混合信號(hào)芯片設(shè)計(jì)中的溫度分析
如今,集成電路的設(shè)計(jì)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(gè)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(hào)設(shè)計(jì)中進(jìn)行集成,會(huì)導(dǎo)致裸片中的功率密度增加,由于這些不同的電路會(huì)產(chǎn)生熱量,這就會(huì)引發(fā)溫度問題。
芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)師、電路設(shè)計(jì)師和布線設(shè)計(jì)師正面臨著越來越大的壓力,因?yàn)樗麄儽仨殰?zhǔn)確掌握其設(shè)計(jì)中的溫度變化情況以及這些變化對(duì)電路性能和可靠性會(huì)帶來怎樣的影響。本文描述了一種直接集成到設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)溫度梯度的現(xiàn)有理解
估計(jì)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(huì)有幾個(gè)熱阻,但這類模型的應(yīng)用都涉及到圖1中所示的一個(gè)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(huì)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(gè)（通常是最壞情況）數(shù)字。事實(shí)上,功率源是分散的,當(dāng)考慮它們的綜合影響時(shí),會(huì)出現(xiàn)以下兩個(gè)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(huì)超出精簡模型計(jì)算得到的數(shù)字
圖2(a)給出的是,在為實(shí)現(xiàn)芯片的某個(gè)特定工作模式而選用的模塊與器件的實(shí)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(gè)溫度值。溫度的總平均值和基于精簡模型計(jì)算得到的溫度相近。但前者一般更高,因?yàn)榭刂葡噙B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(huì)高很多,如圖2(a)所示。
不經(jīng)過熱分析,設(shè)計(jì)師不可能在項(xiàng)目早期就知道真正的結(jié)溫,這會(huì)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(shí)際工作溫度下足夠可靠）。
應(yīng)該更好地理解溫度梯度對(duì)芯片的影響
溫度會(huì)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(hào)設(shè)計(jì)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(jì),這會(huì)極大增加芯片的溫度梯度。因此設(shè)計(jì)師需要考慮溫度梯度對(duì)整塊芯片造成的影響。
模擬設(shè)計(jì)對(duì)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(duì)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(jì)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(yùn)放的直流增益損耗。
熱分析的實(shí)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
