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摘 要：本文主要探讨了基于Cadence的模拟集成电路设计课程教学方法。通过基准电流源设计实例，阐述了利用Cadence进行该课程教学的过程和细节，解决了传统的教学方式理论难以联系实际的弊端，有助于培养学生的电路设计能力。
关键词：Cadence；模拟集成电路；教学方法研究
集成电路技术是信息技术的支柱之一，而我国在该领域上与发达国家还有较大差距，集成电路专业人才缺口极大，因此国内很多高校均开设了集成电路课程，不断加大集成电路专业人才的培养力度。
集成电路相关课程的教学与模拟电路、数字电路等传统的电子信息类专业课程教学有较大的区别。该课程涉及半导体技术的多个领域，尤其是模拟集成电路设计课程，涉及到半导体器件、电路分析设计、电路仿真技术、版图设计等多个方面。因此，如何在教学中使学生能够掌握如此庞杂的知识，引领学生把握集成电路设计的关键方法，启发学生的创新思维，并使学生在毕业后能够达到工业界对于该类人才的要求，成为教师需要深入思考的问题。
本文提出一种基于Cadence的模拟集成电路设计课程教学方法。本文首先介绍了基于Cadence的模拟集成电路设计课程教学体系；然后以基准电流源电路的设计为案例，介绍了针对该电路的设计/分析/仿真的教学方法；最后对文章进行了总结。
1基于Cadence的集成电路专业教学体系
Cadence软件凭借其强大的功能贯穿于集成电路设计的每一个环节，从电路图设计到电路的前仿真、版图设计以及后仿真等环节，都离不开这一工具，目前几乎所有的集成电路设计公司都采用该软件完成电路的整体设计流程，该软件是集成电路设计行业的通用EDA平台。该软件平台针对不同的设计需求包含了多个工具，对于集成电路专业教学而言，从电路设计、版图设计到仿真＼验证依次可使用Cadence软件的Schematic composer，Layout Editor和Spectre＼Carlibre工具实现。
对于教学而言，学校可以安装Cadence软件服务器版本，通过厂家的授权安装后，学生可以通过网络远程登陆使用该软件进行实验学习。将此软件应用到模拟集成电路的教学过程中，让学生独立完成相关实验，可使学生更好的掌握模拟集成电路设计的流程。学生在学习相关理论知识的同时可以通过仿真加深对所学知识的理解，同时也可培养集成电路的学生的实际工作能力，可以更好的为工业界培养相接轨的集成电路设计专业人才。
2基于Cadence的基准电流源的设计
本文选择基准电流源的设计作为设计实例，由于电流源广泛应用于模拟、数字电路当中，并且基准电流源的设计一般结构简单，仅由MOS管构成，分析过程简单明了，以其作为模拟集成电路的教学可以使学生较快的接受和掌握模拟集成电路的设计过程。
基准电流源是指集成电路中用来给其余的电路如模数＼数模转换器、比较器、振荡器等提供参考电流或偏置电流的电路，其余电路的电流都是基于一个标准电流源的复制，基准源的性能好坏直接影响到整个芯片电路的性能。
基准电流源的设计过程中有以下几个比较重要的参数。
温漂系数。基准电流源的一个重要指标就是在宽温度范围下的工作稳定程度。温漂系数表示输出基准电流随温度变化的情况，其单位为ppm/℃。表示当温度变化1℃时，输出电流变化的百万分比。其计算公式为：
其中TC为基准电流源的温漂系数；IMAX为基准电流最大值；IMIN为基准电流最小值；IMEAN为基准电流平均值；TMAX为温度最大值；TMIN为温度最小值。
工艺偏差。随着CMOS工艺尺寸的逐渐缩小，工艺波动往往导致实际结果与目标值有较大的偏离，从而影响芯片的成品率，增加了重复流片的成本。对于基准电流源的设计，由于其对电路精度要求较高，在设计的过程中必须考虑工艺偏差对输出基准电流的影响。
低功耗设计。为使基准电流源可应用于射频识别电路、物联网传感器网络、植入式医疗设备等大规模低功耗集成电路中，其必须满足低功耗的设计要求。
在模拟集成电路专业的教学中，除了教授课程的主题内容之外，教师还应当积极的关注所研究内容的学术研究前沿，将这些知识进行整理归纳，有针对性的带入课堂。同时应培养学生分析传统电路结构的能力，在此基础上引导学生自己去选择自己所设计电路的创新点，培养学生的创新思维，然后利用Cadence软件去验证改进自己的电路结构，从而保证课堂教学的理论先进性与工程实践性。
对于本文所要介绍的基准电流源设计，目前基准电流源的设计广泛采用的有求和型基准电流源以及对传统基准源进行温度补偿等方法。虽然这些电路都极大的降低了基准电流的温度系数，但是工艺偏差对其温度特性的影响没有被详细研究，并且这些电路功耗较大，无法满足低功耗设计。所以基准电流源的设计重点集中在消除工艺偏差对其温度特性的影响，同时应该满足低功耗等设计要求。
2.1传统基准电流源分析
求和型基准电压源工作原理：将与绝对温度成正比（PTAT）的电流和与绝对温度成反比（CTAT）的电流加权相加，得到零温度系数的基准电流IREF。基准电流IREF可由式（2）表示：
其中IP0和IC0是T=T0时IPTAT和ICTAT的电流值，αp和αC分别为两个电流的线性温度系数，ΔT=（T-T0），T0为室温。从上式（2）可以看出，当IP0αp=IC0αC时，可以得到零温度系数的基准电流，由于IP0、IC0、αp、αC会随工艺变化，所以此类的基准电流源需要大量的校准电路。
電流相加型基准电流源中，即使两个电流的温度系数αp和αC是与工艺变化无关的量，若IP0和IC0是与工艺变化相关的量，温漂系数还是难以相互抵消。所提出的一种新型的基准电流源电流结构中只需要使用两个与工艺无关的温度系数相比即可得到受工艺影响较小的基准电流。 2.2基准电流源理论分析
本文提出的与工艺无关的基准电流源的结构示意图如图1所示，主要由补偿电压发生器和一个电压/电流转换电路构成。该电路结构的核心是产生一个补偿电压，可以将片上电阻的温度系数抵消掉。假设补偿电压VC与电阻R的值随温度是线性变化的，那么基准输出电流就可以用式3表示：
其中VC0、R0為T0时的补偿电压值和电阻值，αC为补偿电压的温度系数，αR为片上电阻温度系数。通过上式可以看出：当αC=αR时，电流IREF将是一个与温度无关的量。即使VC0、R0是与工艺相关的变量，这些参数只会影响基准电流IREF的值，而不会影响其温度系数。
设计基准电流源电路原理图如图2所示，该电路由偏置电路，温度补偿电路，电流转换电路组成。
偏置电路由MP1、MP2、MP3、MP4四个MOS管组成，MP3、MP4以二极管方式连接，产生偏置电流，通过MP1、MP2电流镜，注入到温度补偿电路中。温度补偿电路由MN1、MN2组成，利用不同阈值电压的MOS管的阈值电压差构成补偿电压。其中所有的MOS管均工作在亚阈值区以降低功耗。运放可采用工作在亚阈值区的两级米勒运放。
本设计所用的电阻为片上多晶硅高阻，具有负温度系数，其阻值与温度的关系为：
VC0为T0时补偿电压，βC为补偿电压的温度系数。从该式可以看出，补偿电压的表达式与片上电阻的温度特性相同。
在分析传统求和型基准电流源的基础上，提出了所要设计的基准电流源的结构示意图，并对电路的原理进行了详细的理论推导，下一步就是利用Cadence软件对电路的原理图进行仿真与优化，去验证理论推导的正确性。
3利用Cadence进行基准电流源原理图仿真
Cadence软件中对电路原理图的设计与仿真的基本流程是：创建原理图文件；原理图编辑；设置器件参数；电路检查与保存；原理图的仿真设置；调整器件参数；重复仿真优化。
在教学的过程中，可以让学生在Virtuoso Schematic Composer中绘制基准电流源电路，并通过Spectre工具进行仿真，图4就是绘制好的基准电流源电路原理图，根据式12可以看出，补偿电压的温度系数可以调节MN1、MN2的尺寸比来设置，但是其值很难通过手算来设置，因此可以利用Cadence软件的自动拟合工具来设置。拟合设置的界面如图5所示，设置基准电流源温度系数的目标值为最小值，设置MOS管的初始值，让Cadence软件自动拟合计算即可。
使用软件拟合结束后，将此值作为初始值，去仿真基准电流源在不同工艺角下的温度特性，进而学生可以通过仿真的波形直观的去验证该电路原理的可行性，即可以保证不同工艺角下该基准源都有较好的温度特性。图6所示即为不同工艺角下该基准源的温度特性曲线。可以看出基准电流在不同工艺角下都具有较好的温度特性。
4结束语
本文基于EDA软件Cadence平台介绍了基于该软件的模拟集成电路设计课程教学方法，结合一种低工艺偏差的基准电流源的设计，从理论推导到电路的仿真验证进行了逐一介绍。通过实例分析，拓展了Cadence软件的应用形式，将其做为一种教学辅助工具引进到集成电路的课堂教学中，可以使集成电路设计专业的学生掌握电路设计的流程及方法，培养创新思维，从而解决了模拟集成电路设计课程教学中学生难以将所学的理论知识与实际应用结合的问题。
关键词：Cadence；模拟集成电路；教学方法研究
集成电路技术是信息技术的支柱之一，而我国在该领域上与发达国家还有较大差距，集成电路专业人才缺口极大，因此国内很多高校均开设了集成电路课程，不断加大集成电路专业人才的培养力度。
集成电路相关课程的教学与模拟电路、数字电路等传统的电子信息类专业课程教学有较大的区别。该课程涉及半导体技术的多个领域，尤其是模拟集成电路设计课程，涉及到半导体器件、电路分析设计、电路仿真技术、版图设计等多个方面。因此，如何在教学中使学生能够掌握如此庞杂的知识，引领学生把握集成电路设计的关键方法，启发学生的创新思维，并使学生在毕业后能够达到工业界对于该类人才的要求，成为教师需要深入思考的问题。
本文提出一种基于Cadence的模拟集成电路设计课程教学方法。本文首先介绍了基于Cadence的模拟集成电路设计课程教学体系；然后以基准电流源电路的设计为案例，介绍了针对该电路的设计/分析/仿真的教学方法；最后对文章进行了总结。
1基于Cadence的集成电路专业教学体系
Cadence软件凭借其强大的功能贯穿于集成电路设计的每一个环节，从电路图设计到电路的前仿真、版图设计以及后仿真等环节，都离不开这一工具，目前几乎所有的集成电路设计公司都采用该软件完成电路的整体设计流程，该软件是集成电路设计行业的通用EDA平台。该软件平台针对不同的设计需求包含了多个工具，对于集成电路专业教学而言，从电路设计、版图设计到仿真＼验证依次可使用Cadence软件的Schematic composer，Layout Editor和Spectre＼Carlibre工具实现。
对于教学而言，学校可以安装Cadence软件服务器版本，通过厂家的授权安装后，学生可以通过网络远程登陆使用该软件进行实验学习。将此软件应用到模拟集成电路的教学过程中，让学生独立完成相关实验，可使学生更好的掌握模拟集成电路设计的流程。学生在学习相关理论知识的同时可以通过仿真加深对所学知识的理解，同时也可培养集成电路的学生的实际工作能力，可以更好的为工业界培养相接轨的集成电路设计专业人才。
2基于Cadence的基准电流源的设计
本文选择基准电流源的设计作为设计实例，由于电流源广泛应用于模拟、数字电路当中，并且基准电流源的设计一般结构简单，仅由MOS管构成，分析过程简单明了，以其作为模拟集成电路的教学可以使学生较快的接受和掌握模拟集成电路的设计过程。
基准电流源是指集成电路中用来给其余的电路如模数＼数模转换器、比较器、振荡器等提供参考电流或偏置电流的电路，其余电路的电流都是基于一个标准电流源的复制，基准源的性能好坏直接影响到整个芯片电路的性能。
基准电流源的设计过程中有以下几个比较重要的参数。
温漂系数。基准电流源的一个重要指标就是在宽温度范围下的工作稳定程度。温漂系数表示输出基准电流随温度变化的情况，其单位为ppm/℃。表示当温度变化1℃时，输出电流变化的百万分比。其计算公式为：
其中TC为基准电流源的温漂系数；IMAX为基准电流最大值；IMIN为基准电流最小值；IMEAN为基准电流平均值；TMAX为温度最大值；TMIN为温度最小值。
工艺偏差。随着CMOS工艺尺寸的逐渐缩小，工艺波动往往导致实际结果与目标值有较大的偏离，从而影响芯片的成品率，增加了重复流片的成本。对于基准电流源的设计，由于其对电路精度要求较高，在设计的过程中必须考虑工艺偏差对输出基准电流的影响。
低功耗设计。为使基准电流源可应用于射频识别电路、物联网传感器网络、植入式医疗设备等大规模低功耗集成电路中，其必须满足低功耗的设计要求。
在模拟集成电路专业的教学中，除了教授课程的主题内容之外，教师还应当积极的关注所研究内容的学术研究前沿，将这些知识进行整理归纳，有针对性的带入课堂。同时应培养学生分析传统电路结构的能力，在此基础上引导学生自己去选择自己所设计电路的创新点，培养学生的创新思维，然后利用Cadence软件去验证改进自己的电路结构，从而保证课堂教学的理论先进性与工程实践性。
对于本文所要介绍的基准电流源设计，目前基准电流源的设计广泛采用的有求和型基准电流源以及对传统基准源进行温度补偿等方法。虽然这些电路都极大的降低了基准电流的温度系数，但是工艺偏差对其温度特性的影响没有被详细研究，并且这些电路功耗较大，无法满足低功耗设计。所以基准电流源的设计重点集中在消除工艺偏差对其温度特性的影响，同时应该满足低功耗等设计要求。
2.1传统基准电流源分析
求和型基准电压源工作原理：将与绝对温度成正比（PTAT）的电流和与绝对温度成反比（CTAT）的电流加权相加，得到零温度系数的基准电流IREF。基准电流IREF可由式（2）表示：
其中IP0和IC0是T=T0时IPTAT和ICTAT的电流值，αp和αC分别为两个电流的线性温度系数，ΔT=（T-T0），T0为室温。从上式（2）可以看出，当IP0αp=IC0αC时，可以得到零温度系数的基准电流，由于IP0、IC0、αp、αC会随工艺变化，所以此类的基准电流源需要大量的校准电路。
電流相加型基准电流源中，即使两个电流的温度系数αp和αC是与工艺变化无关的量，若IP0和IC0是与工艺变化相关的量，温漂系数还是难以相互抵消。所提出的一种新型的基准电流源电流结构中只需要使用两个与工艺无关的温度系数相比即可得到受工艺影响较小的基准电流。 2.2基准电流源理论分析
本文提出的与工艺无关的基准电流源的结构示意图如图1所示，主要由补偿电压发生器和一个电压/电流转换电路构成。该电路结构的核心是产生一个补偿电压，可以将片上电阻的温度系数抵消掉。假设补偿电压VC与电阻R的值随温度是线性变化的，那么基准输出电流就可以用式3表示：
其中VC0、R0為T0时的补偿电压值和电阻值，αC为补偿电压的温度系数，αR为片上电阻温度系数。通过上式可以看出：当αC=αR时，电流IREF将是一个与温度无关的量。即使VC0、R0是与工艺相关的变量，这些参数只会影响基准电流IREF的值，而不会影响其温度系数。
设计基准电流源电路原理图如图2所示，该电路由偏置电路，温度补偿电路，电流转换电路组成。
偏置电路由MP1、MP2、MP3、MP4四个MOS管组成，MP3、MP4以二极管方式连接，产生偏置电流，通过MP1、MP2电流镜，注入到温度补偿电路中。温度补偿电路由MN1、MN2组成，利用不同阈值电压的MOS管的阈值电压差构成补偿电压。其中所有的MOS管均工作在亚阈值区以降低功耗。运放可采用工作在亚阈值区的两级米勒运放。
本设计所用的电阻为片上多晶硅高阻，具有负温度系数，其阻值与温度的关系为：
VC0为T0时补偿电压，βC为补偿电压的温度系数。从该式可以看出，补偿电压的表达式与片上电阻的温度特性相同。
在分析传统求和型基准电流源的基础上，提出了所要设计的基准电流源的结构示意图，并对电路的原理进行了详细的理论推导，下一步就是利用Cadence软件对电路的原理图进行仿真与优化，去验证理论推导的正确性。
3利用Cadence进行基准电流源原理图仿真
Cadence软件中对电路原理图的设计与仿真的基本流程是：创建原理图文件；原理图编辑；设置器件参数；电路检查与保存；原理图的仿真设置；调整器件参数；重复仿真优化。
在教学的过程中，可以让学生在Virtuoso Schematic Composer中绘制基准电流源电路，并通过Spectre工具进行仿真，图4就是绘制好的基准电流源电路原理图，根据式12可以看出，补偿电压的温度系数可以调节MN1、MN2的尺寸比来设置，但是其值很难通过手算来设置，因此可以利用Cadence软件的自动拟合工具来设置。拟合设置的界面如图5所示，设置基准电流源温度系数的目标值为最小值，设置MOS管的初始值，让Cadence软件自动拟合计算即可。
使用软件拟合结束后，将此值作为初始值，去仿真基准电流源在不同工艺角下的温度特性，进而学生可以通过仿真的波形直观的去验证该电路原理的可行性，即可以保证不同工艺角下该基准源都有较好的温度特性。图6所示即为不同工艺角下该基准源的温度特性曲线。可以看出基准电流在不同工艺角下都具有较好的温度特性。
4结束语
本文基于EDA软件Cadence平台介绍了基于该软件的模拟集成电路设计课程教学方法，结合一种低工艺偏差的基准电流源的设计，从理论推导到电路的仿真验证进行了逐一介绍。通过实例分析，拓展了Cadence软件的应用形式，将其做为一种教学辅助工具引进到集成电路的课堂教学中，可以使集成电路设计专业的学生掌握电路设计的流程及方法，培养创新思维，从而解决了模拟集成电路设计课程教学中学生难以将所学的理论知识与实际应用结合的问题。