集成电路设计实验报告.docx
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集成电路设计实验报告.docx
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集成电路设计实验报告
集成电路设计
实验报告
时间:
2011年12月
实验一原理图设计
一、实验目的
1.学会使用Unix操作系统
2.学会使用CADENCE的SCHEMATICCOMPOSOR软件
二:
实验内容
使用schematic软件,设计出D触发器,设置好参数。
二、实验步骤
1、在桌面上点击Xstart图标
2、在Username:
一栏中填入用户名,在Host:
中填入IP地址,在Password:
一栏中填入用户密码,在protocol:
中选择telnet类型
3、点击菜单上的Run!
,即可进入该用户unix界面
4、系统中用户名为“test9”,密码为test123456
5、在命令行中(提示符后,如:
test22>)键入以下命令
icfb&↙(回车键),其中&表示后台工作,调出Cadence软件。
出现的主窗口所示:
6、建立库(library):
窗口分Library和TechnologyFile两部分。
Library部分有Name和Directory两项,分别输入要建立的Library的名称和路径。
如果只建立进行SPICE模拟的线路图,Technology部分选择Don’tneedatechfile选项。
如果在库中要创立掩模版或其它的物理数据(即要建立除了schematic外的一些view),则须选择Compileanewtechfile(建立新的techfile)或Attachtoanexistingtechfile(使用原有的techfile)。
7、建立单元文件(cell):
在LibraryName中选择存放新文件的库,在CellName中输入名称,然后在Tool选项中选择Composer-Schematic工具(进行SPICE模拟),在ViewName中就会自动填上相应的ViewName—schematic。
当然在Tool工具中还有很多别的工具,常用的像Composer-symbol、virtuoso-layout等,分别建立的是symbol、layout的视图(view)。
在Librarypathfile中,是系统自建的librarypathfile文件的路径及名称(保存相关库的名称及路径)。
8、选择主窗口的File→Open→Openfile,打开相应的文件,即进入了Composer-SchematicEditing窗口,如图1-3-1所示。
窗口左边的按钮分别(从上到下)为CheckandSave(检查并存盘)、Save(存盘)、Zoomoutby2(放大两倍)、Zoominby2(缩小两倍)、Stretch(延伸)、Copy(拷贝)、Delete(删除)、Undo(取消)、Property(属性)、Component(加元件)、Wire(Narrow)(画细线)、Wire(Wide)(画粗线)、Pin(管脚)、Cmdoptions、Repeat(重复),这些分别可以在菜单中找到相应的菜单项。
9、选择Add/Component菜单,打开相应添加元件的窗口,如图1-3-8所示。
点击Browse,会弹出librarymanager窗口,一些常用的元器件都在Analoglib库中。
ViewName一般选择symbol,instanceNames不用自己填,系统会自己加上去。
添加完元件后需设定元件的模型名称(如果必须的话)以及一些参数的值,特别是mos管和三极管,一定要填modelname,
10、安装D触发器原理,画出原理图。
11、各元件参数设置如下:
截图
四、实验结果
截图
五、实验心得
实验二电路仿真
一、实验目的
1、熟悉Cadence的specters软件
2、学会电路仿真并掌握各种分析方法的含义。
二、实验设备
装有CADENCE软件的Sunblade2500工作站;装有Xstart的PC。
准备工作:
在终端terminal中输入:
cp–r/export/home/zhanggp/st03.st03
Cp–r/export/home/zhanggp/05MIXDTSSA01V11/s05mixdssa01v11.scs
打开cds.lib中输入DEFINEst02/home/testxx/st03/st02
三、specters软件使用
3.1选项的设置(重点)
在实验一画好原理图的基础上,在Composer-schematic界面中的Tools→AnalogArtist项打开
有
图2-1AnalogArtistSimulation窗口
AnalogArtistSimulation窗口,如图2-1所示。
这是模拟时用到的主要工具,接下去主要介绍一下关的内容。
3.1.1Session菜单
包括SchematicWindow、SaveState、LoadState、Options、Reset、Quit等菜单项。
Schematicwindow项回到电路图;SaveState项打开相应的窗口,保存当前所设定的模拟所用到的各种图2-2SaveState窗口
参数。
如图2-2所示。
窗口中的两项分别为状态名和选择需保存的内容。
LoadState打开相应的窗口,加载已经保存的状态。
Reset重置analogartist。
相当于重新打开一个模拟窗口。
3.1.2Setup菜单
包括Design、Simulator/directory/host、Temperature、ModelPath等菜单项:
Design项选择所要模拟的线路图。
Simulator/directory/host项选择模拟使用的模型,系统提供的选项有cdsSpice、hspiceS、spectreS等等。
我们一般用到的是cdsSpice和spectreS。
其中采用spectreS进行的模拟更加精确。
下面我们只以这两种工具为例说明。
Temperature打开如图2-3的窗口,可以设置模拟时的温度。
图2-3温度设置窗口
ModelPath打开如图2-4的窗口,设置元件模型的路径。
系统会自动在所设定的路径下寻找器件modelname对应的model模型。
图2-4模型路径设置窗口
3.1.3.Analyses菜单
选择模拟类型。
在cdsSpice下有ac、dc、tran、noise四个选项,分别对应的是交流分析、直流分析、瞬态分析和噪声分析。
我们知道:
交流分析是分析电流(电压)和频率之间的关系,因此在参数范围选择时是选择频率。
直流分析是分析电流(电压)和电流(电压)间的关系。
Tran分析是分析参量值随时间变化的曲线。
他们分别的窗口如下图所示。
图2-5瞬态分析设置图2-6交流分析设置
图2-7直流分析设置
而在spectreS中,可供选择的分析类型有很多,常用的还是ac、dc、tran和noise,不过它们设置与cdsSpice不同。
Tran的设置只需填入模拟停止时间即可。
ac和dc分析的设置则更具特点:
spectreS提供了变量扫描功能(和参量扫描有些类似),其中可供选择的变量(parameter)有frequency(ac分析)、temperature、componentparameter和modelparameter。
在ac分析扫描频率(常规分析)时,只需填入起始频率和终止频率即可。
而在扫描其他参数时,必须将整个电路固定在一个工作频率(atfrequency)上,然后进行其它选择。
要进行componentparameter扫描时,先点击selectcomponent,然后在电路图上选择所需扫描的器件,这时会弹出一个列有可供扫描参量名称的菜单,在其上选择即可。
进行modelparameter扫描时只需填入modelname和parametername即可。
当然,以上扫描都免不了要填写扫描范围,就不多说了。
如图2-8,2-9所示。
图2-8spectreS中的交流分析设置
图2-9spectreS中的交流分析参数
3.1.4Variables菜单
包括Edit等子菜单项。
Edit项打开如图2-10的窗口。
可以对变量进行添加、删除、查找、复制等操作。
变量(variables)既可以是电路中元器件的某一个参量,也可以是一个表达式。
变量将在参量扫描(parametricanalysis)时用到,以下会提到。
图2-10变量编辑窗口
3.1.5其它有关的菜单项
1)Tools/ParametricAnalysis子菜单可以打开如图2-11的窗口。
它提供了一种很重要
的分析方法—参量分析的方法,也即参量扫描。
可以对温度,用户自定义的变量(variables)
图2-11参量分析窗口
进行扫描,从而找出最合适的值。
以下详细说明:
在模拟中,如果对某一元件的参数大小不确定,不知值取多大可以得到最优的结果时,可以将该参数设为变量,进行变量扫描,比较输出结果,从而确定参数的值。
另外,对系统变量也可以进行扫描,如温度变量(temp)。
设置步骤
a.在EditVariables窗口中添加新的变量,如是对系统变量(如温度)扫描,就略去这一步;
b.在ParametricAnalysis窗口(如图1-4-5所示)中,填入变量名称(温度变量是temp),设定扫描范围以及步长等。
也可以点击setup,在picknameforvariables的弹出菜单中选择所需扫描的参量(除系统参量外,菜单中所列举的都是variables中设置的变量)。
其实这个工作和我们前面提到的spectreS中的变量扫描很像,不过它更加完备(因为可以对一个表达式进行扫描),所以读者应当将两种方法都掌握。
然后运行Analysis菜单下的start子菜单,开始模拟,模拟结果会在Waveform窗口中显示。
2)Outputs/Tobeplotted/selectedonschematic子菜单用来在电路原理图上选取要显示的波形(点击连线选取节点电压,点击元件端点选取节点电流),这个菜单比较常用。
当然我们需要输出的有时不仅仅是电流、电压,还有一些更高级的。
比如说:
带宽、增益等需要计算的值,这时我们可以在Outputs/setup中设定其名称和表达式。
在运行模拟之后,这些输出将会很直观的显示出来。
举个例子:
标识3db的点,我们用到的表达式如下:
bandwidth(VF(“/Out”),3,“low”)。
需要注意的是:
表达式一般都是通过计算器(calculator)输入的。
Cadence自带的计算器功能强大,除了输入一些普通表达式以外,还自带有一些特殊表达式,如bandwidth、average等等。
本文在最后会对计算器作介绍。
3.1.6窗口按钮介绍
1)ChooseDesign:
选择模拟的电路;
2)ChooseAnalyses(选择模拟的类型):
瞬态模拟、直流模拟或交流模拟;
3)EditVariables(变量编辑):
打开变量编辑窗口;
4)SetupOutputs:
输出设置;
5)Delete:
删除变量等;
6)RunSimulation:
开始模拟;
7)StopSimulation:
停止模拟;
8)PlotOutputs:
波形输出。
3.2模拟结果的显示以及处理
在模拟有了结果之后,如果设定的output有plot属性的话,系统会自动调出waveform窗口,并显示outputs的波形。
如图1-5-1所示。
图2-12波形显示窗口
其左边的一列按钮分别为:
Delete(删除):
删除图中的某个波形;
Move(移动):
移动某个波形的位置,可以把几个波形叠加在一个坐标轴下;点击该按钮,然后点击需要移动的波形,再在目的地点击左键,即可完成移动操作;
Undo(取消):
取消前一次操作;
CrosshairMarkerA、CrosshairMarkerB:
十字标志A和B;
Calculator(计算器):
计算器工具(可以对输出波形进行特定的处理);
SwitchAxisMode(坐标轴模式切换):
同一坐标显示所有波形或分别在各自的坐标下显示;
AddSubwindow:
添加子窗口。
3.3一个例子—D触发器
电路图的输入
这是一个带R清零端(低电平有效)的D触发器,由20个MOS管组成,其中NMOS管和PMOS管各为10个,组成四个传输门、两个反门和两个与非门。
具体的电路如图2-13所示。
图2-13D触发器电路图
D触发器真值表
时钟(clk)
D
Q
0
X
Q
1
0
0
1
1
1
其中的一些参数设置如下:
传输门的PMOS:
W——30μ,L——3μ;model:
hj3p(在models目录下)
NMOS:
W——15μ,L——3μ;model:
hj3n;
与非门的PMOS:
W——30μ,L——3μ;
NMOS:
W——30μ,L——3μ;
非门的PMOS:
W——30μ,L——3μ;
NMOS:
W——15μ,L——3μ;
电源直流电压:
5.7V;
R端的信号源®:
cellname—vpwl;
Numberofpairsofpoints——3(信号源波形上有三个转折点);
Time1——0s;
Voltage1——0V;
Time2——100μs;
Voltage2——0V;
Time3——105μs;
Voltage3——5V;
Delaytime——500ns;
时钟信号(clk):
时钟信号的反(clkbar):
cellname—vpulse;cellname—vpulse;
Voltage1——0V;Voltage1——5V;
Voltage2——5V;Voltage2——0V;
Delaytime——5μs;Delaytime——5μs;
Risetime——5μs;Risetime——5μs;
Pulsetime——100μs;Pulsetime——100μs;
Periodtime——200μs;Periodtime——200μs;
D端输入(D):
cellname—vpulse;
Voltage1——0V;
Voltage2——5V;
Delaytime——5μs;
Risetime——5μs;
Pulsetime——100μs;
Periodtime——200μs;
瞬态分析设置如下:
From:
0to:
1msby:
1μs
得到的波形如图2-14所示:
图2-14cdsSPICE模拟结果1
可以看到模拟的结果符合D触发器的逻辑。
但是有一个问题出现了,注意到我们所设的时间是从0→1ms,但是输出的模拟结果到600μs左右就截止了,这是和模拟的工具有关。
为了得到较好的模拟结果,可以换一种工具—spectreS来完成模拟。
在AnalogArtistSimulation窗口中选Setup下的Simulator/directory/host子菜单,出现如图2-15的设置窗口。
在Simulator项中选择spectreS工具。
然后在ChoosingAnalyses图2-15选择模拟工具窗口
弹出的设置窗口中设定stoptime为1ms,模拟的结果如图2-16所示,将得到一个很好的结果。
图2-16spedtreS模拟结果
四、实验内容:
按照上述步骤进行D触发器的仿真。
五、实验报告要求
写出SPICE仿真的种类及步骤。
分析结果并附图。
实验三版图设计
一、实验目的
1、熟悉Cadence的virtuoso软件
2、学会绘制CMOS基本元器件设计。
3、了解工艺文件,各个层次的含义。
二、实验设备
装有CADENCE软件的Sunblade2500工作站;装有Xstart的PC。
三、virtuoso软件使用
3.2加工艺库
使用librarymanager。
首先,建立一个新的库myLib,关于建立库的步骤,在前文介绍cdsSpice时已经说得很清楚了,就不再赘述。
与前面有些不同的地方是:
由于我们要建立的是一个版图文件,因此我们在technologyfile选项中必须选择compileanewtechfile,或是attachtoanexistingtechfile。
这里我们选择后者。
弹出对话框如图3-1。
在图中你要选择std06u_layout作为TechnologyLibrary。
图3-1加工艺库图
然后建立其layoutview,其步骤为:
在tool中选择virtuoso-layout,然后点击ok。
3.3绘制inverter掩膜版图的一些准备工作
首先,在librarymanager中打开inv这个cell的layoutview。
即打开了virtuosoediting窗
图3-2virtuosoediting窗口
口,如图3-2所示。
版图视窗打开后,掩模版图窗口显现。
视窗由三部分组成:
Iconmenu,menubanner,statusbanner.
Iconmenu(图标菜单)缺省时位于版图图框的左边,列出了一些最常用的命令的图标,要查看图标所代表的指令,只需要将鼠标滑动到想要查看的图标上,图标下方即会显示出相应的指令。
menubanner(菜单栏),包含了编辑版图所需要的各项指令,并按相应的类别分组。
几个常用的指令及相应的快捷键列举如下:
ZoomIn-------放大(z)
Zoomoutby2-------缩小2倍(Z)
Save-------保存编辑(f2)
Delete-------删除编辑(Del)
Undo-------取消编辑(u)
Redo-------恢复编辑(U)
Move-------移动(m)
Stretch-------伸缩(s)
Rectangle-------编辑矩形图形®
Polygon-------编辑多边形图形(P)
Path-------编辑布线路径(p)
Copy-------复制编辑©
statusbanner(状态显示栏),位于menubanner的上方,显示的是坐标、当前编辑指令等状态信息。
在版图视窗外的左侧还有一个层选择窗口(LayerandSelectionWindowLSW)。
LSW视图的功能:
1)可选择所编辑图形所在的层;
2)可选择哪些层可供编辑;
3)可选择哪些层可以看到。
由于我们所需的部分版图层次在初始LSW中并不存在,因此下一步要做的是:
建立我们自己的工艺库所需的版图层次及其显示属性。
为了简单起见,以下仅列出绘制我们这个版图所需的最少版图层次。
层次名称
说明
Nwell
N阱
Active
有源区
Pselect
P型注入掩膜
Nselect
N型注入掩膜
Contact
引线孔,连接金属与多晶硅/有源区
Metal1
第一层金属,用于水平布线,如电源和地
Via
通孔,连接metal1和metal2
Metal2
第二层金属,用于垂直布线,如信号源的I/O口
Text
标签
Poly
多晶硅,做mos的栅
下图是修改后的LSW。
图3-3LSW
如何来修改LSW中的层次呢?
以下就是步骤:
1.切换至CIW窗口,在technologyfile的下拉菜单中选择最后一项editlayers出现如图窗口
图3-4editlayers
2.在technologylibrary中选择库mylib,先使用delete功能去除不需要的层次。
然后点击add添加必需的层次,add打开如下图的窗口:
图3-5层属性编辑
其中,layername中填入所需添加的层的名称。
Abbv是层次名称缩写。
Number是系统给层次的内部编号,系统保留128-256的数字作为其默认层次的编号而将1-127留给开发者创造新层次。
Purpose是所添加层次的功用,如果是绘图层次,一般选择drawing。
Priority是层次在LSW中的排序位置。
其余的选项一般保持默认值。
在右边是图层的显示属性。
可以直接套用其中某些层次的显示属性。
也可以点击editresources自己编辑显示属性。
如图3-6所示(这个窗口还可以在LSW中调出)编辑方法很简单,读者可以自己推敲,就不再赘述。
上述工作完毕后就得到我们所需的层次。
接着我们就可以开始绘制版图了。
3.4绘制版图
3.4.1画pmos的版图(新建一个名为pmos的cell)
1.画出有源区
在LSW中,点击active(dg),注意这时LSW顶部显示active字样,说明active层为当前所选层次。
然后点击iconmenu中的rectangleicon,在vituosoediting窗口中画一个宽为3.6u,长为6u的矩形。
这里我们为了定标,必须得用到标尺。
点击misc/ruler即可得到。
清除标尺点击misc/clearruler。
如果你在绘制时出错,点击需要去除的部分,然后点击deleteicon。
2.画栅
在LSW中,点击poly(dg),画矩形。
与有源区的位置关系如图3-7所示:
图3-7栅的版图
图3-6displayresourceeditor
3.画整个pmos
为了表明我们画的是pmos管,我们必须在刚才图形的基础上添加一个pselect层,这一层将覆盖整个有源区0.6u。
接着,我们还要在整个管子外围画上nwell,它覆盖有源区1.8u。
如图3-9所示:
图3-9N-WELL的画法
4.衬底连接
pmos的衬底(nwell)必须连接到vdd。
首先,画一个1.2u乘1.2u的active矩形;然后在这个矩形的边上包围一层nselect层(覆盖active0.6u)。
最后将nwell的矩形拉长,完成后如图所示:
图3-10衬底的layout
二.布线
pmos管必须连接到输入信号源和电源上,因此我们必须在原图基础上布金属线。
1.首先我们要完成有源区(源区和漏区)的连接。
在源区和漏区上用contact(dg)层分别画三个矩形,尺寸为0.6乘0.6。
注意:
contact间距为1.5u。
2.用metal1(dg)层画两个矩形,他们分别覆盖源区和漏区上的contact,覆盖长度为0.3u。
3.为完成衬底连接,我们必须在衬底的有源区中间添加一个contact。
这个contact每边都被active覆盖0.3u。
4.画用于电源的金属连线,宽度为3u。
将其放置在pmos版图的最上方。
布线完毕后的版图如图3-11所示:
图3-11pmos版图
通过以上步骤我们完成了pmos的版图绘制。
接下来我们将绘制出nmos的版图。
3.4.2画nmos的版图
绘制nmos管的步骤同pmos管基本相同(新建一个名为nmos的cell)。
无非是某些参数变化一下。
nmos管的图形及一些参数如图3-12所示,具体绘制步骤就不再赘述。
图3-12nmos版图
3.4.3完成整个非门的绘制及绘制输入、输出
5.新建一个cell(inv)。
将上面完成的两
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