关于模拟布局中MOSFET差分对寄生效应的平衡问题探讨

差分放大器的原理是，不是将增益施加到一个输入信号，而是施加到两个输入信号之间的差值。这意味着差分放大器可以自然地消除两个输入信号中存在的噪声或干扰以及抑制共模信号。换言之，两个输入信号中存在的直流失调将被消除，而增益将只应用于目标信号。在大多数实际应用中，差分对被连接到一个电流镜或一个有源负载。这大大减少了所需的硅面积，并大大增加了增益。

模拟布局中的差分对完全是关于平衡的。因此，为了获得最佳性能，必须匹配其MOSFET。这意味着两个MOSFET的通道尺寸必须相同，并且布线应该是平衡的。差分对左右两边的寄生效应的任何差异都会降低其性能。

我们可以使用传统的原理图编辑器和Pulsic提供的插件轻松地演示所有这些布局概念。Pulsic的插件名为Animate Preview，它为加载到原理图编辑器中的模拟电路生成了一个DR干净的布局。Animate在后台运行，自动识别关键结构，如差分对和电流镜。它还会自动约束布局，以生成一个媲美人工质量的布局，包括差分对。

Animate 可为您的电路创建多个布局，并直接在传统的原理图编辑器中显示布局。

下图显示了Animate预览插件窗口。在窗口的右侧，我们有许多自动生成的布局。所有这些布局都是针对这一个原理图的。在底部，有约束条件。这些约束条件都是由Animate自动生成的。在左边，有每个生成的布局的一些统计资料。

我们可以看到Animate自动为我们检测了差分对，并且它在原理图上直接在差分对中的两个器件周围画了一个光圈。如果我们看一下约束选项，我们可以看到Animate已经识别出这两个器件是一个差分对，它已经自动约束这两个器件的布局，以平衡差分对内的布线，并查看是否有可能生成一个交叉的四边形布局。让我们再看一个选项，那就是行数。Animate将自动考虑这个特定差分对中的器件的一行、两行、三行和四行计数。

Animate将考虑所有不同的选项，并计算出生成最佳差分对布局的排列，考虑该差分对的要求和它所处的环境。Animate生成约束后，下一步是生成布局，然后这些布局将显示在屏幕的右侧。如果我们在原理图中选择差分对，我们可以交叉探测到布局中。

我们希望差分对的每个器件都具有相同的几何环境，因为这意味着可以平衡器件上的任何过程变化或LD效应。实现此目的的第一步是让 Animate 将这些器件放置在常规网格中。第二步是差分对周围的所有间距都应该是相同的。因此，当我们查看水平间距时，器件之间的间隙也应该相同。在本例中，我们只有两行。如果我们有超过两行，那么我们希望所有这些间隙都是相同的，以便我们的差分对中的每个有源器件都具有完全相同的几何环境。

在几何环境方面，我们还希望器件在左侧和右侧具有相同的邻居。为了在行的末尾实现这一点，Animate为我们插入了虚拟器件。这些是图像中的浅灰色器件。这些是由Animate 自动插入的，因为Animate能识别出我们有一个差分对。我们还希望poly heads是相同的。如果仔细观察，可以看到poly heads方向用一个小圆圈标记。最上面一行的所有器件在南侧都有poly heads，第二排的所有poly heads都在器件的北侧。

为了确保这些器件中的每一个都具有相同的行为，并抵消芯片上的工艺变化，Animate将尽可能部署一个共同的中心点布局。如果我们在原理图中只选择左侧器件，我们可以看到它是跨接在一起的，并且第二个器件具有相反的对角线，这意味着这些器件的平均位置完全相同。平均位置在中心。换句话说，它们具有共同的重心或共同的质心。再进一步，从布线方面考虑，我们希望布线平衡，因此Animate使用了跨四边形模式。交叉四边形本质上是一种常见的质心，但是通过具有交叉四边形，Animate也有机会平衡布线，我们接下来会看到。

我们可以对这种自动生成的差分对布局感到相当满意，但有几个方面可以改进。比方说，我们对Animate实现的水平匹配感到满意。但是在垂直方向上，我们可以看到器件并不匹配。此器件的的北侧紧挨着保护环。南侧也在护环旁边，但有一个缺口。这些还不是垂直匹配的。这个插件允许我们修改这种匹配。我们可能希望通过几种不同的方式来对差分对执行此操作。第一个选择是在器件的上方和下方添加额外的虚拟行。与传统的布局编辑器不同，Animate的编辑器不仅允许我们控制布局的结构，而且它还会自动为我们处理所有的DRC规则。

现在我们有了之前的水平匹配和每个器件的垂直匹配。Animate包含用于减小这些虚拟器件宽度的选项（如果该操作适用于您的PDK）。表示我想要与活动器件相同的手指计数。

现在来看看布线。我们将使用详细视图，以便我们可以看到 Animate 考虑的布线。对于差分对的布线，我们有两个目标。首先，我们希望器件活动区域上方或周围的任何金属都是相同的。其次，我们希望平衡差分对左侧和右侧的寄生体是相同的。

我们不太在意这些寄生体是什么，但我们确实希望它们是平衡的。让我们先看看每一步的金属层是否相同。这是差分对的多边形，通过层层循环，我们可以看到金属层1，金属层2，和金属层3对于这个器件是完全一样的。

在金属层4上，我们第一次看到有任何布线越过设备的顶部，但在我们有布线越过设备的顶部的地方，金属对每个有源设备都是完全一样的。Animate已经实现了差分对的第一个目标。使每个单元的金属在每个金属层中都是完全相同的。

下一个要求是平衡布线。因此，我们希望左边和右边的两个输入平衡，我们希望漏极的内部布线平衡。我们希望这些的寄生效应是相同的，要做到这一点，最简单的方法是左右两边都有相同的几何结构。

现在让我们看看门的连接。它们在第二层和第三层金属层上。我们不能完全匹配相同的层，因为我们会得到一个短路，但我们可以看到Animate在这里做了什么。通过依次选择每个门，我们可以看到布线是在不同的层上，但几何形状是相同的，宽度和长度相同，因此这两个网是尽可能平衡的。

好了，我们已经平衡了差分对内的寄生效应。但寄生平衡不应仅包含在差分对中。我们还应该平衡差分对所连接的东西。最常见的拓扑结构是将差分对连接到一个电流镜上。

电流镜有它自己的匹配要求。我们正试图使电流镜的两个支路与基准相匹配。在这种情况下，二极管被放置在中间，两个支路被斜着放在二极管的外侧，这样电流镜本身就能实现共同的中心点布局。此外，Animate正在考虑电流镜和差分对之间的相互作用。我们可以看到，该工具已经安排了差分对和电流镜，以便它们有一个共同的对称线。它们的排列方式也使这两个结构之间的路由尽可能地直接。在这个电路中，M10连接到M20，M11连接到M19，所以我们在这里可以看到，底层的电流镜与顶层的差分对一致，因此路由将尽可能的直接。

显然，您需要的特定模式取决于当前镜像与差分对相关联的位置。孤立地提出完美的差分对布局是没有意义的，因为它确实取决于它的放置位置。

以下是差分对及其当前镜像位置的高级视图。从差分对和电流镜看寄生体，如果我们选择第一条支路，我们可以在右手边的电流镜和差分对之间的布线，如果我们选择另一条支路，我们可以看到它已经得到了相同的对称，平衡的形状。寄生效应不仅在差分对结构内平衡，而且在差分对和电流镜之间保持平衡。这意味着整个结构是平衡的。

好吧，到目前为止，我们刚刚查看了差分对和电流镜，但是您可能会问，如果其他器件有额外的布线，我们难道不应该平衡这些器件的寄生体，以便整个结构是平衡的吗？

实现该要求的常用方法是生成具有垂直对称线的蝴蝶样式布局。然后，我们将有一个与右侧完全相同的左侧。为了实现这一点，一种常见的技术是半单元格，您将一半的器件放入左侧的一个电路中，然后复制，粘贴和翻转以生成右侧。在Animate 中，可以直接实现这一点，而无需生成半单元格。我们可以通过转到样式选项卡并选择镜像的基本模拟样式来执行此操作。

对于这种布局样式，Animate 需要一些附加信息，它需要知道哪些器件应该在镜像对称的左侧，哪些器件应该在镜像对称的右侧。但是，与Animate 的其他约束一样，您无需手动输入该信息。Animate将尝试自动生成该数据，然后在原理图上以红色和绿色显示这些数据。

这里有各种指标：红色泪滴表示器件将放置在镜像对称的左侧，绿色泪滴表示器件将放置在右侧。这些泪滴连接在一起，表明它们是对称的伙伴。我们还有两个半圆。这意味着我们有一个M因子器件，我们想把M因子的一半放在左边，一半放在右边。您可以在电阻器顶部看到相同的符号，尽管M因子为1。Animate实际上会为我们把电阻分成两部分，这样两半就可以对称地放置。您会注意到，匹配结构有自己的颜色，因为匹配具有自己的内部对称要求。Animate现在已经以这种新样式生成了许多新布局。如果我们在原理图中选择差分对，你可以看到差分对被放置在垂直对称线的中间，然后其他器件从该中心区域辐射开来，以便左侧的每个寄生物都与块右侧的寄生效应保持平衡。Animate已自动实现蝴蝶样式的布局。

总结

为了获得最佳差分对性能：

两个 MOSFET 的通道尺寸必须相同。

考虑到LDE，应匹配放置位置。

每个 MOSFET 单元的金属层应相同。

布线应在差分对内保持平衡 （R&C）。

电流镜像和差分对之间的布线也应保持平衡。

整个块的平衡可以通过蝴蝶布局来实现。

将差分对放置在垂直对称线上。

原作者：EETOP编译整理