２０１１年１月１５日 第３４卷第２期 现代电子技术 Ｍｏｄｅｒｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ Ｊａｎ．２０１１ Ｖｏ１．３４ Ｎｏ．２ 基于０．５ ｍ ＣＭＯＳ工艺的一款新型 ＢｉＣＭＯＳ集成运算放大器设计 赵俊霞，陆雅明 （三江学院，江苏南京２１００１２） 摘 要：为了提高运算放大器的驱动能力，依据现有ＣＭＯＳ集成电路生产线，介绍一款新型ＢｉＣＭＯＳ集成运算放大电路 设计，探讨ＢｉＣＭＯＳ工艺的特点。在Ｓ Ｅｄｉｔ中进行“ＢｉＣＭＯＳ运放设计”电路设计，并对其电路各个器件参数进行调整，包括 ＭＯＳ器件的宽长比和电容电阻的值。完成电路设计后，在Ｔ ｓｐｉｃｅ中进行电路的瞬态仿真，插入ＣＭＯＳ，ＰＮＰ和ＮＰＮ的工 艺库，对电路所需的电源电压和输入信号幅度和频率进行设定调整，最终在Ｗ—Ｅｄｉｔ输出波形图。在ＭＣＮＣ ０．５ ｕｍ工艺平 台上完成由ＭＯＳ、双极型晶体管和电容构成的运算放大器版图设计。根据设计的版图，设计出ＢｉＣＭＯＳ相应的工艺流程， 并提取各光刻工艺的掩模版。 关键词：ＢｉＣＭ（）ｓ；运算放大器；版图；ＶＩ ＳＩ 中图分类号：ＴＮ４３３—３４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４—３７３Ｘ（２０１１）０２—０１４２ ０３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｎｅｗ ＢｉＣＭＯＳ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ Ｂａｓｅｄ Ｏｎ ０．５ ｍ ＣＭＯＳ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＺＨＡ（）Ｊｕｎ－ｘｉａ，Ｉ Ｕ Ｙａ ｍｉｎｇ （Ｓａｎｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００１ ２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ａ ｎｅｗ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ＢｉＣＭＯＳ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ａｖａｉｌａｂｌｅ ＣＭＯＳ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｌｉｎｅ．Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ＢｉＣＭＯＳ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ＢｉＣＭＯＳ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｎ Ｓ—Ｅｄｉｔ．Ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｄｅｖｉｃｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃｉｒ— ｃｕｌｔ ｉｓ ａｄｊｕｓｔｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｗｉｄｔｈ ｔｏ ｌｅｎｇｔｈ ｒａｔｉｏ ｏｆ ＭＯＳ ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ｒｅｓｉｓｔｏｒｓ．Ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｉｎ Ｔ ｓｐｉｃｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ＣＭＯＳ，ＰＮＰ ａｎｄ ＮＰＮ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｌｉｂｒａｒｙ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｅｔ ｔｈｅ ｓｕｐ— ｐｌｙ ｖｏｌｔａｇｅ，ｔｈｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｐｕｔ ｓｉｇｎａｌ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｓｅｎｄ ｏｕｔ ｔｈｅ ｆｉｎａｌ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｄｉａｇｒａｍ ｉｎ Ｗ－Ｅｄｉｔ．Ｔｈｅ ｌａｙｏｕｔ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ＭＯＳ，ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ ａｎｄ ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ ｏｎ ｔｈｅ ＭＣＮＣ ０．５“ｍ ＩＣ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｌｉｎｅ ｉｓ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｌａｙｏｕｔ，ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ＢｉＣＭＯＳ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｌｏｗｓ ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｓｋｓ ｏｆ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｒｅ ｅｘｔｒａｃｔｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＢｉＣＭＯＳ；ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ｌａｙｏｕｔ ｄｅｓｉｇｎ；ＶＩ ＳＩ ０ 引 言 极电路无法比拟的优势，但在高速、大电流驱动场合却 为力。由此可见，无论是单一的ＣＭＯＳ，还是单一 近几年来，随着混合微电子技术的快速发展及其应 的双极技术都无法满足ＶＬＳＩ系统多方面性能的要求， 用领域的不断扩大，使其在通信行业和计算机系统有了 因此只有融合ＣＭＯＳ和单一的双极技术这两种优势构 快速的发展和广泛的应用。随之电子和通信业界对于 造ＢｉＣＭＯＳ器件及其电路，才是ＶＬＳＩ发展的必然产 现代电子元器件（例如大规模集成电路）、电路小型化、 物 ｊ。由于最先提出ＢｉＣＭＯＳ器件的构造思路时，双 高速度、低电源电压、低功耗和提高性价比等方面的要 极和ＣＭＯＳ技术在工艺和设备上差异很大，组合难度 求越来越高＿１ 。传统的双极技术虽然具有高速、电流驱 和成本都高，同时因应用上的需求并不十分迫切，所以 动能力强和模拟精度高等优点，但其功耗和集成度却不 ＢｉＣＭｏｓ技术的发展比较缓慢 ］。 能适应现代ＶＬＳＩ技术发展的需要 ］。而一直作为硅 １电路图设计 锗（ＳｉＧｅ）集成电路主要技术平台的ＭＯＳ器件及其电 路虽在高集成度、低功耗、强抗干扰能力等方面有着双 本文基于ＭＣＮＣ ０．５ ｍ ＣＭＯＳ工艺线设计了 ＢｉＣＭＯＳ器件，其集成运算放大器由输入级、中间级、输 收稿日期：２０１０—０８—１９ 出级和偏置电路４部分组成 。输入级由ＣＭＯＳ差分 基金项目：三江学院２００８年大学生创新训练计划：ＢｉＣＯＭＳ 输入对即两个ＰＭ０Ｓ和ＮＭＯＳ组成；中间级为ＣＭＯＳ 运算放大器设计（ｘｊ０８０６） 共源放大器；输出级为甲乙类互补输出嘲。图１为 １４４ 口Ｊ以测量出共模电压增益： Ａ一 ＝＝：１０ 现代电子技术 ２０１１年第３４卷 Ｔａｎｎｅｒ Ｐｏｒ软件平台上完成电路图的绘制、仿真，并在 （８） ＭＣＮＣ ０．５ ｍ ＣＭＯＳ工艺线上完成该电路的版图设 计，经实用，运算放大器的参数均达到了设计要求。 因此共模抑制比为： ＣＭＲＲ一 ｎ 一 １Ｕ 一２ ３５ｏ （９） 满足设计要求。 ３ 版图设计 采用的是以ＣＭｏｓ工艺为基础的ＢｉＣＭｏｓ兼容工 艺ｌ９］。首先以外延双阱ＣＭＯＳ工艺为基础，在Ｎ阱内 增加了Ｎ 埋层和集电极接触深Ｎ。。注入，用以减少 ＢＪＴ器件的集电极串联电阻阻值，以及降低饱和管压 降；其次用Ｐ 区（或Ｎ。＿区）注入，制作基区；再者发射 区采取多晶硅掺杂形式，并与ＭＯＳ器件的栅区掺杂形 式一致，制作多晶硅ＢＪＴ器件。由此可见，这种高速 图７ 整体版图及其中ＮＰＮ管放大图 参考文献 ＢｉＣＭＯＳ制造工艺原则上不需要增加其他的重要 工序 。 Ｅｌｉ李桂宏，谢世健．集成电路设计宝典［Ｍ］．北京：电子工业出 版社，２００６． ［２］胡宴如，耿苏燕．模拟电子技术基础［Ｍ］．北京：高等教育出 版社，２００４． ［３］ＳＯＤＡＧＡＲ Ａｍｉｒ Ｍ．双极型与ＣＭＯＳ放大器分析［Ｍ］．王 志华，李冬梅，译．北京：科学出版社，２００９． ［４］高光永．ＢｉＣＭＯＳ器件及ＢｉＣＭＯＳ器件的制造方法：中国， ＣＮ１９５６１９６ＡＥＰ］．２００７ ０５—２３． 图６ 以Ｎ阱ＣＭＯＳ工艺为基础的ＢｉＣＭＯＳ结构 ［５］ＢＡＫＥＲ Ｒ Ｊａｃｏｂ．ＣＭＯＳ电路设计、布局与仿真［Ｍ］．刘艳 艳，张为，译．北京：人民邮电出版社，２００８． 由于基准电路不易调整，在设计版图时将基准部分 外接。基于０．５ ｍ ＣＭＯＳ工艺的运算放大器版图如 图７所示。 ４结 语 ［６］ＹＥＯ Ｋ Ｓ．ＲＯＦＡＩＬ Ｓａｍｉｒ Ｓ，ＧＯＨ Ｗ Ｌ．低压低功耗 ＣＭＯＳ／ＢｉＣＭＯＳ超大规模集成电路［Ｍ］．北京：电子工业出 版社，２００３． ［７］ｓｕｎｇ—Ｍｏ Ｋａｎｇ，Ｙｕｓｕｆ Ｌｅｂｌｅｂｉｃｉ．ＣＭＯＳ数字集成电路分 析与设计［Ｍ］．３版．北京：电子工业出版社，２００６． 该运算放大器结合了ＣＭＯＳ工艺低功耗、高集成 度和高抗干扰能力的优点，双极型器件的高跨导，负载 电容对其速度的影响不灵敏，从而具有驱动能力强的优 点。该ＢｉＣＭＯＳ器件在现有ＣＭＯＳ工艺平台上制造。 该放大器以ＣＭＯＳ器件为主要单元电路，在驱动大电 容负载之处加入双极器件的运算放大器电路，然后在 作者简介：赵俊霞［８］徐建强．高压ＢｉＣＭＯＳ运算放大器设计［Ｄ］．西安：西安电子 科技大学，２００９． ［９］ＳＡＩＮＴ Ｃ，ＳＡＩＮＴ Ｊ．集成电路掩模设计：基础版图技术 ［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００６． ［ａ０］ＨＡＳＴＩＮＧＳ Ａｌａｎ．Ｔｈｅ ａｒｔ ｏｆ ａｎａｌｏｇ ｌａｙｏｕｔ［Ｍ］．ＵＳＡ： ＰｅａｒｓＯｎ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ Ａｓｉａ Ｉ ｉｍｉｔｅｄ。２００１． 女，１９７９年出生，硕士，教师。主要从事超大规模集成电路设计工作及运算放大器芯片设计工作。 陆雅明 男，１９８７年出生。从事集成电路及运算放大器芯片的设计工作。 （上接第１４１页） ［６］ＳＡＫＵＬ Ｃｈａｉｗａｔ．Ａ ｌｏｗ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｕｐｐｌｙ ｆｏｕｒ—ｑｕａｄｒａｎｔ ａｎａ— ［８］钟文耀，郑美珠．ＣＭＯＳ电路模拟与设计：基于Ｈｓｐｉｃｅ［Ｍ］． 北京；科学出版社，２００７． ｌｏｇ ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ［ｃ］／／ＩＥＥＥ ２００９ ３ｒｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ａｎｔｉ ｃｏｕｎｔｅｒｆｅｉｔｉｎｇ，Ｓｅｃｕｒｉｔｙ ａｎｄ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａ— ｔｉｏｎ ｉｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｈｏｎｇ Ｋｏｎｇ：ＩＥＥＥ，２００９：２５８—２６１． ［９］［美］毕查德・拉扎维．模拟ＣＭＯＳ集成电路设计［Ｍ］．陈贵 灿，译．西安：西安交通大学出版社，２００３． ［７］康华光．电子技术基础（模拟部分）［Ｍ］．北京：高等教育出版 社，２００５． ［１Ｏ］ＨＡＮＳＴＩＮＧＳ Ａｌａｎ．模拟电路板图的艺术［Ｍ］．张为，译． 北京：电子工业出版社，２００７．
