1位全加器的电路和版图设计.docx
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1位全加器的电路和版图设计
1位全加器的电路和版图设计
集成电路设计基础
论文题目:
CMOS全加器设计
学院:
信息科学与工程学院
专业:
集成电路工程
姓名:
耿烨亮
学号:
1311082135
CMOS全加器设计
摘要:
现代社会随着电路的集成度越来越高,功耗和信号延迟成为超大规模集成电路的关键。
加法运算是数字系统中最基本的运算,为了更好地利用加法器实现减法、乘法、除法等运算,需要对全加器进行功能仿真设计和分析。
另外通过全加器可以对其它相关电路有所了解。
因此只有深刻理解了全加器的性能才能进一步减小功耗和信号延迟[1]。
本文用对一位全加器进行了全面的分析。
并且通过使用Cadence公司的工具IC5141与Hspice来实现全定制的整个设计流程。
关键词:
全加器;全定制;Cadence
Abstract:
Asthecircuit’sintegrationisincreasinginthemodernsociety,Powerconsumptionandsignaldelayiscrucialtothedesignofhigh-performanceverylargescaleintegrationcircuits.Additionoperationisthebasicoperationofthedigitalsystem,Inordertoachievemuchbetteruseoftheaddersubtraction,multiplication,divisionandother
1:
引言
集成电路设计方法大致可分为定制(Custom)、半定制(Semi-custom)、可编程逻辑器件(PLD)等设计方法,如图1.1所示。
定制设计方法又可分为全定制(Full-Custom)设计和基于包(Cell-Based)的设计方法二类。
全定制(fullcustom)集成电路设计方法,是按规定的功能与性能要求,对电路的结构布局与布线进行最优化设计,实现最小面积,最佳布线布局、最优功耗速度积,以求获得尽可能最优的设计。
全定制(fullcustom)集成电路设计方法通常用于高性能的设计场合:
规模较小性能要求较高的中小规模专用集成电路;大批量高性能集成电路。
图1.1ASIC设计方法分类
全定制的设计流程:
1)电路图绘制2)前仿真3)绘制版图4)版图验证5)版图后仿真。
摩尔定律芯片上的晶体管数量每18到24个月翻一番。
半导体技术有效性每18个月将会增大一倍。
[1]
IC设计必须要有工艺库的支持,本文的设计例子五级反相器使用NCSU的TSMC0.18工艺库,启动命令是icfb&.库的逻辑组织元素如下:
库(Library);单元(Cell)(库的设计单元):
视图(View)(单元的一种视图形式)如本文中反相器单元(INV)的电路图(Schematic),符号(Symbol),版图(Layout)。
本文以全加器为例使用Cadence公司的工具IC5141与HSPICE来实现全定制的整个设计流程。
2:
设计步骤
2.1建库
打开Cadence软件后,点击“File->New->Library”,出现“CreateLibrary”窗口,输入库名,选取工艺TSMC0.18u,点OK,如图2.1。
图2.1新建库设置
2.2、新建Schematic视图
“LibraryManager”窗口中的“Library”栏里有刚才新建的库文件夹cmos-adder。
选中它,并点击File->New->Cellview,在“CreateNewFile”小窗口里输入单元名adder,点OK,如图2.2。
图2.2新建Schematic视图
然后出现电路图绘制界面,开始绘制全加器的电路图:
在电路编辑窗口中添加元件。
添加器件pmos管和nmos管。
将pmos管的宽W设为nmos管的宽W的2~3倍,因此这里将pmos管的宽W设为540nM。
放置电源vdd和地gnd。
放置了元件和电源后,如图2.3。
图2.3添加了CMOS管、电源vdd和地gnd
添加端口Pin
三个输入端A、B、Ci和两个输出端S、Co,如图2.4所示。
图2.4添加Pin后
连线
注意,不要将三条线交于一个焊接点上,这样会在check时产生一个warming的。
最后,可点击
(CheckandSave),检查无误且保存,可退出该界面。
电路图如图2.5。
图2.51bit加法器的电路图
2.3、新建Symbol视图
Symbol是对电路的抽象,对外仅有端口属性,如何新建Symbol视图可参照本章前面的实验。
画一个矩形,
添加端口,点击“Add->Pin”,并连线,
添加标签(Label),点击“Add->Label”。
完成的Symbol图如图2.6所示。
图2.6完成的Symbol图
2.4前仿真
为了证实刚才的电路图能实现1位全加器的功能,可以做一个前仿真。
然后在前仿真通过的前提下再画版图,这样画出来的版图的正确性会更高。
(1)新建一个测试平台
在“LibraryManager”窗口中点击“File->New->Cellview”,在弹出的“CreateNewFile”小窗口里的CellName栏中输入“adder-tb”,在Tool栏里选择“Composer-Schematic”如图2.7所示。
然后点OK!
进入电路图编辑窗口。
图2.7新建测试平台adder-tb
(2)调用之前adder的symbol
在出现的电路图编辑窗口里调用与非门。
点“Add->Instance”或在键盘上按快捷键“I”,把adder调用出来。
如图2.8所示。
图2.8调用全加器
(3)在测试平台上放置测试端口
点“Add->Pin”或着按快捷键“P”。
添加输入测试端口A、B和Ci,输出测试端口S、Ci,还有“VDD!
”和“GND!
”。
注意这里VDD!
和GND!
的端口类型选input,因为可以在后面添加激励时将它们分别输入为0和某一高电平的直流,以此来模拟出VDD!
和GND!
。
(4)然后设置仿真环境
点“Tools->AnalogEnvironment”后,将出现仿真环境设置窗口,如图2.9所示。
图2.9仿真设置窗口
添加激励
设置好各个激励后,点OK即可。
设置后仿观察的时间
点“Analyses->Choose…”,出现一个小窗口,进去进行观察时间的设置,点OK即可。
图2.10设置后仿观察时间
选择观察波形的端口
点“Output…->ToBePlotted->SelectOnSchematic”,然后在电路图上点击要观察的端口:
输入A、B、Ci和输出S、Co。
如图2.11.
图2.11设置完的环境变量窗口
观察前仿波形图:
点击“Simulation->Run”或者点绿灯按钮,即可运行仿真,运行成功会自动弹出后仿波形图。
图2.12前仿波形图
3:
设计版图
3.1图设计工具:
VirtuosoLayoutEditor。
根据电路图画版图,先画pmos部分的版图,再画nmos管部分的版图,然后根据电路图中的连接情况如反相器、传输门,将这些pmos和与之相对应的nmos连接起来,添加vdd!
和gnd!
结点标签和输入/输出端口pin,最后通过DRC验证。
如图3.1
图3.1DRC通过的版图
之后我们提取extract后运行LVS,点击“Verify->extract”,提取视图后,在“LibraryManager”窗口view栏里将会出现新生成的“extracted”文件,之后点击“Verify->LVS”,点击Run!
可以看到下图。
图3.2LVS运行报表
3.2后仿真
将前面进行的前仿真平台打开,然后点击“绿灯”开始运行,出现后仿波形,后仿波形图如图3.3所示。
图3.3后仿波形图
4:
结束语
IC5141与HSPICE软件使IC的设计更加方便、快捷。
通过全加器电路图与版图的绘制与仿真,全加器的性能更容易被了解。
另外绘制电路图过程中,为使信号的延时变小,一般PMOS宽长比是NMOS的2-3倍。
绘制版图过程中每次添加完元件后都DRC验证一次,可以减少出错的概率。
本论文只是对全加器的基本工作原理和性质做了分析。
在本学期的集成电路课中,IC设计是本门课的重点,通过这段时间的学习,我掌握了电路图绘制及前仿和版图绘制及后,学到了很多有用知识,受益匪浅。
参考文献
[1]W.DallyandJ.Polton,DigitalSystemsEngineering,CambridgeUniversityPress,1998.
[2]P.D.FisherandR.Nesbitt,“TheTestofTime:
Clock-CycleEstimationandTestChallengesforFutureMicroprocessors,”IEEECircuitandDevicesMagazine,14
(2),pp.37-44,1998.
[3]N.HedenstiernaandK.Jeppon,“CMOSCircuitSpeedandBufferOptimization,”IEEETransactionsonCAD,vol.CAD-6,no.2,pp.270-281,March1987.
[4]C.MeadandL.Conway,IntroductiontoVLSISystems,Addison–Wesley,1980.
[5]A.SedraandK.Smith,MicroElectronicCircuit,Holt,RinehartandWinston,1987.
[6]R.SwansonandJ.Meindl,“Ion-ImplantedComplementaryCMOStransistorsinLow-VoltageCircuits,”IEEEJournalofSolid-StateCircuits,vol.SC-7,no.2,pp.146-152,April1972.
[7]D.SylvesterandK.Keutzer,“GettingtotheBottomofDeepSubmicron,”ProceedingsICCADConference,pp.203,SanJose,November1998.
[8]H.Veedrick,“Short-CircuitDissipationofStaticCMOSCircuitryanditsImpactontheDesignofBufferCircuits,”IEEEJournalofSolid-StateCircuits,vol.SC-19,no.4.pp.468-473,1984.
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- 全加器 电路 版图 设计