上电复位模块版图的设计优化

图3-1 上电复位电路图

1.上电复位模块逻辑

电路中之所以用到上电复位电路是因为电路在上电前有很多不定状态。为了将上电时电路内部所有状态确定下来就必须用到上电复位电路，否则无法保证电路功能的准确性和稳定性。从图3-1所示的上电复位电路图可以看到，该电路是由一个PMOS管、MOS电容、施密特触发器及两个反相器构成。图中调用名称为P2的PMOS管是个倒比管（正常的MOS管宽度总是比沟长大，比如前面设计版图中遇到的1/0.8等MOS管；而倒比管是反过来的，MOS管宽度比沟长小），其宽长比为1.2/40，栅极接GND，倒比管的导通电阻比较大，因此其作用相当于一个上拉电阻。MOS电容N2在此处起到充放电的作用。中间部分8个MOS管组成的施密特触发器是一个带迟滞界面的反相器。最后两级反相器的作用是加大rst信号的驱动能力。

2.上电复位模块中倒比管和电容的版图设计

（1）倒比管的设计

在倒比管的版图中，有源区一般不设计成上面反相器版图中所提到的矩形，而是采用U形或反S形，如图3-2a、b所示。有源区的宽度就是倒比管的沟道宽度W，源和漏区之间被多晶覆盖的区域就是MOS管的沟长L。

图3-2 倒比管形状

a）U形：L=2L1+L2 b）反S形 c）MOS倒比管的版图

图3-2c就是D508项目上电复位模块中用到的W/L=1.2/40的MOS倒比管的版图。由于此倒比管W/L相对较大，所以采用了类似于S形的结构。另外在D508项目上电复位模块之外的其他模块中还会用到其他尺寸的倒比管，下面具体介绍。

（2）电容的设计

在CMOS模拟集成电路中常常需要高性能的电容器件。例如，在运算放大器中用做相位补偿；在ADC（或DAC）以及开关电容电路中用做电荷存储元件；在延时模块中产生延时信号等。

MOS集成电路中的电容器以平板电容器为主，如图3-3所示。平板电容器的表达式：C=εoεoxWL/tox；其中W和L是平板电容器的宽度和长度，二者的乘积即为电容器的面积。当然计算电容时应采用有效极板面积，即上、下极板之间重叠的面积，如图3-4所示。

图3-3 基本电容版图

图3-4 电容的有效面积

对于高性能的集成电容器件，应满足以下条件：①较大的单位面积电容值（占用芯片面积小）；②好的匹配精度；③较小的寄生电容；④较小的电压和温度系数。以下为两种常见的电容。(https://www.xing528.com)

1）MOS电容。

由于MOS管中存在着明显的电容结构，因此可以用MOS器件作为电容使用。MOS电容的连接方式如图3-5所示，即将MOS管的漏极和源极甚至衬底连接在一起形成电容的一端，而电容的另一端则是MOS管的栅极，其中图3-5a是NMOS电容，该电容的一端接地；图3-5b为PMOS电容，该电容的一端接电源VDD；图3-5c是衬底接GND的NMOS电容；图3-5d是衬底接VDD的PMOS电容，其中图3-5c和图3-5d可以实现两端悬浮的NMOS和PMOS电容（即电容的两端可以接0～VDD之间的任意电位）。

MOS电容的等效电容值与两端所加偏置电压有关，这是MOS电容的缺点，但由于MOS管的栅氧化层较薄，因此MOS电容的单位面积电容值较大，如果电路中需要大的电容值（例如稳压电容），使用MOS电容可有效节约芯片面积。

图3-5 MOS电容的连接方式

在上电复位模块中有一个6pF的电容，采用了单位面积较大的MOS电容（单位面积电容值约为2fF/μm²）。

2）PIP电容：

两层多晶之间可以形成电容，即所谓的PIP电容，其中多晶2做电容的上电极板，多晶1做电容的下电极板，栅氧化层做介质，这是一个典型的平行板电容器，但它需要具有两层多晶的工艺才能实现。

由于双层多晶电容具有性能稳定、寄生电容小等优点，因此在MOS集成电路中被广泛应用。在D508项目的振荡器的设计中，为了提高电路的可靠性和稳定性，采用了双多晶电容，下面有具体描述。

双多晶电容的一个明显缺点是单位面积较小，如D508项目所采用的CSMC 0.8μm工艺，单位面积电容只有0.73fF/μm²，因此与MOS电容相比，设计同样大小的电容，采用双多晶电容需要增加约两倍的面积。

3.上电复位模块版图设计

设计考虑：

1）电容的衬底接触通常是接GND的。由于D508项目所采用的工艺在有源区的摆放上是允许对接的，所以出于节省面积的考虑，将电容的接触孔直接贴着电容的一周摆放。

2）为了使设计的版图更为规则合理，方便后续的模拟模块的总拼等操作过程，在版图设计时将上电复位模块设计成方形。

上电复位模块的版图如图3-6所示。

图3-6 上电复位模块的版图