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是非常有效的方式。