混合信號芯片設(shè)計中的溫度分析
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如今，集成電路的設(shè)計趨勢正朝著在同一塊芯片內(nèi)集成越來越多的電路的方向發(fā)展。在諸如高速通道收發(fā)器、微控制器、汽車電子、智能電源芯片和無線產(chǎn)品等許多應(yīng)用中，模擬電路和數(shù)字電路都被放置在同一個裸片上。將功率器件、高性能模擬電路和復(fù)雜數(shù)字電路在這樣的混合信號設(shè)計中進(jìn)行集成，會導(dǎo)致裸片中的功率密度增加，由于這些不同的電路會產(chǎn)生熱量，這就會引發(fā)溫度問題。
芯片架構(gòu)設(shè)計師、電路設(shè)計師和布線設(shè)計師正面臨著越來越大的壓力，因為他們必須準(zhǔn)確掌握其設(shè)計中的溫度變化情況以及這些變化對電路性能和可靠性會帶來怎樣的影響。本文描述了一種直接集成到設(shè)計流程中的詳細(xì)三維溫度分析，介紹了這種溫度分析如何幫助芯片設(shè)計師和架構(gòu)師更好地掌握芯片內(nèi)的溫度梯度，以及溫度梯度影響芯片性能的情況。
對溫度梯度的現(xiàn)有理解
估計IC芯片結(jié)溫的一般方法是利用精簡封裝模型，其中包括給定封裝的最大結(jié)溫、最大環(huán)境溫度，最大允許功耗以及此封裝的熱阻(R?JA，junction to ambient)。不同的精簡封裝模型中可能會有幾個熱阻，但這類模型的應(yīng)用都涉及到圖1中所示的一個線性方程。
圖1 精簡模型下的結(jié)溫
功率源的分布狀態(tài)會導(dǎo)致結(jié)溫變化，但精簡封裝模型無法捕獲這種變化所造成的影響。通過使用單一的總功率數(shù)字，產(chǎn)生的結(jié)溫被假定為單個（通常是最壞情況）數(shù)字。事實上，功率源是分散的，當(dāng)考慮它們的綜合影響時，會出現(xiàn)以下兩個重要問題：
(a)結(jié)溫變化，這導(dǎo)致電路單元之間產(chǎn)生溫度梯度
(b)最大結(jié)溫會超出精簡模型計算得到的數(shù)字
圖2(a)給出的是，在為實現(xiàn)芯片的某個特定工作模式而選用的模塊與器件的實際位置和功率密度條件下，裸片的通道區(qū)域內(nèi)的溫度分布。溫度分布的不同顏色顯示，通道內(nèi)存在幾個溫度值。溫度的總平均值和基于精簡模型計算得到的溫度相近。但前者一般更高，因為控制相連熱源的公式是非線性的，而精簡模型認(rèn)為是線性。結(jié)的最大溫度可能會高很多，如圖2(a)所示。
不經(jīng)過熱分析，設(shè)計師不可能在項目早期就知道真正的結(jié)溫，這會影響芯片封裝和散熱方案的選擇。了解芯片溫度和梯度的情況還可影響電路布局（以確保關(guān)鍵器件的溫度相近）和物理尺寸（以保證芯片在實際工作溫度下足夠可靠）。
應(yīng)該更好地理解溫度梯度對芯片的影響
溫度會在不同程度上影響二極管、電阻、電容和晶體管等電子元件。而混合信號設(shè)計越來越需要在內(nèi)部功率密度不均勻的芯片上進(jìn)行高速、低電壓和高復(fù)雜性的設(shè)計，這會極大增加芯片的溫度梯度。因此設(shè)計師需要考慮溫度梯度對整塊芯片造成的影響。
模擬設(shè)計對哪怕只有幾攝氏度的溫差都可能特別敏感。為避免性能降低和參數(shù)失效，這類電路的布線必須嚴(yán)格遵守電路的對稱特性，這就使了解溫度分布情況變得更加重要。由熱引起的設(shè)計問題包括差分放大器的輸入偏移、高分辨率轉(zhuǎn)換器的誤差、調(diào)節(jié)電路的參考電壓漂移和運放的直流增益損耗。
熱分析的實用性
電壓和電流參考源在模擬電路中被廣泛使用。仔細(xì)研究帶隙參考電路的特點就能看出對整塊芯片進(jìn)行熱分析作用何在。這種參考源是穩(wěn)定的直流源，它和工藝參數(shù)、軌線電壓以及規(guī)定溫度的改變無關(guān)。帶隙參考電路是IC設(shè)計中應(yīng)用最廣泛的電路之一，在DRAM和 flash存儲器、模擬器件中都有應(yīng)用。
帶隙產(chǎn)生的電壓應(yīng)與溫度無關(guān)，這個電壓是通過這樣的方式產(chǎn)生的：在一個隨溫度上升而下降的電壓(稱作相反于絕對溫度，簡稱CTAT)上加一個隨帶隙電路元件的溫度上升而升高的電壓(稱作正比于絕對溫度，簡稱PTAT)。CTAT電壓是通過對正偏的雙極性晶體管的基極－發(fā)射極進(jìn)行分接產(chǎn)生的，而PTAT電壓則利用兩個雙極性晶體管的基極－發(fā)射極電壓差產(chǎn)生。這兩個雙極性晶體管雖然流過的總電流相等，但二者的基極－發(fā)射極電壓大小不同。 這里的一個基本假設(shè)是PTAT電路中的器件所在區(qū)域是一個等溫區(qū)。但考慮到整個芯片上復(fù)雜的溫度變化，這個假設(shè)往往不成立。
例如，由于基極－發(fā)射極電壓與溫度的關(guān)系是非線性的，因此當(dāng)兩個PTAT晶體管之間存在溫度梯度時，帶隙電路就無法正確工作。但如果能在設(shè)計階段放置這些器件或者為其在電路中定位之前，就能了解溫度特性，那么就可以通過將帶隙電路沿等溫線布置來防止其出錯。下文介紹的溫度感知(temperature-aware)功能一個目的就是在模擬電路的設(shè)計過程中提供這類信息，以防止帶隙電路出錯。
當(dāng)帶隙電路中晶體管之間的溫度差不到幾攝氏度時，溫度傳感器這類電路就不能正常工作，而在一些汽車應(yīng)用中，裸片上的溫度梯度可能超過70到80
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