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实验指导书
实验指导书
课程名称:
集成电路原理
电子科技大学教务处制表
实验一CMOS模拟集成电路设计与仿真
一、实验目的与意义
随着IT产业的迅猛发展,微电子集成电路在通讯、计算机及其他消费类电子产品中的重要地位日益突出,而IC的生产和设计技术水平是决定IC芯片性能的两大要素。
目前,IC设计主要沿正向和逆向设计两条技术路线继续发展,该实验为正向设计中的必须环节,使学生能基本掌握IC正向设计与电路仿真的流程。
本实验是基于微电子技术应用背景和《集成电路原理与设计》课程设置及其特点而设置,为IC设计性实验。
其目的在于:
根据实验任务要求,综合运用课程所学知识自主完成相应的模拟集成电路设计,掌握基本的IC设计技巧。
学习并掌握国际流行的EDA仿真软件Cadence的使用方法,并进行电路的模拟仿真。
通过该实验,使学生掌握CMOS模拟IC设计的流程,加深对课程知识的感性认识,增强学生的设计与综合分析能力,掌握自主进行模拟集成电路设计与仿真的基本方法,进而为今后从事科研、开发工作打下良好基础。
二、实验原理
2.1IC设计与制造的主要流程
2.2基于Cadence平台的电路设计与仿真
2.2.1Cadence环境的调入
1、在UNIX操作系统的Terminal窗口下
→cduser/userxxx/Project
→icms&或icfb&
2、出现CIW(commandInterpreterwindow)命令解释画面
3、点选在CIW窗口的上面工具列Tools→LibraryManager,
会出现LM窗口LM(LibraryManager)
2.2.2建立新的Library
1.点选LM窗口上面的工具列File→New→Library
2.
会产生NewLibrary画面
3.出现右图画面
1.在name填上Library名称
2.点选下面的OK
4.出现LoadTechnologyFile窗口,添加工艺文件
1.选择Attachtoanexistingtechfile
2.点选上面的OK
在弹出的对话框中,TechnologyLibrary选择为umc18。
2.2.3建立CellView
1、建立Schematicview:
先点选要LM窗口预定的library,再点选LM窗口的File→New→Cellview,按OK之后,即可建立SchematicView
2、若SchematicView已存在,在LM窗口用鼠标左键点选Library的OpAmp→再点选cell的opa→再连续点选view的schematic两次,或是用右键open,即可开启schematic窗口。
3、点选Schematic窗口上面的指令集Add→Instance,出现AddInstance窗口
再点选AddInstance窗口的Browser,选择analoglib中常用的组件
常用组件
analoglib
PMOS
pmos4
NMOS
nmos4
电容
cap
正电压
Vdc
正弦电压
Vsin
直流电源
Idc
接地
Gnd
选完所需的组件之后,利用narrowwire将之线路接起来.完整的电路拓扑结构。
点选nmos再选properties(按q键),标明modelname,width,length,同理forpmos,Modelname是以width,length来决定用那一个model,可由models目录下的README中得知,比如
L=1umW=1umfornmos和pmos经查阅可用(ng,pg)等等.
最后DesignCheckandSave,若有error则schematicview上有闪动,此时可选CheckFindMarker来看error的原因.
2.2.4由Schematic产生symbol
1.打开Schematicview
2.点选Schematic窗口上面指令集的Design→Createcellview→Fromcellview
按OK
按OK
3.点选[@partName]按q键出现properties的对话盒把[@partName],依电路的特性改成所要的name比如opa等.
4.可用ADDshape内的各种形状来修饰这symbol的外观.
5.完成之后,Check--CrossViewcheck,然后Designsave
6.按照以上步骤来产生的symbol必须注意的若更改schematic的input,outputlabel,且必须更改其symbol的input,outputlabel,不然会发生闪动的error
2.2.5仿真环境AffirmaAnalogCircuitdesignEnvironment的调用
1、主菜单中点击AffirmaAnalogCircuitdesignEnvironment,出现如下界面
2、加载model文件。
在主菜单中点选SetupModelLibraries…,在ModelLibrarySetup对话框中,找到相应的lib文件,选择Add,再选择OK。
加载完毕后如下图所示。
3、DC分析设置
1、设置需扫描的元件,如Vdd电压源
2、设定扫描范围,0-3.3V
3、选定Enable
仿真环境窗口显示设置情况:
在主菜单中,选择SimulationNetlistandRun,进行仿真。
4、瞬态分析Trans参数设置
类似于DC分析,设置瞬态分析的起止时间Starttime&Stoptime、分析步长Step等。
设置后的窗口状态如下图所示。
5、交流分析(AC)
设置交流分析的起止频率Start-Stop等。
设置后的窗口状态如下图所示。
完成仿真后,如下图操作方式,再选择输出端,按Esc,查看仿真结果。
2.3参数调试与优化设计
对照设计指标要求,根据仿真结果的情况,对工作点设定、偏置电流、器件宽长比及负载大小等进行调试,以达到预定的性能指标。
三、实验内容与实验步骤
1、UNIX操作系统常用命令的使用,CadenceEDA仿真环境的调用。
2、设计一个运算放大器电路,要求其增益大于40dB,相位裕度大于60º,功耗小于10mW。
3、根据设计指标要求,选取、确定适合的电路结构,并进行计算分析。
4、电路的仿真与分析,重点进行直流工作点、交流AC分析、瞬态Trans分析、建立时间小信号特性和压摆率大信号分析,能熟练掌握各种分析的参数设置方法。
5、电路性能的优化与器件参数调试,要求达到预定的技术指标。
6、整理仿真数据与曲线图表,撰写并提交实验报告。
四、实验仪器与器材
(1)工作站或微机终端一台
(2)局域网
(3)EDA仿真软件1套
五、实验报告
1、电路设计思路与分析。
2、仿真流程与心得体会。
3、分析调试过程中出现的问题与解决方案。
4、总结,按实验报告格式完成报告。
5、实验方式是一人一机,所以实验报告必须是自己的工作,如是小组合作完成,需标明本人在其中承担的工作。
实验学时:
4学时
实验二模拟集成电路版图设计与验证
一、实验目的与意义
随着IT产业的迅猛发展,微电子集成电路在通讯、计算机及其他消费类电子产品中的重要地位日益突出,而IC的生产和设计技术水平是决定IC芯片性能的两大要素。
该实验是正向设计中电路仿真完成之后、工艺制版之前的必须环节,与其他实验相结合,可以使学生对当前国际主流的IC设计技术流程有较完整的认识。
本实验是基于微电子技术应用背景和《集成电路原理与设计》课程设置及其特点而设置,为IC设计性实验。
其目的在于:
根据实验任务要求,综合运用课程所学知识自主完成相应的模拟集成电路版图设计,掌握基本的IC版图布局布线技巧。
学习并掌握国际流行的EDA仿真软件Cadence的使用方法,并进行版图的的设计与验证。
通过该实验,使学生掌握CMOS模拟IC版图设计的流程,加深对课程知识的感性认识,增强学生的设计与综合分析能力,掌握自主进行模拟集成电路版图设计与验证的基本方法,进而为今后从事科研、开发工作打下良好基础。
二、实验原理
2.1IC设计与制造的主要流程
2.2基于Cadence平台的电路设计与仿真
2.2.1Cadence环境的调入
1、在UNIX操作系统的Terminal窗口下
→setenvDISPLAY100.100.21:
0(注意:
100.100.100.21是本机的IP地址,不同的计算机,IP地址不同,应该根据实际的IP地址来设置。
)
→cduser/userxxx
→mkdiruser/userxxx/Project
→cduser/userxxx/Project
→icfb&或者layoutPlus&
2、出现CIW(commandInterpreterwindow)命令解释画面
3、点选在CIW窗口的上面工具列Tools→LibraryManager,
会出现LM窗口LM(LibraryManager)
2.2.2建立新的Library
5.点选LM窗口上面的工具列File→New→Library
6.
会产生NewLibrary画面
7.出现右图画面
3.在name填上Library名称
4.点选下面的OK
8.出现LoadTechnologyFile窗口,添加工艺文件
3.选择Compileanewtechfile或Attachtoanexitingtechfile
4.点选上面的OK
1.键入user/Process/UMC18/techfile
2.点选OK
3.即建立以technologyfile的new
library“hw1”
2.2.3版图设计LayoutViewDesign
1、在LM窗口用鼠标左键点选Library的hw1→再点选cell的test→双击view的layout两次,或是用右键open,即可开启layout窗口
2、调入版图编辑器LayoutEditorLSW(Layoutselectionwindow)
因为前面的工艺文件已设置,所以版图层选择窗口LSW应该是看到以上的画面。
如果不是的话,则有可能是createlibrary时technologyfile没有设置对,需要重新配置。
3、Layout的基本操作
(1)设定窗口的点距(Grid),点选Layout窗口上面的指令选项Option→Display
(2)设定是否有Gravity的功能,点选Layout窗口的指令列Options→LayoutEditor,依照个人使用习惯与需要来选择是否GravityOn.。
一般对于初学者不要设定GravityOn(重力效果)。
GravityOn:
当鼠标指针靠近对象时即被吸到该对象的边缘
(3)用ruler把长度量好,用右键点选LSW中所要用的layer,再点选常用功能栏中的rectangular或polygon来画。
(4)如果边长要纠正的话,可使用stretch来达成,或者是用reshape功能。
(5)若要取消指令重选新指令,最好先按Esc键。
(6)Layout时要注意layers之间的距离(参考designrule)。
(7)一段时间后应点选Layout上面的指令Design→Save做储存动作,以免意外掉电、误操作等导致已做的工作丢失。
(8)用本层来定义当前层所对应的端点名称,每当打上label时,记得要点选该label,然后按q,改变该label的layer成当前所用层。
4、NMOS和PMOS晶体管的Layout版图示意
NMOSlayoutview
Thinoxide
contact
Metal1
PMOSlayoutview
2.3版图验证
1、设计规则DRC检查与验证
当版图绘制完成后,需要调用版图设计规则检查DRC来验证是否违反设计规则。
(1)点选Layout窗口上面的指令Verify→DRC
(2)出现DRC窗口
若无法读取divaDRC.rul,
●1.取消选取RulesLibrary,
2.给全路径.user/user1/models/umc18/SPECTRE/divaDRC.rul
●或直接将divaDRC.rulcopy到所使用的mulilibrary中(ex:
hw1)hw1)
(3)按OK之后,会开始跑DRC,若有错误,CIW对话框会显示错误并且在Layout窗口也会有光标marker闪烁。
出现3个错误,都与接触孔CONT有关
(4)可以点选Layout窗口上面的指令Verify→Makers→Explain,然后选择Layout窗口中闪动线条,即可知所犯的错误
(5)若要消除在Layout窗口闪烁的marker,点选Layout窗口上面的指令Verify→Markers→deleteall,出现下面窗口,再点选OK即可。
2、根据与DRC验证类似的步骤进行版图的电气规则ERC检查。
注意:
如整个版图由多个分图合成,则合并版图后,即使单个的分图均通过DRC/ERC验证,也必须再次进行DRC/ERC检查,往往拼接过程中会引入新的错误。
3、设计规则LVS检查与验证
(1)点选Layout窗口上面的指令Verify→Extractor
(2)出现Extractor窗口
在RutesFiles对话框
输入:
/user/user1/models/umc18/SPECTRE/divaEXT.rul
点击OK即可
(3)完成Extractor提取后,点选Layout窗口上面的指令Verify→LVS
(4)出现LVS窗口
1.如图设置Library,Cell,View各项
2.在RuleFile对话框中输入路径:
/user/user1/models/umc18/SPECTRE/divaLVS.rul
3.点击“Run”即可运行
(5)当弹出如下文本框,点击“OK”
LVS运行成功,点击“OK”
(6)点击“LVS”文本框中的“Output”,弹出si.out文件,即可根据文件查看LVS错误,进行Debug,直至si.out文件,不再有错误出现。
三、实验内容与实验步骤
2、UNIX操作系统常用命令的使用,CadenceEDA仿真环境的调用。
2、根据设计指标要求,自主完成版图设计,并掌握布局布线的基本技巧。
3、对所绘制的版图进行DRC、ERC检查验证。
4、整理版图生成文件,总结、撰写并提交实验报告。
四、实验仪器与器材
(1)工作站或微机终端一台
(2)局域网
(3)EDA仿真软件1套
五、实验报告
6、版图设计流程与心得体会。
7、分析设计验证过程中出现的问题与解决方案。
8、总结,按实验报告格式完成报告。
9、实验方式是一人一机,所以实验报告必须是自己的工作,如是小组合作完成,需标明本人在其中承担的工作。
实验学时:
4学时
实验三集成电路版图识别与提取
一、实验目的与意义
随着IT产业的迅猛发展,微电子集成电路在通讯、计算机及其他消费类电子产品中的重要地位日益突出,而IC的生产和设计技术水平是决定IC芯片性能的两大要素。
目前,IC设计主要沿正向和逆向设计两条技术路线继续发展,其中逆向设计在通用类IC和某些低端产品的研发方面尚有十分重要的意义。
版图提取与识别是微电子IC逆向设计的关键技术,一方面可借鉴并消化吸收先进、富有创意的版图设计思路、结构,建立自己的版图库;另一方面通过分析、优化已有版图可将原有芯片的性能加以改进提高。
本实验正是基于如上的技术应用背景和《集成电路原理与设计》课程设置及其特点而设置,目的在于:
(1)了解对塑封、陶瓷封装等不同封装形式的芯片解剖的方法及注意事项。
(2)学习并掌握集成电路版图的图形识别、电路拓扑结构提取。
(4)能对提取得到的电路进行功能分析、确定,并可运用PSPICE等EDA工具展开模拟仿真。
通过该实验,使学生了解IC内部结构及其主要工艺特点,加深感性认识,增强学生的实验与综合分析能力,掌握学习、跟踪先进电路设计与制造技术的基本方法,进而为今后从事科研、开发工作打下良好基础。
二、实验原理
本实验重点放在版图识别、电路拓扑提取、电路功能分析三大模块,实验流程如下:
三、实验内容
3、MoticSMZ体视显微镜使用与操作练习。
2、在芯片上找出划线槽、分布在芯片边缘的压焊点、对位标记和CDBar(特征尺寸线条)并测出有关的图形尺寸和间距。
仔细观察芯片图形总体的布局布线,找出电源线、地线、输入端、输出端及其对应的压焊点。
3、判定此IC采用P阱还是N阱工艺;进行版图中元器件的辨认,要求分出MOS管、多晶硅电阻和MOS电容。
4、根据以上的判别依据,提取芯片上图形所表示的电路连接拓扑结构;复查,加以修正;应用PSPICE等电路模拟器进行仿真验证。
四、实验步骤
1、MoticSMZ体视显微镜使用与操作练习,重点放在视野定位、焦距调整和连续变倍等功能掌握。
2、对于未切割封装的裸圆片,先在低倍数放大状态下观察整体概貌;然后调高倍数,观察其中一块芯片(Chip),分清周围的划线槽和分布在芯片边缘的压焊点。
3、调节显微镜,在芯片内查找出对位标记和CDBar(特征尺寸线条),绘下图形的形状,测出有关的图形尺寸和间距。
由此,可确定此IC电路采用工艺的最小线宽和工艺容差。
4、仔细观察芯片图形的布局布线,找出电源线和地线(一般线条宽度较宽,并有多条支路与之相接)及其压焊点;再找出输入端或输出端,对于MOS电路,输入端一般都加二极管保护电路,可先查到有二极管保护电路的部分,分析与其相接的连线情况,确定输入端;输出端离输入端较远,应是从MOS管漏/源极引出,不会与MOS管栅极相接,由此初步确定为输出端,再根据附近的器件和布线情况加以确认。
5、根据在衬底和阱中的器件与电源线、地线的连接情况,判定此IC采用P阱还是N阱工艺:
如果阱及其保护环与电源相接,而衬底与地或负电源(双电源时)相接,则为N阱工艺;如相反,则为P阱工艺。
(注意分辨某些电路可能有阱电位浮空的情况出现)
6、确定了采用的工艺之后,进行版图中元器件的辨认。
首先分清铝线和多晶硅连线,电路中压焊点、电源线、地线以及较长的布线都是铝线;其他与铝线交叉“过桥”和作栅电极的为多晶硅。
多晶硅两侧是有源区,并有铝线引出的为MOS管;一段多晶硅下面无其他图形,两端用铝线分别引出的多晶硅或是为了解决与铝线交叉“过桥”,或是多晶硅电阻;如有大片的多晶硅覆盖扩散区,则为MOS电容。
7、根据以上的判别依据,提取出芯片上图形所表示的电路连接拓扑结构,并测出各自的尺寸,确定MOS管的W/L,如能进行芯片的纵向解剖,测出层厚、结深等参数,还可算出R、C的值。
8、先根据所学的电路原理检查所提取的电路是否有明显的连接错误,或违背基本原理的地方,复查,加以修正。
应用PSPICE等电路模拟器进行模拟仿真。
五、实验仪器与器材
(1)可连续变倍体视显微镜一台
(2)探针台*一台
(3)晶体管特性图示仪*一台
(4)模拟双踪示波器*一台
(5)镊子、干燥器皿(含干燥剂)
(6)常见通用数字/模拟IC样品一块
(7)微机34台
(8)版图编辑软件一套
(9)打印机一台
*如要作电路特性及相关参数测试,以配合对提取所得电路进行验证,则应配备此项设备。
六、实验报告
1、显微镜的操作方法与技巧总结。
2、绘出芯片的对位标记和CD条的图形。
3、对芯片版图中电阻、电容、MOS管等元器件进行识别,并说明判别依据;并电路提取。
总结提取过程中应注意的问题。
4、掌握LEDIT版图编辑器的使用和基本技巧,明确各版次含义,和相关的设计规则。
实验学时:
4学时
实验四集成运算放大器参数的测试
一、实验目的与意义
运算放大器是一种直接耦合的高增益放大器,在外接不同反馈网络后,就组成不同的运算功能。
运算放大器除了可对输入信号进行加、减、乘、除、微分、等数学运算外,还在自动控制、测量技术、仪器仪表等各个领域得到广泛应用。
为了更好地使用运算放大器,必须对它的各种参数有一个较为全面的了解。
运算放大器结构十分复杂,参数很多,测试方法各异,需要分别进行测量。
本实验正是基于如上的技术应用背景和《集成电路原理与设计》课程设置及其特点而设置,目的在于:
(1)了解集成电路测试的常用仪器仪表使用方法及注意事项。
(2)学习集成运算放大器主要参数的测试原理,掌握这些主要参数的测试方法。
通过该实验,使学生了解运算放大器测试结构和方法,加深感性认识,增强学生的实验与综合分析能力,进而为今后从事科研、开发工作打下良好基础。
二、实验原理
运算放大器符号如图1所示,有两个输入端。
一个是反相输入端用“-”表示,另一个是同相输入端用“+”表示。
可以是单端输入,也可是双端输入。
若把输入信号接在“-”输入端,而“+”端接地,或通过电阻接地,则输出信号与输入信号反相,反之则同相。
若两个输入端同时输入信号电压为V-和V+时,其差动输入信号为VID=V--V+。
开环输出电压V0=AVOVID。
AVO为开环电压放大倍数。
运算放大器在实际使用中,为了改善电路的性能,在输入端和输出端之间总是接有不同的反馈网络。
通常是接在输出端和反相输入端之间。
图1运算放大器符号
1、开环电压增益
开环电压增益是指放大器在无反馈时的差模电压增益,其值为输出端电压变化量V0和输入电压变化量
(1)
由于AV0很大,输入信号VI很小,加之输入电压与输出电压之间有相位差,从而引人了较大的测试误差,实际测试中难以实现。
测试开环电压增益时,都采用交流开环,直流闭环的方法。
测试原理如图2所示。
图2开环直流电压增益测试原理图
直流通过RF实现全反馈,放大器的直流增益很小,故输入直流电平十分稳定,不需进行零点调节。
取CF足够大,以满足RF>>l/CF,使放大器的反相端交流接地,以保证交流开环的目的。
这样只要测得交流信号电压vS和vo,就能得到
(2)
在讯号频率固定的条件下,增加输入信号电压幅度,使输出端获得最大无失真的波形。
保持输入电压不变,增加输入电压频率,当输出电压的幅值降低到低频率值的0.707倍,此时频率为开环带宽。
2、输入偏置电流IIB
当运算放大器的输出电压为零(或规定值)时流入两个输入端偏置电流的平均值,为输入偏置电流IIB。
设两偏置电流为IIB1与IIB2,则
(3)
用图3测试,若vS=0,k3断开,当k1闭合,k2断开,
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