CMOS三态门集成电路课程设计

1集成电路课程设计前言集成电路在当今社会中发挥着越来越重要的作用。也越来越成为衡量一个国家高科技技术水平的重要指标。作为一门重要的课程，集成电路课程设计是电子科学与技术专业要求的实践课程，主要目的是使学生熟悉集成电路制造技术、半导体器件原理和集成电路分析与设计基础。提高学生综合运用已掌握的知识，利用相关软件，进行集成电路芯片的能力。集成电路设计主要包括以下几个方面。系统设计电路设计及模拟版图设计版图验证等正向设计方法。1. 设计需求分析1.1设计内容及其性能指标要求器件名称：CMOS三态门器件要求电路性能指标：（1） 输出高电平时，|I OH|20A，V OH，min =5V；（2） 输出底电平时，|I OL|4mA，V OL，man =0V；（3） 输出级充放电时间t r=tf ，t pd25ns；（4） 工作电源5V，常温工作，工作频率f work=100HZ，最大功耗P max150mW。1.2设计指标1. 独立完成设计三态门芯片的全过程；2. 设计时使用的工艺及设计规则： MOSIS:mhp_n12；3. 根据所用的工艺，选取合理的模型库；4. 选用以lambda()为单位的设计规则；5. 全手工、层次化设计版图；6. 达到设计要各项指标要求。22. 设计实现2.1 三态门芯片简介所谓三态门（TG）就是一种传输模拟信号的模拟开关。CMOS三态门门由一个P 沟 道和一个N沟道增强型MOSFET并联而成，如下图所示。它的管脚图如图1所示，其逻辑真值表如表1所示：三态门原理图图1 三态门芯片管脚图表1 三态门真值表EN A Y1 0 01 1 10 Z Z30 Z Z从图1可以看出三态门芯片是一个反相器与一组互补的增强型场效应管组成，而反相器也可以由一组互补的增强型场效应管构成。因此，本电路的重点是增强型场效应管的使用。从真值表我们可以看出EN为使能端。当其为1时，输出等于输入，当其为0时，输出为高阻态。2.2 电路工作原理TP和TN 是结构 对称的器件， 它们的漏极和源极是可互 换的。设它们的开启电压|VT|=2V且输入模拟信号的变化范围为-5V到+5V 。为 使衬底与漏源 极之间的PN结任何时刻都不致正偏，故TP 的衬底接+5V电压，而TN的衬底接-5V电压。两管的栅极由互 补的信号电压（+5V和-5V）来控制，分别用C和 !C表示。传输门的工作情况如下：当C端接低电压-5V时TN的栅压 即为-5V，vI取-5V到+5V 范围内 的任意值时 ，TN均不导通。同时 、TP 的栅压为+5V，TP亦不导通。可见 ，当C端接低 电压时，开关是断开的。 为使开关接通，可将C端接高电压+5V。此时TN的栅压为+5V ，vI在-5V到+3V 的范 围内，TN导 通。同时TP的棚压为-5V，vI 在-3V到+5V 的范 围内TP将导通。由上分析可知，当vI+3V时，仅有TP导通当vI 在-3V到+3V 的范 围内，TN和 TP两管均导通。进一步分析还可看到，一管导通4的程度愈深，另一管的导通程度则相应地减小。换句话说，当一管的导通电阻减小，则另一管的导通电阻就增加。由于两管系并联运行，可近似地认为开关的导通电阻近似为一常数。这是CMOS传输出门的优点。在正常工作时，模拟开关的导通电阻值约为数百欧，当它与输入阻抗为兆欧级的运放串接时，可以忽略不计。2.3 电路设计本次设计采用的是m12_20的模型库参数进行各级电路的尺寸计算，其参数如下：NMOS: ox=3.98.8510 12 F/m n=605.31210 4 /Vstox=3951010 m Vtn=0.81056VPMOS: ox=3.98.8510 12 F/m p=21910 4 /Vstox=3951010 m Vtp=0.971428V2.2.1 反相器电路设计根据要求反相器电路等效电路图如图3所示，输入Vi为前一级的输出，可认为是理想的输出，即V IL=Vss, VIH=VDD。图3 反相器电路（1） 反相器N管（W/L）N的计算当输入为高电平时，输出为低电平，N管导通，工作在线性区，要求|I OL|4mA，V OL，man =0.4V，根据NMOS管理想电流分方程分段表达式：5= 22因此，()= 410 339510 83.98.8510 14605.312(5 0.81056)0.4 (0.4)22 则， ()=48(2) 反相器P管（W/L）P的计算当输入为低电平时，输出为高电平，P管导通，工作在线性区。同时要求N管和P管的充放电时间t r=tf ，分别求出这两个条件下的（W/L） P，min 极限值，然后取大者。1. 以|I OH|20A，V OH，min =4.4V为条件计算（W/L） P，min 极限值：用PMOS管的理想电流方程分段表达式：= ( |)( ) ( )22 因此()= 2010 639510 83.98.8510 14219(5 0.971428)(5 4.4) (5 4.4)22 则，()=12. N管和P管的充放电时间tr和tf表达式分别为 dtntndtnddtnnoxLf VVVWCt 2019l1.0226 dtptpdtpddtppoxLr VVVWtCt 2019ln1.022计算得出：()=7.1410 3则（W/L）P=140取其中的大值作为输出级P管的尺寸，则（W/L）P=1402.2.2传输门MOS的尺寸计算内部逻辑门的电路如图5所示。根据截止延迟时间t pLH和导通延迟时间t pHL的要求，在最坏情况下，必须保证等效N管、P管的等效电阻与内部基本反相器的相同，这样三输入与非门就相当于内部基本反相器了。因此，N管的尺寸放大3倍，而P管尺寸不变，即：图5 传输门代入反相器的尺寸得，传输门的尺寸为：， 内 部 反 相 器， 与 非 门 ， 内 部 反 相 器， 与 非 门 PP3LWLNN7（ ） ,内部 逻辑门 =3（ ） ,内部反相器 =6（ ） ,内部 逻辑门 =（ ） ,内部反相器 =6至此，完成了全部器件的尺寸计算，汇总列出各级N管和P管的尺寸如下：反相器：（） =44 =88（） =6 =12（） ，提拉管 =1 ,提拉管 =6传输门：（ ） ,内部反相器 =2 =4（ ） ,内部反相器 =6 =122.3 延迟估算估算功耗时功耗仿真如下图。8图113. 绘图仿真软件和版图设计软件介绍3.1 orcad简介ORCAD CapQure是一款基于Windows 操作环境下的电路设计工具。利用CapQure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。OrCAD CapQure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。OrCAD CapQure CIS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。OrCAD CapQure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，OrCAD CapQure都能为设计师提供快速的设计输入工具。此外，OrCAD CapQure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。3.1.1 orcad原理图设计步骤1.在菜单开始栏找到cadence。点击，展开。选择orcad capQure cis,打开。2.新建工程。3.在会原理图界面绘制元器件。4添加相应元器件的元件库。93.1.2orcad原理图仿真步 骤1.创建仿真文件Pspice-new simulation profile 2设置仿真参数双击xxx.bias 文件3开始仿真点击 图标4观察仿真结果。 4.电路模拟仿真电路模拟需要在原理图中加入激励源，并且必须使用可以仿真的元器件绘制仿真原理图。在模拟时进行直流扫描分析，然后就可得出功耗。把电路图转为SPICE文件，加入电路特性分析指令和控制语句，即可对电路进行仿真。图12 电路模拟原理图4.1 直流分析10Ven由0V变化到8V的过程中，反相器输出端波形在2.5V处出现急剧下降的情况。因此可以