电子科技大学微固学院集成电路原理实验报告

电子科技大学微电子与固体电子学院标准实验报告

课程名称集成电路原理

电子科技大学教务处制表

电子科技大学

实验报告

学生姓名: 学号：指导教师：于奇

实验地点：实验时间：

一、实验室名称：微电子技术实验室

二、实验项目名称：集成运算放大器参数的测试

三、实验学时：4

四、实验原理：

运算放大器符号如图1所示，有两个输入端。一个是反相输入端用“-”表示，另一个是同相输入端用“+”表示。可以是单端输入，也可是双端输入。若把输入信号接在“-”输入端，而“+”端接地，或通过电阻接地，则输出信号与输入信号反相，反之则同相。若两个输入端同时输入信号电压为V- 和V+ 时，其差动输入信号为VID= V- - V+ 。开环输出电压V0=A VOVID 。A VO为开环电压放大倍数。

运算放大器在实际使用中，为了改善电路的性能，在输入端和输出端之间总是接有不同的反馈网络。通常是接在输出端和反相输入端之间。

图1 运算放大器符号

本实验的重点在于根据实验指导书要求，对开环电压增益、输入失调电压、共模抑制比、电压转换速率和脉冲响应时间等主要运放参数进行测量。

五、实验目的：

运算放大器是一种直接耦合的高增益放大器，在外接不同反馈网络后，就可具有不同的运算功能。运算放大器除了可对输入信号进行加、减、乘、除、微分、等数学运算外，还在自动控制、测量技术、仪器仪表等各个领域得到广泛应用。

为了更好地使用运算放大器，必须对它的各种参数有一个较为全面的了解。运算放大器结构十分复杂，参数很多，测试方法各异，需要分别进行测量。

本实验正是基于如上的技术应用背景和《集成电路原理》课程设置及其特点而设置，目的在于：（1）了解集成电路测试的常用仪器仪表使用方法及注意事项。

（2）学习集成运算放大器主要参数的测试原理，掌握这些主要参数的测试方法。

通过该实验，使学生了解运算放大器测试结构和方法，加深感性认识，增强学生的实验与综合分析能力，进而为今后从事科研、开发工作打下良好基础。

六、实验内容：

1 ．开环电压增益测量。

2 ．开环输出电阻测量。

3 ．输入失调电压测量。

4 ．共模抑制比测量。

5 ．电压转换速率测量。

6 ．脉冲响应时间测量。

七、实验器材：

（1）直流稳压电源一台

（2）数字双踪示波器* 一台

（3）信号发生器一台

（4）实验测试板及连接线一套

（5）常见通用运算放大器IC样品一块

八、实验步骤：

1、首先熟悉数字双踪示波器和信号源的使用，根据指导书要求搭建各参数的测试电路。注意所选电阻、电容的值，不能确定时要用万用表测量；在测试板上连接测试电路时应注意各运放集成块各管脚的功能，以免连接错误。

2、各参数的测试

（1）、开环电压增益

由于开环电压增益A V0很大，输入信号VI很小，加之输入电压与输出电压之间有相位差，从而引人了较大的测试误差，实际测试中难以实现。测试开环电压增益时，都采用交流开环，直流闭环的方法。测试原理如图2 所示。

图2 开环直流电压增益测试原理图

直流通过RF实现全反馈，放大器的直流增益很小，故输入直流电平十分稳定，不需进行零点调节。取CF足够大，以满足RF 》l/ CF ，使放大器的反相端交流接地，以保证交流开环的目的。这样只要测得交流信号电压vS和vo，就能得到

（1）

在讯号频率固定的条件下，增加输入信号电压幅度，使输出端获得最大无失真的波形。保持输入电压不变，增加输入电压频率，当输出电压的幅值降低到低频率值的0.707倍，此时频率为开环带宽。（2）、输入失调电压VIO

图3 输入失调电压和失调电流测试原理图

由于运放电路参数的不对称，使得两个输入端都接地时，输出电压不为零，称为放大器的失调。为了使输出电压回到零，就必须在输入端加上一个纠偏电压来补偿这种失调，这个所加的纠偏电压就叫运算放大器的输入失调电压，用VIO表示。故VIO的定义为使输出电压为零在两输入端之间需加有的直流补偿电压。

输入失调电压的测量原理如图3所示。图中直流电路通过RI 和RF 接成闭合环路。通常RI的取

值不超过100 , RF 》RI。

（3）共模抑制比kCMR

运放应对共模信号有很强的抑制能力。表征这种能力的参数叫共模抑制比，用kCMR表示。它定义为差模电压增益A VD 和共模电压增益A VC之比，即

图4 共模抑制比测试原理图

测试原理如图4所示。kCMR的大小往往与频率有关，同时也与输入信号大小和波形有关。测量的频率不宜太高，信号不宜太大。

（4）、电压转换速率SR的测试

电压转换速率SR定义为运放在单位增益状态下，在运放输入端送入规定的大信号阶跃脉冲电压时，输出电压随时间的最大变化率。

图 5 电压转换速率侧试原理图

SR的测试原理如图5（a ）所示。测试时取RI = RF ，在输入端送入脉冲电压，从输出端见到输出波形，如图5 (b）所示。这时可以规定过冲量的输出脉冲电压上升沿（下降沿）的恒定变化率区间内，取输出电压幅度V0和对应的时间t，由计算公式求出

（2）

通常上升过程和下降过程不同，故应分别测出SR+和SR-。

（5）、脉冲晌应时间的测试（或称为建立时间）

图6 读取响应时间方法

脉冲响应时间包括上升时间，下降时间、延迟时间、和脉动时间等，测试原理仍如图5（a）所示，取RF＞RI，RI远大于信号源内阻、规定的误差带为1%。读取响应时间方法如图6 所示。其中tr 为上升时间，tf 为下降时间，td(r 为上升延迟时间，td(f为下降延迟时间。

九、实验数据及结果分析：

1、开环增益

表1 开环增益测试数据列表

则：

()

V V V V R R R A S o VO 310401

.022

2121?≈?=?+=

此时仍然出现截止失真.

可得

()

dB A V 60104log 203100≈??>

2、输入失调电压

表2输入失调电压测试数据列表

mV V R R V A V V F o VF o IO 24.010

0024

.01==?==

3、共模抑制比

表3 共模抑制比测试数据列表

则，共模增益： ()

V V V V A IC OC VC 0035.08

028

.0===

可得其共模抑制比

63

1014.10035

.0104?=?==VC VD CMR

A A K 或 98.5d

B 4、转换速率

表4 转换速率测试数据列表

则

??? ??==??=

s V s

V

t V S R μμ6.07.64

??? ??==??=

s V s

V

t V S R μμ.74.04.147.10

5、单位增益带宽

表5 单位增益带宽测试数据列表

得

KHz KHz BW R R BW A GB F V 5177.511

10

1=?=?=

?= 十、实验结论：

结合课程所学的知识，对 A741双极运算放大器的主要参数进行了测试，熟悉了数字双踪示波

器等常用仪器的使用技巧，掌握了通用运算放大器的测试方法，同时对课程中相关的理论知识有了更深入的认识。

十一、总结及心得体会：

通过本次实验，熟悉了数字双踪示波器等常用仪器的使用技巧，掌握了通用运算放大器的测试方法，

加深了对所学理论知识的感性认识，增强了自身的实验与综合分析能力，进而为今后从事科研、开发工作打下良好基础。

十二、对本实验过程及方法、手段的改进建议：

无。

一、实验室名称：微电子技术实验室

二、实验项目名称：集成电路版图识别与提取

三、实验学时：4

四、实验原理：

本实验重点放在版图识别、电路拓扑提取、电路功能分析三大模块，实验流程如下：

五、实验目的：

(1)了解对塑封、陶瓷封装等不同封装形式的芯片解剖的方法及注意事项。

(2)学习并掌握集成电路版图的图形识别、电路拓扑结构提取。

(3)能对提取得到的电路进行功能分析、确定，并可运用PSPICE等ICCAD工具展开模拟仿真。

六、实验内容：

1、Motic SMZ体视显微镜使用与操作练习。

2、在芯片上找出划线槽、分布在芯片边缘的压焊点、对位标记和CD Bar（特征尺寸线条）并测出有关的图形尺寸和间距。仔细观察芯片图形总体的布局布线，找出电源线、地线、输入端、输出端及其对应的压焊点。

3、判定此IC采用P阱还是N阱工艺；进行版图中元器件的辨认，要求分出MOS管、多晶硅电阻和MOS电容。

4、根据以上的判别依据，提取芯片上图形所表示的电路连接拓扑结构；复查，加以修正；应用PSPICE 等电路模拟器进行仿真验证。

七、实验器材：

（1）可连续变倍体视显微镜1台

（2）镊子、干燥器皿（含干燥剂）1套

（3）未划片封装的圆片（含CMOS模拟电路）1片

（4）微机1台

八、实验步骤：

首先熟悉Motic SMZ体视显微镜的使用。

（1）接通电源，选择视野光源。该显微镜备有两种光源：透射式和入射式，芯片为不透明样片，故采用入射光源。

（2）与一般显微镜不同的是，该显微镜物镜放大倍数连续可调，便于操作；焦距的变化通过调节升降杆旋钮实现。注意调节过程中不可猛升猛降，以免损坏仪器。

2、调节可变倍物镜，将放大倍数调变至最小，再调节物镜与样品距离，至视野清晰，确定所需观察

的样品位置。增大放大倍数，并调节焦距，至可在视野内清楚地看到4个电路块（Chip）。此时所见到的每块之间的沟槽即为划片槽，封装前将圆片沿此槽划开，得到单个的芯片，将各压焊点用引线引出封装就是平时所用的集成电路块。

3、调节显微镜，在芯片内查找出对位标记和CD Bar（特征尺寸线条）。发现在芯片右上角有一块区域为对位标记和CD条，由对位标记可知，该电路共有13块掩模版，每次对位均以第一块版P阱版为准，避免了以往采用的后一次以上一次为准带来的套刻误差传递的危险，套刻精度大为改善。

4、进一步增大放大倍数，使视野内只有一个Chip出现，在其四周找出较大的亮的方框，即为压焊点，先根据与压焊点相连的连线的宽窄定出正、负电源线或地线，因本电路采用正负电源，判定上方左起第3个压焊点接正电源，下方第左起第1个压焊点接负电源。再根据与正、负电源线的连接情况，输入端一般都加二极管保护电路，可先查到有二极管保护电路的部分，分析与其相接的连线情况，确定芯片上方左起第1、2压焊点为两个输入端压焊点。

5、根据在衬底和阱中的器件与正、负电源线或地线的连接情况，判定此IC采用P阱还是N阱工艺。由观测到的图形可以发现，阱及其保护环与负电源相接，判定为P阱工艺。

6、确定本电路采用的为P阱工艺之后，进行版图中元器件的辨认。首先可以看出采用了多晶硅栅，且在输入压焊点到输入管之间有一段多晶硅，但又无连线的“交叉”出现，排除了“过桥”的可能，初步判断为电阻，再根据其与二极管保护电路连接最终与输入管相接，可断定是输入端起限流作用的电阻。

7、因已确定为P阱工艺，则阱和保护环内的器件应为NMOS管，由图形可见，两输入管共用一个源极，且源与P阱相接，但未接负电源，而是与另一个N管的漏相接，该N管的源极与负电源相接，意味着阱电位是浮动的，这是为了消除输入管衬底偏置效应采取的措施。两输入管的漏极分别与另外两个P管的漏相接，这两个P管的源和衬底相连并与正电源连接，且其中一个P管的漏与栅极短接，说明这两个P管构成了电流镜。类似可识别出其他的P管和N管。

8、根据如上的图形识别，将提取得到的各器件连接并整理成电路图。

九、实验数据及结果分析：

通过本次实验掌握了IC版图识别和电路提取的基本技能，和版图编辑软件LEDIT的使用方法，达到了实验目的。

图1 由版图提取出的差分放大输入级电路

根据实验观察分析，按要求提取出芯片上输入电路部分的拓扑结构，其电路图如图1所示。可见，实验样片为一个采用CMOS P 阱工艺制造的放大器电路，该电路为典型的差分放大输入级。由电路图可以看出，器件连接方式正确，能完成确定的功能，说明提取结果是正确的。

十、实验结论：

结合课程所学的知识，对一种模拟集成电路进行了版图识别与提取，分析出该电路

采用了硅栅P 阱CMOS工艺，电路结构为带输入保护的典型差分输入放大器。其中，

在版图中差分对的对称性考虑、电流镜的匹配设计有特色，值得今后设计中借鉴。

十一、总结及心得体会：

通过本次实验，了解了IC内部结构及其主要工艺特点，加深了对微电子集成电路实际版图的感性认识，增强了自身的实验与综合分析能力，学习了逆向设计的基本方法，进而为今后从事科研、开发工作打下良好基础。

十二、对本实验过程及方法、手段的改进建议：

无。

一、实验室名称：微电子技术实验室

二、实验项目名称：CMOS模拟集成电路设计与仿真

三、实验学时：4

四、实验原理

参照实验指导书。

五、实验目的

本实验是基于微电子技术应用背景和《集成电路原理与设计》课程设置及其特点而设置，为IC设计性实验。其目的在于：

根据实验任务要求，综合运用课程所学知识自主完成相应的模拟集成电路设计，掌握基本的IC 设计技巧。

学习并掌握国际流行的EDA仿真软件Cadence的使用方法，并进行电路的模拟仿真。

六、实验内容

1、UNIX操作系统常用命令的使用，Cadence EDA仿真环境的调用。

2、设计一个运算放大器电路，要求其增益大于40dB, 相位裕度大于60o，功耗小于10mW。

3、根据设计指标要求，选取、确定适合的电路结构，并进行计算分析。

4、电路的仿真与分析，重点进行直流工作点、交流AC分析、瞬态Trans分析、建立时间小信号特性和压摆率大信号分析，能熟练掌握各种分析的参数设置方法。

5、电路性能的优化与器件参数调试，要求达到预定的技术指标。

6、整理仿真数据与曲线图表，撰写并提交实验报告。

七、实验仪器设备

（1）工作站或微机终端一台

（2）局域网

（3）EDA仿真软件1套

八、实验步骤

1、根据实验指导书熟悉UNIX操作系统常用命令的使用，掌握Cadence EDA仿真环境的调用。

2、根据设计指标要求，设计出如下图所示的电路结构。并进行计算分析，确定其中各器件的参数。

电路的仿真与分析，重点进行直流工作点、交流AC分析、瞬态Trans分析，能熟练掌握各种分析的参数设置方法。

电路性能的优化与器件参数调试，要求达到预定的技术指标。

九、实验数据及结果分析：

通过本次实验掌握了UNIX操作系统常用命令的使用，Cadence EDA仿真环境的调用。达到了实验目的。

根据设计指标要求，设计出一种运算放大器，并进行了参数优化，最终指标满足要求。

十、实验结论：

通过这次实验，学习并掌握国际流行的EDA仿真软件Cadence的使用方法，完成了运算放大器集成电路的设计，并进行了优化仿真，其难点是电路结构设计和参数优化。

十一、总结及心得体会：

通过这次实验，学习并掌握国际流行的EDA仿真软件Cadence的使用方法，并进行了运放电路的设计与仿真。综合运用课程所学知识自主完成相应的模拟集成电路设计，掌握了基本的模拟IC设计技巧。为今后从事科研、开发工作打下良好基础。

十二、对本实验过程及方法、手段的改进建议：

无

一、实验室名称：微电子技术实验室

二、实验项目名称：模拟集成电路版图设计与验证

三、实验学时：4

四、实验原理

参照实验指导书。

五、实验目的

本实验是基于微电子技术应用背景和《集成电路原理与设计》课程设置及其特点而设置，为IC设计性实验。其目的在于：

根据实验任务要求，综合运用课程所学知识自主完成相应的模拟集成电路版图设计，掌握基本的IC版图布局布线技巧。

学习并掌握国际流行的EDA仿真软件Cadence的使用方法，并进行版图的的设计与验证。

六、实验内容

UNIX操作系统常用命令的使用，Cadence EDA仿真环境的调用。

2、根据设计指标要求，自主完成版图设计，并掌握布局布线的基本技巧。

3、对所绘制的版图进行DRC、ERC检查验证。

4、整理版图生成文件，总结、撰写并提交实验报告。

七、实验仪器设备

（1）工作站或微机终端一台

（2）局域网

（3）EDA仿真软件1套

八、实验步骤

1、根据实验指导书熟悉UNIX操作系统常用命令的使用，掌握Cadence EDA仿真环境的调用。

2、根据设计指标要求，设计出如下图所示的运算放大器电路版图，过程中应注意设计规则。

3、对所绘制的版图进行DRC、ERC检查验证。

当版图绘制完成后，需要调用版图设计规则检查DRC来验证是否违反设计规则。

（1）点选Layout窗口上面的指令Verify→DRC

（2）出现DRC窗口

（3）按OK之后，会开始跑DRC，若有错误，CIW对话框会显示错误并且在Layout窗口也会有光标marker闪烁。

（4）可以点选Layout窗口上面的指令Verify→Makers→Explain，然后选择Layout窗口中闪动线条，即可知所犯的错误

（5）若要消除在Layout窗口闪烁的marker，点选Layout窗口上面的指令Verify→Markers→delete all，出现下面窗口，再点选OK即可。

2、根据与DRC验证类似的步骤进行版图的电气规则ERC检查。

注意：如整个版图由多个分图合成，则合并版图后，即使单个的分图均通过DRC/ERC验证，也必须再次进行DRC/ERC检查，往往拼接过程中会引入新的错误。

九、实验数据及结果分析：

1、通过本次实验掌握了UNIX操作系统常用命令的使用，Cadence EDA仿真环境的调用。达到了实验目的。

2、根据设计指标要求，设计出运算放大器模拟集成电路版图，并进行了DRC、ERC规则检查，最终指标满足要求。

十、实验结论：

通过这次实验，学习并掌握国际流行的EDA仿真软件Cadence的使用方法，完成了运算放大器集成

电路版图的设计，并进行了DRC、ERC规则检查，其难点是版图的布局布线和设计规则的理解。

十一、总结及心得体会：

通过这次实验，学习并掌握国际流行的EDA仿真软件Cadence的使用方法，并进行电路版图的设计与验证。综合运用课程所学知识自主完成相应的模拟集成电路版图设计，掌握了基本的IC版图设计技巧。为今后从事科研、开发工作打下良好基础。

十二、对本实验过程及方法、手段的改进建议：

无