混合信號芯片設計中的溫度分析
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如今，集成電路的設計趨勢正朝著(zhù)在同一塊芯片內集成越來(lái)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(chē)電子、智能電源芯片和無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品等許多應用中，模擬電路和數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雜數字電路在這樣的混合信號設計中進(jìn)行集成，會(huì )導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(wèn)題。
芯片架構設計師、電路設計師和布線(xiàn)設計師正面臨著(zhù)越來(lái)越大的壓力，因為他們必須準確掌握其設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(huì )帶來(lái)怎樣的影響。本文描述了一種直接集成到設計流程中的詳細三維溫度分析，介紹了這種溫度分析如何幫助芯片設計師和架構師更好地掌握芯片內的溫度梯度，以及溫度梯度影響芯片性能的情況。
對溫度梯度的現有理解
估計IC芯片結溫的一般方法是利用精簡(jiǎn)封裝模型，其中包括給定封裝的最大結溫、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(jiǎn)封裝模型中可能會(huì )有幾個(gè)熱阻，但這類(lèi)模型的應用都涉及到圖1中所示的一個(gè)線(xiàn)性方程。
圖1 精簡(jiǎn)模型下的結溫
功率源的分布狀態(tài)會(huì )導致結溫變化，但精簡(jiǎn)封裝模型無(wú)法捕獲這種變化所造成的影響。通過(guò)使用單一的總功率數字，產(chǎn)生的結溫被假定為單個(gè)（通常是最壞情況）數字。事實(shí)上，功率源是分散的，當考慮它們的綜合影響時(shí)，會(huì )出現以下兩個(gè)重要問(wèn)題：
(a)結溫變化，這導致電路單元之間產(chǎn)生溫度梯度
(b)最大結溫會(huì )超出精簡(jiǎn)模型計算得到的數字
圖2(a)給出的是，在為實(shí)現芯片的某個(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，裸片的通道區域內的溫度分布。溫度分布的不同顏色顯示，通道內存在幾個(gè)溫度值。溫度的總平均值和基于精簡(jiǎn)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(xiàn)性的，而精簡(jiǎn)模型認為是線(xiàn)性。結的最大溫度可能會(huì )高很多，如圖2(a)所示。
不經(jīng)過(guò)熱分析，設計師不可能在項目早期就知道真正的結溫，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）。
應該更好地理解溫度梯度對芯片的影響
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。而混合信號設計越來(lái)越需要在內部功率密度不均勻的芯片上進(jìn)行高速、低電壓和高復雜性的設計，這會(huì )極大增加芯片的溫度梯度。因此設計師需要考慮溫度梯度對整塊芯片造成的影響。
模擬設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失效，這類(lèi)電路的布線(xiàn)必須嚴格遵守電路的對稱(chēng)特性，這就使了解溫度分布情況變得更加重要。由熱引起的設計問(wèn)題包括差分放大器的輸入偏移、高分辨率轉換器的誤差、調節電路的參考電壓漂移和運放的直流增益損耗。
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。仔細研究帶隙參考電路的特點(diǎn)就能看出對整塊芯片進(jìn)行熱分析作用何在。這種參考源是穩定的直流源，它和工藝參數、軌線(xiàn)電壓以及規定溫度的改變無(wú)關(guān)。帶隙參考電路是IC設計中應用最廣泛的電路之一，在DRAM和 flash存儲器、模擬器件中都有應用。
帶隙產(chǎn)生的電壓應與溫度無(wú)關(guān)，這個(gè)電壓是通過(guò)這樣的方式產(chǎn)生的：在一個(gè)隨溫度上升而下降的電壓(稱(chēng)作相反于絕對溫度，簡(jiǎn)稱(chēng)CTAT)上加一個(gè)隨帶隙電路元件的溫度上升而升高的電壓(稱(chēng)作正比于絕對溫度，簡(jiǎn)稱(chēng)PTAT)。CTAT電壓是通過(guò)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(gè)雙極性晶體管的基極－發(fā)射極電壓差產(chǎn)生。這兩個(gè)雙極性晶體管雖然流過(guò)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(gè)基本假設是PTAT電路中的器件所在區域是一個(gè)等溫區。但考慮到整個(gè)芯片上復雜的溫度變化，這個(gè)假設往往不成立。
例如，由于基極－發(fā)射極電壓與溫度的關(guān)系是非線(xiàn)性的，因此當兩個(gè)PTAT晶體管之間存在溫度梯度時(shí)，帶隙電路就無(wú)法正確工作。但如果能在設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(guò)將帶隙電路沿等溫線(xiàn)布置來(lái)防止其出錯。下文介紹的溫度感知(temperature-aware)功能一個(gè)目的就是在模擬電路的設計過(guò)程中提供這類(lèi)信息，以防止帶隙電路出錯。
當帶隙電路中晶體管之間的溫度差不到幾攝氏度時(shí)，溫度傳感器這類(lèi)電路就不能正常工作，而在一些汽車(chē)應用中，裸片上的溫度梯度可能超過(guò)70到80
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