cmos反相器的电路设计及版图设计.docx
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cmos反相器的电路设计及版图设计
课程设计任务书
学生姓名:
专业班级:
电子1001班
指导教师:
工作单位:
信息工程学院
题目:
cmos反相器的电路设计及版图设计
初始条件:
CadenceORCAD和L-EDIT软件
要求完成的主要任务:
1、课程设计工作量:
2周
2、技术要求:
(1)学习ORCAD和L-EDIT软件。
(2)设计一个cmos反相器电路。
(3)利用ORCAD和L-EDIT软件对该电路进行系统设计、电路设计和版图设计,并进行相应的设计、模拟和仿真工作。
3、查阅至少5篇参考文献。
按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。
全文用A4纸打印,图纸应符合绘图规范。
时间安排:
2013.11.22布置课程设计任务、选题;讲解课程设计具体实施计划与课程设计报告格式的要求;课程设计答疑事项。
2013.11.25-11.27学习ORCAD和L-EDIT软件,查阅相关资料,复习所设计内容的基本理论知识。
2013.11.28-12.5对CMOS反相器电路进行设计仿真工作,完成课设报告的撰写。
2013.12.6提交课程设计报告,进行答辩。
指导教师签名:
年月日
系主任(或责任教师)签名:
年月日
目录
摘要3
绪论5
1软件介绍及电路原理6
1.1软件介绍6
1.2电路原理6
2原理图绘制8
3电路仿真10
3.1瞬态仿真10
3.2直流仿真11
4版图设计及验证12
4.1绘制反相器版图的前期设置12
4.2绘制反相器版图13
4.3DRC验证15
结束语17
参考文献18
摘要
CMOS技术自身的巨大发展潜力是IC高速持续发展的基础。
集成电路制造水平发展到深亚微米工艺阶段,CMOS的低功耗、高速度和高集成度得到了充分的体现。
本文将简单的介绍基于ORCAD和L-EDIT的CMOS反相器的电路仿真和版图设计,通过CMOS反相器的电路设计及版图设计过程,我们将了解并熟悉集成电路CAD的一种基本方法和操作过程。
关键词:
CMOS反相器ORCADL-EDIT版图设计
Abstract
ThehugedevelopmentpotentialofCMOStechnologyitselfisthefoundationofsustainabledevelopmentofIChighspeed.Themanufacturinglevelofdevelopmentoftheintegratedcircuittothedeepsubmicrontechnology,CMOSlowpowerconsumption,highspeedandhighintegrationhavebeenfullyreflected.Inthispaper,thecircuitsimulationandlayoutdesignofORCADandL-EDITCMOSinverterbasedonsimpleintroduction,throughthecircuitdesignandlayoutdesignprocessofCMOSinverter,wewillunderstandandabasicmethodandoperationprocess,familiarwithICCAD.
Keywords:
CMOSinverterlayoutORCADL-EDIT
绪论
20世纪是IC迅速发展的时代。
计算机等信息产业的飞速发展推动了集成电路(Integrated Circuit—IC)产业。
大多数超大规模集成电路(Very Large Scale IC—VLSI)在日常生活中有着广泛的应用。
集成电路的应用已深入到科学,工业农业,生活的每一个角落。
集成电路的发展迅速,与科学的进步和社会的驱动密不可分。
现在集成电路芯片的尺寸越来越小,时钟速度越来越快,电源电压越来越低,布线层数越来越多。
所以手工来完成这些工作已经不可能。
就必须利用一款和几款软件,由多数人共同完成。
。
而本文介绍的CMOS反相器就是集成电路中一种最基本的电路结构,我们将使用ORCAD软件画出电路的原理图,并完成功能仿真,使用L-EDIT软件画出电路的版图并完成电气性能验证。
门电路是构成各种复杂数字电路的基本逻辑单元,掌握各种门电路的逻辑功能和电气特性,对于正确使用数字集成电路是十分必要的。
MOS门电路:
以MOS管作为开关元件构成的门电路。
MOS门电路,尤其是CMOS门电路具有制造工艺简单、集成度高、抗干扰能力强、功耗低、价格便宜等优点,得到了十分迅速的发展。
所谓CMOS (Complementary MOS),是在集成电路设计中,同时采用两种MOS器件:
NMOS和PMOS,并通常配对出现的一种电路结构。
CMOS电路及其技术已成为当今集成电路,尤其是大规模电路、超大规模集成电路的主流技术。
反相器是数字电路中的一种基本功能模块。
将两个串行反相器的输出作为一位寄存器的输入就构成了锁存器。
锁存器、数据选择器、译码器和状态机等精密数字符件都需要使用基本反相器。
本文就将详细讲述CMOS反相器的原理图设计功能仿真及版图设计验证。
1.软件介绍及电路原理
1.1软件介绍
ORCADCapture(以下以Capture代称)是一款基于Windows操作环境下的电路设计工具。
利用Capture软件,能够实现绘制电路原理图以及为制作PCB和可编程的逻辑设计提供连续性的仿真信息。
OrCADCapture作为行业标准的PCB原理图输入方式,是当今世界最流行的原理图输入工具之一,具有简单直观的用户设计界面。
OrCADCaptureCIS具有功能强大的元件信息系统,可以在线和集中管理元件数据库,从而大幅提升电路设计的效率。
OrCADCapture提供了完整的、可调整的原理图设计方法,能够有效应用于PCB的设计创建、管理和重用。
将原理图设计技术和PCB布局布线技术相结合,OrCAD能够帮助设计师从一开始就抓住设计意图。
不管是用于设计模拟电路、复杂的PCB、FPGA和CPLD、PCB改版的原理图修改,还是用于设计层次模块,OrCADCapture都能为设计师提供快速的设计输入工具。
此外,OrCADCapture原理图输入技术让设计师可以随时输入、修改和检验PCB设计。
CadenceOrCADCapture是一款多功能的PCB原理图输入工具。
Tanner集成电路设计软件是由TannerResearch公司开发的基于Windows平台的用于集成电路设计的工具软件。
该软件功能十分强大,易学易用,包括S-Edit,T-Spice,W-Edit,L-Edit与LVS,从电路设计、分析模拟到电路布局一应俱全。
其中的L-Edit版图编辑器在国内应用广泛,具有很高知名度。
L-EditPro是TannerEDA软件公司所出品的一个IC设计和验证的高性能软件系统模块,具有高效率,交互式等特点,强大而且完善的功能包括从IC设计到输出,以及最后的加工服务,完全可以媲美百万美元级的IC设计软件。
L-EditPro包含IC设计编辑器(LayoutEditor)、自动布线系统(StandardCellPlace&Route)、线上设计规则检查器(DRC)、组件特性提取器(DeviceExtractor)、设计布局与电路netlist的比较器(LVS)、CMOSLibrary、MarcoLibrary,这些模块组成了一个完整的IC设计与验证解决方案。
L-EditPro丰富完善的功能为每个IC设计者和生产商提供了快速、易用、精确的设计系统。
1.2设计原理
CMOS结构的主要优点是电路的静态功耗非常小,电路结构简单规则,使得它可以用于大规模集成电路、超大规模集成电路。
为了能在同一硅材料(Wafer)上制作两种不同类型的MOS器件,必须构造两种不同类型的衬底。
在P型硅衬底上专门制作一块N型区域(n阱),作为PMOS的衬底。
为防止源/漏区与衬底出现正偏置,通常P型衬底应接电路中最低的电位,N型衬底应接电路中最高的电位。
为保证电位接触的良好,在接触点采用重掺杂结构。
CMOS反相器是由一个n管和一个p管组成的,p管源极接vdd,n管源极接gnd,若输入IN为低电平,则p管导通,n管截止,输出OUT为高电平D。
若输入IN为高电平,则n管导通,p管截止,输出OUT为低电平。
从而该电路实现了非的逻辑运算,构成了CMOS反相器。
当Ui=UIH = VDD,VTN导通,VTP截止,Uo =Uol≈0V
当Ui= UIL=0V时,VTN截止,VTP导通,UO = UOH≈VDD
还有就是CMOS电路的优点:
(1)微功耗。
CMOS电路静态电流很小,约为纳安数量级。
(2)抗干扰能力很强。
输入噪声容限可达到VDD/2。
(3)电源电压范围宽。
多数CMOS电路可在3~18V的电源电压范围内正常工作。
(4)输入阻抗高。
(5)负载能力强。
CMOS电路可以带50个同类门以上。
(6)逻辑摆幅大(低电平0V,高电平VDD )
2.原理图绘制
(1)浏览组件库:
S-Edit本身附有4个组件库,它们分别是
在..\Tanner\S-Edit\library目录的scmos.sdb,spice.sdb,pages.sdb与element.sdb。
若要引入这些组件库中的模块,可以选择Module---SymbolBrowser命令,打开SymbolBrowser对话框,单击AddLibrary按钮,可加入要使用的组件库,本范例中加入了scmos,spice,pages与element组件库在Library列表中。
(2)从组件库引用模块:
编辑反相器电路会利用到NMOS,PMOS,Vdd与Gnd这4个模块,所以要从组件库中复制NMOS,PMOS,Vdd与Gnd这4个模块到文件,并在Module0中编辑画面引用。
(3)编辑反相器:
按住Alt键拖动鼠标,可移动各对象。
注意,MOSFET_N与MOSFET_P选项分别有4个节点,Vdd与Gnd选项分别有一个节点。
将4个对象摆放到恰当位置用导线连接,若在两对象相连接处,各节点上小圆圈消失即代表连接成功。
(4)加入联机:
将4个对象排列好后再利用左边的联机按钮,完成各端点的信号连接,注意控制鼠标键可将联机转向,按鼠标右键可终止联机。
(5)加入输入端口与输出端口:
利用S-Edit提供的输入端口按钮与输出端口按钮,标明此反相器的输入输出信号的位置与名称。
再选择输出端口按钮,到工作区用鼠标左键选择要连的端点,若输入端口或输出端口未与所要连接的端点相接,则可利用移动功能将IN输入端口移至反相器输入端,将OUT输出端口接至反相器输出端。
(6)加入工作电源:
选取直流电压源Source_v_dc作为此电路的工作电压源七、直流电压源Source_v_dc符号有正(+)端与负
(一)端。
Source_v_dc符号的正(+)端接Vdd,将直流电压源Source_v_dc符号的负(--)端接Gnd,两个全域符号Vdd及两个Gnd符号分开放置,所得电路图如下:
3电路仿真
3.1电路瞬态仿真
点击RUNPSPICE按钮,出现仿真界面如图。
添加一个波形显示窗口
添加纵坐标即可显示仿真波形
仿真结果如图
3.2直流仿真
直流仿真过程与前面类似
仿真结果如图
4版图设计及验证
4.1绘制反相器版图的前期设置
打开L-Edit程序,并将新文件另存以合适的文件名存储在一定的文件夹下:
在自己的计算机上一定的位置处打开L-Edit程序,此时L-Edit自动将工作文件命名为Layout1.sdb并显示在窗口的标题栏上。
而在本例中则在L-Edit文件夹中建立“inv”文件夹,并将新文件以文件名“inv”存与此文件夹中。
如图所示。
选择File->ReplaceSetup命令,在弹出的对话框中单击浏览按钮,按照路径..\Samples\SPR\example1\lights.tdb找到“lights.tdb”文件,单击OK即可。
此时可将lights.tdb文件的设定选择性的应用到目前编辑的文件中。
L-Edit编辑方式是以组件(Cell)为单位而不是以文件为单位,一个文件中可以包含多个组件,而每一个组件则表示一种说明或者一种电路版图。
每次打开一个新文件时便自动打开一个组件并命名为“Cell0”;也可以重命名组件名。
方法是选择Cell->Rename命令,在弹出的对话框中的Renamecellas文本框中输入符合实际电路的名称,如本设计中采用组件名“inv”即可,之后单击OK按钮。
如图所示。
绘制布局图必须要有确实的大小,因此要绘图前先要确认或设定坐标与实际长度的关系。
选择Setup->Design命令,打开SetDesign对话框,在Technology选项卡中出现使用技术的名称、单位与设定。
本设计中的技术单位是Lambda。
而Lambda单位与内部单位InternalUnit的关系可在TechnologySetup选项组中设定。
此次设计设定1个Lambda为1000个InternalUnit,也设定1个Lambda等于1个Micron。
接着选择Grid选项卡,其中包括使用格点显示设定、鼠标停格设定与坐标单位设定。
此次设计设定1个显示的格点等于1个坐标单元,设定当格点距离小于8个像素时不显示;设定鼠标光标显示为Smooth类型,设定鼠标锁定的格点为0.5个坐标单位;设定1个坐标单位为1000个内部单位。
4.2绘制反相器
4.2.1编辑PMOS
按照NWell层、PSelect层、Active层、Ploy层、Mental1层、Activecontact层的流程编辑PMOS组件[7]。
其中,NWell层宽为24个格点、高为15个格点,PSelect层宽为18个格点、高为10个格点,Active层宽为14个格点、高为5个格点,Ploy层宽为2个格点、高为20个格点,Mental1层宽为4个格点、高为4个格点,Activecontact层宽为2个格点、高为2个格点。
在设计各个图层时,一定要配合设计规则检查(DRC),参照设计规则反复修改对象。
这样才可以高效的设计出符合规则的版图。
PMOS组件的编辑结果如图所示。
PMOS组件结果图
4.2.2编辑NMOS
按照NSelect层、Active层、Ploy层、Mental1层、Activecontact层的流程编辑NMOS组件[8]。
其中,NSelect层宽为18个格点、高为9个格点,Active层宽为14个格点、高为5个格点,Ploy层宽为2个格点、高为9个格点,Mental1层宽为4个格点、高为4个格点,Activecontact层宽为2个格点、高为2个格点。
NMOS组件的编辑结果如图所示。
NMOS组件结果图
4.2.3其他部分
由于L-EDIT软件默认是使用P型衬底,所以要在P管加上N阱做衬底。
两个管子栅极相连打孔并外接出去连接输入端in,源漏相连外接至out。
我的最终的版图文件如图
4.3DRC验证
点击tools-DRC即可开始DRC验证。
验证结果如图
通过DRC验证。
结束语
课程设计是为了对课本知识的巩固和加强,由于课本上学到了很多都是理论知识的,不能很好的理解和运用,所以在这次课程设计过程中,对整个数字芯片全定制设计流程有了一个总体的认识。
同时也熟练掌握了ORCAD和L-EDIT软件操作。
通过这次课程设计,加强了我们动手、思考和解决问题的能力。
同时,培养了团队合作精神,在这次的课设中遇到了比如在加信号时,关于时间的问题,还有版图设计涉及到VDD和GND的设计,在老师的指导下,和同学间的相互讨论,最后都得到了解决。
参考文献
权海洋主编。
《超大规模集成电路设计与实践》,西安电子科技大学出版社,2003年出版。
高德远主编。
《超大规模集成电路-系统和电路的设计原理》,高等教育出版社,2003年出版。
高保嘉主编。
《MOSVLSI分析与设计》,电子工业出版社,2002年出版。
Martin,K.主编:
《DigitalIntegratedCircuitDesign》,电子工业出版社,2002年出版。
朱正涌编著.《半导体集成电路》,清华大学出版社,2001年出版.
杨之廉等编著.《超大规模集成电路设计方法学导论》(第2版),清华大学出版社,2002年出版。
《集成电路软件》课程设计成绩评定表
姓名
蒋建峰
性别
男
专业、班级
电子1001
题目:
cmos反相器的电路设计及版图设计
答辩或质疑记录:
成绩评定依据:
最终评定成绩(以优、良、中、及格、不及格评定)
指导教师签字:
年月日
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- cmos 反相器 电路设计 版图 设计
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