2.5 版图布局

版图布局是进行版图设计的第一步，在这个过程中，设计者需要根据信号流向、匹配以及预留布线通道等原则放置每一个元器件。布局的优化程度决定了版图的优劣，最终也决定了模拟电路的性能，本小节就对版图布局中存在问题、布局规则、方法进行讨论。

2.5.1 对称约束下的晶体管级布局

在高性能模拟集成电路中，我们通常需要将多组器件沿着一定的坐标轴进行对称布置。差分电路技术被广泛用于提高模拟集成电路的精度、电源抑制比和动态范围。在差分信号通路两个分支的布局中，设计者必须特别注意匹配两条支路布局产生的寄生效应，否则许多差分电路的性能潜力将无法得到实现。当无法通过对称匹配有效抵消这些寄生效应时，差分电路就会产生更大的失调电压，电源抑制比也会随之下降。对称布局（对称布线）的主要目的就是使一组差分器件的两条差分支路版图能够匹配，尽可能减小非对称寄生效应的影响。

对称布局也可以用来降低电路对热梯度的敏感性。在超大规模集成电路器件中，如双极性器件，对邻近温度的变化十分敏感。如果两个这样的器件相对于隔离热对称线随机放置，可能会导致温度差的失配。同样的，如果在差分电路中不能平衡两条支路的热耦合效应，则有可能引起不必要的电路振荡。为了降低潜在的失配效应，热敏感器件应该相对于热辐射器件对称放置。由于对称放置的热敏感器件与辐射器件等距，因此它们所处的环境温度大致相同，这样就可以大幅度降低温度引起的失配效应。

通常情况下，电路都具有对称和非对称器件。例如，图2.8所示的两级密勒补偿运算放大器具有对称的差分输入级，但是也具有不对称的单端输出级。

图2.8 两级密勒补偿运算放大器

典型的对称布局主要包括以下几种类型：

（1）镜像对称：将多个器件分为两个相同的组合，沿着同一个轴线进行布置，使得每对器件有相同的几何形状和对称方向。镜像对称是布局对称的最标准形式。这种布局的优势主要体现在两个方面。首先，由于被迫同样的对器件采用相同的几何结构，所以器件相关寄生得到平衡，器件匹配特性得到改善；其次，镜像对称布局使得器件终端信号走线也可以呈镜像对称，进一步减小了寄生误差。

（2）完全对称：与之前镜像对称中成对器件方向一致的方式不同，这种匹配必须满足更为严格的对称性和匹配性。当存在各向异性制造扰动时（如斜角离子注入），将配对器件放置在相同的方向上时，可以实现最佳匹配。而完全对称布局存在一个问题：因为器件的终端节点不再是镜像对称，所以我们不能用镜像对称路径来连接配对器件，而是采用非几何对称的方式进行布线，以此来匹配相应的寄生效应。当模块中同时存在对称和非对称电路时，布线的困难会急剧增加。

（3）自对称：器件具有几何对称图形，并且与配对器件共用一条对称轴。自对称器件布局的实现主要有两个优点。首先，我们通常需要将非对称器件放置在镜像对称布局的中间。当非对称器件需要连接到两侧对称的信号通路时，这种方式极大地简化了该器件布线的难度。这种布局使得电路的左半部和右半部呈现镜像对称，因此可以较为容易地实现对称布线；其次，自对称在创建热对称布局中是一种非常有效的方式。

2.5.2 版图约束下的层次化布局

在模拟集成电路版图设计中，为了减少寄生耦合效应、提高电路性能，需要对器件进行匹配、对称和邻近约束。除了这些基本的版图约束外，由于电路和版图设计层次，还存在层次化对称性和层次化邻近约束。基本的模拟布局约束包括共质心约束、对称约束和邻近约束，如图2.9所示。共质心约束通常用于电流镜中的子电路，或者差分对中，以减小器件之间由工艺引起的失配，在整个差分子电路的布局设计中，我们总是需要对称约束。在差分子电路中，对称约束有助于降低两条对称信号通路之间的寄生失配，而邻近约束广泛应用于器件模型或特定功能电路的子电路中，它有助于形成子电路的连接布局，使得子电路可以共用相互连接的衬底/阱区域或公共保护环，以减少版图面积、互连线长度和衬底耦合效应。此外，具有邻近约束的每个子电路的版图轮廓可以采用不规则的图形，以便更好地利用版图面积。具有邻近约束的两个子电路布局如图2.9c所示，其中（E1\E2\E3）和（F1\F2\F3）为两组子电路。

层次化对称性和层次化邻近约束是模拟集成电路版图设计中的重要准则。版图设计层次通常包括模拟电路设计中精确和虚拟的层次化信息。精确的层次结构与电路层次结构相同，而虚拟层次结构则包含概念上的层次群。每一个群包含一些器件和子电路，这些器件和子电路基于近似的器件模型、子电路功能或其他特定约束组合成群。一个版图设计层次举例如图2.10所示，其中每一个子电路对应一个特定的约束。

图2.9 基本的模拟版图约束

a）共质心约束 b）对称约束 c）邻近约束

图2.10 版图设计层次以及每个子电路中对应的约束

在图2.10中，具有层次化对称约束的子电路可能包括一组具有共质心对称约束的器件和子电路。图2.10中多个子电路的层次化对称布局如图2.11所示。同样的，一个具有层次化邻近约束的子电路也可能包括一组具有共质心对称约束和邻近约束的器件和子电路。

图2.11 具有层次化对称约束的子电路布局，其中H/I、J/K、D/E为各自的对称对

基于图2.10中所示的版图设计层次化概念，为了使版图设计具有更高的效率和有效性，我们必须分层次进行版图布局设计。此外，为了压缩版图面积，我们也需要重点考虑版图设计层次。在先进工艺版图设计中，模拟集成电路版图布局常常需要同时优化不同层次间子电路的布局方式，而不是简单的自底向上将子电路版图堆叠起来，这是因为很多情况下，子电路的最优布局并不会产生最优的全局布局。大多数版图布局都采用基于拓扑平面表示的模拟退火方法，如序列对和B^∗形树方法。其中，基于层次的B^∗形树（Hb^∗形树）方法在考虑版图设计层次的同时，能够合理地处理层次化对称和层次化邻近约束的问题。

对称约束

为了减少寄生失配和电路灵敏度对模拟电路热梯度或工艺变化的影响，我们需要将一些模块对相对于公共轴对称放置，并且将对称模块放置在最接近对称轴的位置，以获得更优的电性能。对称约束可根据对称类型、对称组、对称对和自对称模块来制定相应的布局策略。在模拟版图中，根据特定的对称类型，一个对称组中还可能包含一些对称对和子对称模块。对称类型分为具有纵向对称轴和横向对称轴的两种主要类型，如图2.12所示。

图2.12 两种对称类型

a）具有纵向对称轴的对称布局 b）具有横向对称轴的对称布局

如图2.12所示中的具有纵向（横向）对称轴的布局，对称对中具有相同面积和方向的两个模块必须沿着对称轴对称布置。由于自对称模块的内部结构是自对称的，所以其中心必须位于对称轴上。

对称岛

有学者测量了MOS晶体管与各种电参数之间的失配，将其作为一个关于器件面积、距离和方位的函数。两个矩形器件之间的电气参数差P可以由式（2-1）中的标准差进行建模，其中A_p为器件面积，正比于P；W、L分别为晶体管的宽度和长度；S_p表示当器件间距为D_x时，P的变化值。

这里我们假设对称对中器件的面积都是相同的。根据式（2-1），对称对之间的距离越大，它们之间的电学特性差异越大。所以，必须将对称组中的对称器件布置在尽可能近的距离内。一个包含差分输入子电路的两级CMOS运算放大器如图2.13a所示。差分输入子电路中的器件M1、M2、M3、M4和M5形成一个对称组。图2.13b和c展示了两种布局类型的版图布置。因为同一个对称组中的对称模块布置在更接近的距离上，所以图2.13c中的布局要优于图2.13b。因此，器件对于工艺变化的敏感性得到最小化，电路的性能也得到了提升。

图2.13 两种布局类型实例

a）两级运算放大电路，差分输入子电路构成一个对称组 b）对称组中的器件没有布置在相邻的位置 c）对称组中的器件布置在尽可能接近的位置

基于对称组中的器件必须布置在尽可能接近的位置这一准则，我们给出对称岛的定义：对称岛是对称组的一种布置方式，组中的每个模块至少与相同组中的一个其他模块相邻，并且对称组中的所有模块可以形成互连。

在图2.14的例子中，图2.14a中的对称组S1构成一个对称岛，但是图2.14b由于对称器件不能形成互连，所以无法形成对称岛。所以，图2.14a中布局方式可以获得更优的电气特性。

B^∗形树

B^∗形树是一个有序的二叉树，它表示一个紧凑的布局，其中每个模块不能再向左侧和底部移动。如图2.15所示，B^∗形树的每个节点对应于一个紧凑布局的模块。B^∗形树的根对应于左下角的模块。每一个节点n对于一个模块b，n的左子节点表示b右侧最低的相邻模块，而n的右子节点表示b之上的具有相同水平坐标的第一模块。给定一个B^∗形树，我们可以通过预置树遍历，来计算每个模块的坐标。假设由节点n_i表示的模块b_i具有底左坐标（x_i；y_i）、宽度w_i和高度h_i，那么对于n_i左侧的子模块n_j，有x_j=x_i+w_i；对于n_i右侧的子模块n_k，有x_k=x_i。此外，我们保持整体结构的轮廓来计算y坐标。所以从根节点开始[左下角坐标为（0，0）]，然后访问根左侧的子模块和右侧的子模块，这个预置树遍历的过程，也就是B^∗形树遍历，就可以计算出布局中所有模块的坐标。

图2.14 对称组的两种对称布局

a）S1构成一个对称岛 b）S1无法构成一个对称岛

图2.15 紧凑布局以及用B^∗形树表示图a）中的紧凑布局

a）紧凑布局 b）用B^∗形树表示图a）中的紧凑布局