电子专业毕业论文—cmos反相器的电路设计及版图设计34909.doc

大学集成电路软件课程设计报告 - 1 - 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： cadence orcad 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 大学集成电路软件课程设计报告 - 2 - 日 大学集成电路软件课程设计报告 - 3 - 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 4.3 drc 验证 15 结束语 .17 参考文献 18 大学集成电路软件课程设计报告 - 4 - 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 orcad l-edit 版图设计 大学集成电路软件课程设计报告 - 5 - abstract the huge development potential of cmos technology itself is the foundation of sustainable development of ic high speed. the manufacturing level of development of the integrated circuit to the deep sub micron technology, cmos low power consumption, high speed and high integration have been fully reflected. in this paper, the circuit simulation and layout design of orcad and l- edit cmos inverter based on simple introduction, through the circuit design and layout design process of cmos inverter, we will understand and a basic method and operation process, familiar with ic cad. keywords: cmos inverter layout orcad l-edit 大学集成电路软件课程设计报告 - 6 - 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 icvlsi）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。 大学集成电路软件课程设计报告 - 7 - 1. 软件介绍及电路原理 1.1 软件介绍 orcad capture (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。orcad capture 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 capture 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 capture 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 capture 都能 为设计师提供快速的设计输入工具。此外，orcad capture 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。 cadence orcad capture 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 tanner research 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-edit pro 是 tanner eda 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-edit pro 包含 ic 设计编辑器(layout editor)、自动布线系统(standard cell place & route)、线上设计规则检查器（drc） 、组件特性提取器（ device extractor） 、设 计布局与电路 netlist 的比较器(lvs)、cmos library、marco library，这些模块 组成了一个完整的 ic 设计与验证解决方案。l-edit pro 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 大学集成电路软件课程设计报告 - 8 - 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 =uol0v 当 ui= uil=0v 时,vtn 截止,vtp 导通,uo = uohvdd 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 318v 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 ） 大学集成电路软件课程设计报告 - 9 - 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tanners-editlibrary 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-symbol browser 命令，打 开 symbol browser 对话框，单击 add library 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： 大学集成电路软件课程设计报告 - 10 - 大学集成电路软件课程设计报告 - 11 - 3 电路仿真 3.1 电路瞬态仿真 点击 run pspice 按钮，出现仿真界面如图。 添加一个波形显示窗口 大学集成电路软件课程设计报告 - 12 - 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 大学集成电路软件课程设计报告 - 13 - 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。 大学集成电路软件课程设计报告 - 14 - 选择 file-replace setup 命令，在弹出的对话框中单击浏览按钮，按照路径. .samplessprexample1lights.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 rename cell as 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 set design 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 internal unit 的关系可在 technology setup 选项组中设定。此次设计设定 1 个 lambda 为 1000 个 internal unit，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 大学集成电路软件课程设计报告 - 15 - 按照 n well 层、p select 层、active 层、ploy 层、mental1 层、active contact 层的流程编辑 pmos 组件7 。其中，n well 层宽为 24 个格点、高为 15 个格点，p select 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，active contact 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 n select 层、active 层、ploy 层、mental1 层、active contact 层的流程 编辑 nmos 组件 8。其中， n select 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，active contact 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 大学集成电路软件课程设计报告 - 16 - 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