片研发”、863课题“面向医用集成电路的极低功耗数字信号处理器及电路实现关键技术研究 ”、“磁隧道结生物传感器检测技术研究 ”及973课题“基于碳纳米管的无掺杂高性能CMOS器件和集成电路研究”等多次科研项目的研究与设计工作，取得多项成果。近年来发表文章16篇，申请国内外专利13项，其中已授权专利6项，出版专业书籍3本。具有扎实的理论基础、丰富的模拟集成电路设计经验及项目组织协调能力，在半导体工艺、电路设计开发领域积累了丰富的经验和学术研究成果。

前言
第1章 纳米级CMOS器件1
1.1概述1
1.2平面全耗尽绝缘衬底上硅（FD-SOI）MOSFET4
1.2.1采用薄氧化埋层的原因5
1.2.2超薄体中的二维效应8
1.3FinFET11
1.3.1三栅以及双栅FinFET12
1.3.2实际中的结构选择19
1.4基于gm/ID的设计方法20
1.4.1模拟集成电路的层次化设计20
1.4.2gm/ID设计方法所处的地位21
1.4.3gm/ID设计方法的优势22
1.4.4基于Vov的设计方法23
1.4.5gm/ID设计方法详述27
1.4.6基于gm/ID的设计实例31
第2章 CMOS模拟集成电路版图基础33
2.1CMOS模拟集成电路设计流程33
2.2CMOS模拟集成电路版图定义36
2.3CMOS模拟集成电路版图设计流程37
2.3.1版图规划38
2.3.2版图设计实现39
2.3.3版图验证40
2.3.4版图完成41
2.4版图设计通用规则42
2.5版图布局44
2.5.1对称约束下的晶体管级布局45
2.5.２版图约束下的层次化布局46
2.6版图布线50
2.7CMOS模拟集成电路版图匹配设计54
2.7.1CMOS工艺失配机理54
2.7.2元器件版图匹配设计规则56
第3章 Cadence Virtuoso 617版图设计工具59
3.1Cadence Virtuoso 617界面介绍59
3.1.1Cadence Virtuoso 617 CIW界面介绍60
3.1.2Cadence Virtuoso 617 Library Manager界面介绍66
3.1.3Cadence Virtuoso 617 Library Path Editor操作介绍85
3.1.4Cadence Virtuoso 617 Layout Editor界面介绍96
3.2Virtuoso 基本操作124
3.2.1创建圆形124
3.2.2创建矩形125
3.2.3创建路径126
3.2.4创建标识名127
3.2.5调用器件和阵列128
3.2.6创建接触孔和通孔130
3.2.7创建环形图形131
3.2.8移动命令132
3.2.9复制命令133
3.2.10拉伸命令134
3.2.11删除命令135
3.2.12合并命令135
3.2.13改变层次关系命令136
3.2.14切割命令138
3.2.15旋转命令139
3.2.16属性命令140
3.2.17分离命令141
3.2.18改变形状命令142
3.2.19版图层扩缩命令143
第4章 Mentor Calibre版图验证工具145
4.1Mentor Calibre版图验证工具简介145
4.2Mentor Calibre版图验证工具调用145
4.2.1采用Virtuoso Layout Editor内嵌方式启动146
4.2.2采用Calibre图形界面启动147
4.2.3采用Calibre View查看器启动149
4.3Mentor Calibre DRC验证151
4.3.1Calibre DRC验证简介151
4.3.2Calibre nmDRC界面介绍153
4.3.3Calibre nmDRC验证流程举例159
4.4Mentor Calibre nmLVS验证170
4.4.1Calibre nmLVS验证简介170
4.4.2Calibre nmLVS界面介绍170
4.4.3Calibre LVS验证流程举例183
4.5Mentor Calibre寄生参数提取(PEX)194
4.5.1Calibre PEX验证简介194
4.5.2Calibre PEX界面介绍194
4.5.3Calibre PEX流程举例204
第5章 CMOS模拟集成电路版图设计与验证流程213
5.1设计环境准备213
5.2单级跨导放大器电路的建立和前仿真219
5.3跨导放大器版图设计230
5.4跨导放大器版图验证与参数提取241
5.5跨导放大器电路后仿真258
5.6输入输出单元环设计264
5.7主体电路版图与输入输出单元环的连接272
5.8导出GDSII文件277
第6章运算放大器的版图
设计280
6.1运算放大器基础280
6.2运算放大器的基本特性和分类281
6.2.1运算放大器的基本特性281
6.2.2运算放大器的性能参数282
6.2.3运算放大器的分类286
6.3单级折叠共源共栅运算放大器的版图设计291
6.4两级全差分密勒补偿运算放大器的版图设计296
6.5电容—电压转换电路版图设计300
第7章 带隙基准源与低压差线性稳压器的版图设计308
7.1带隙基准源的版图设计308
7.1.1带隙基准源基本原理308
7.1.2带隙基准源版图设计实例314
7.2低压差线性稳压器的版图设计318
7.2.1低压差线性稳压器的基本原理319
7.2.2低压差线性稳压器版图设计实例321
第8章 Calibre LVS常见错误解析326
8.1LVS错误对话框（RVE对话框）326
8.2误连接334
8.3短路336
8.4断路337
8.5违反工艺原理338
8.6漏标342
8.7元件参数错误343
参考文献345

在现代集成电路中，模拟电路大约占据了75%的比例。据统计，在次硅验证过程中，模拟电路的设计通常会耗费40%的设计努力，同时在设计错误中的占比也会超过50%。随着工艺进入纳米级阶段、系统级芯片（System-on-Chip，SoC）功能复杂度的不断提高，模拟设计方法和自动化将成为未来SoC设计的主要瓶颈。而模拟集成电路版图作为模拟设计物理实现的重要环节，在很大程度上决定了一款芯片的成败。
依据CMOS模拟集成电路版图设计与验证的基本流程，依托Cadence IC 617版图设计工具和Mentor Calibre物理验证工具，编者结合实例介绍了运算放大器等基本模拟电路的版图设计、验证方法，以供学习CMOS模拟集成电路版图设计的读者参考。
本书内容主要分为四部分，共8章内容：
　　第1章首先介绍了先进纳米级CMOS器件的理论知识，包括FD-SOI MOSFET和FinFET两种主要结构的特点和物理特性。之后对深亚微米和纳米级工艺中的gm/ID设计方法进行了详细分析。
第2章重点讨论CMOS模拟集成电路设计的基本流程、模拟版图定义，之后分小节讨论CMOS模拟集成电路版图的概念、设计、验证流程、布局和布线准则，以及通用的设计规则，使读者对版图知识有一个概括性的了解。
第3~5章分章节详细介绍了Cadence IC 617版图设计工具、Mentor Calibre版图验证工具，以及完整的CMOS模拟集成电路版图设计、验证流程。　　
第3章首先对Cadence IC 617版图设计仿真环境进行了总体说明，包括Cadence IC 617软件的主要窗口和菜单项。之后详细介绍了Cadence Virtuoso的各种基本操作和方法。
第4章首先介绍了Mentor Calibre版图验证工具的窗口和菜单项，之后以一款密勒补偿的运算放大器为例，解析进行模拟版图物理验证，以及寄生参数提取的基本方法，使读者初步了解Mentor Calibre的DRC、LVS，以及PEX工具菜单的基本功能。
第5章详细讨论了CMOS模拟集成电路设计的全流程。本章以一个单级跨导放大器电路为实例，介绍电路建立，电路前仿真，版图设计、验证、反提，以及电路后仿真，输入输出单元环拼接直到GDSII文件导出的全过程，使读者对CMOS模拟集成电路从设计到流片的全过程有一个直观的认识。
第6~8章，在初步掌握Cadence IC 617与Mentor Calibre进行版图设计和验证的基础上，通过实例介绍利用Cadence IC 617版图设计工具、Mentor Calibre物理验证工具进行运算放大器、带隙基准源、低压差线性稳压器等基本模拟电路版图设计的方法。其中第8章对Mentor Calibre中LVS验证的常见问题进行了分析讨论。
本书内容详尽丰富，具有较强的理论性和实践性。本书由厦门理工学院微电子学院陈铖颖老师主持编写，中国电子科技集团公司第四十七研究所高级工程师范军和辽宁大学物理学院尹飞飞老师一同参与完成。其中陈铖颖老师完成了第1、2、5、8章的编写，范军老师完成了第3、4章的编写，尹飞飞老师完成了第6、7章的编写。同时感谢厦门理工学院微电子学院左石凯、蔡艺军、黄新栋、林峰、梁璐老师，以及研究生陈思婷、冯平、杨可、宋长坤同学在资料查找、文档整理和审校方面付出的辛勤劳动。正是有了大家的共同努力，才使本书得以顺利完成。
本书受到厦门理工学院教材建设基金资助项目,福建省教育科学“十三五”规划课题（FJJKCG20-011)，福建省新工科与改革实践项目，厦门市青年创新基金项目（3502Z20206074）的支持。
由于本书内容涉及器件、电路、版图设计等多个方面，以及受时间和编者水平限制，书中难免存在不足和局限，恳请读者批评指正。

编者
2021年1月