反相器的设计与仿真

1、0.18umCMOS反相器的设计与仿真 2016311030103 吴昊 一. 实验目的 在SMIC 0.18um CMOS mix-signal环境下 设计一个反相器， 使其tpHL二tpLH,并且tp越小越好。利用这个反相器驱动 2pf电容, 观察tp。以这个反相器为最小单元，驱动6pf电容，总延迟越小越好。 制作版图，后仿真，提取参数。 二. 实验原理 1反相器特性 1、输出高低电平为VDD和GND电压摆幅等于电源电压； 2、逻辑电平与器件尺寸无关； 3、稳态是总存在输出到电源或者地通路； 4、输入阻抗高； 5、稳态时电源和地没通路； 2开关阈值电压Vm和噪声容限 Vm的值取决于kp/k

2、n L W k =- 所以P管和N管的宽长比值不同，Vm的值不同。增加P管宽度 使Vm移向Vdd，增加N管宽度使Vm移向GNB 当Vm=1/2Vdd时, 得到最大噪声容限。 要使得噪声容限最大，PMOS部分的尺寸要比NMOS大，计算结 果是3.5倍，实际设计中一般是22.5倍。 3反向器传播延迟优化 1、使电容最小（负载电容、自载电容、连线电容） 漏端扩散区的面积应尽可能小 输入电容要考虑：（1）Cgs随栅压而变化 （2）密勒效应 （3）自举电路 2、使晶体管的等效导通电阻（输出电阻）较小： 加大晶体管的尺寸（驱动能力） 但这同时加大自载电容和负载电容（下一级晶体管的输入电容） 3、提咼电源电

3、压 提高电源电压可以降低延时，即可用功耗换取性能。但超过一 定程度后改善有限。电压过高会引起可靠性问题当电源电压超过2Vt 以后作用不明显. 4、对称性设计要求 令 Wp/Wn二卩p/卩u可得到相等的上升延时和下降延时，即 tpHL二tpLH。仿真结果表明：当P, N管尺寸比为1.9时，延时最小， 在2.4时为上升和下降延时相等。 4反相器驱动能力考虑 1单个反相器驱动固定负载 tp = 0.69切0 （1 + Ce.xt/S Ciref）- tp0为反相器的本征延迟，S是反向尺寸与参照反相器尺寸的比 值。tp0与门的尺寸大小无关而仅与工艺及版图有关。 无负载时，增加门的尺寸不能减少延迟。有负

4、载时，S很大时（大 于等于10）使反相器延迟趋于本征延迟，因此继续加大尺寸不会有 什么改善而只会显著增加面积。、 2反相器驱动大负载电容（反相器链） 给定负载CL，给定输入电容 Cin时，可由公式 得到尺寸放大系数f和反相器级数N的关系。 又因为驱动大负载电容时最优 f=3.6, tp最小。所以即可以确定 一个正确的反相器级数N来最小化延迟。 三. 实验内容 1反相器设计 经过不断的调整与仿真，在保证 VM=1/2 （VDD） =900mv同时尽量减 小延时，最终确定 Wp/Wn=47u/15u,管子较大为了确保反相器链的级 数不 会过多 反相器电路图： 反相器符号图: 反相器仿真图: ubj

5、i Md匸曲/ujoO6山八 關申国：圧巨国甲 2TM 业山“日jQ $IQ FE 血 :oa 由tran仿真结果可知，tpHL=0.09nstpLH 利用这个反相器驱动2pf电容，观察tran仿真结果: 由图可知tp为2ns,延迟较大，可见单个反相器的驱动能力有限 输入栅电容计算: Pmos电容参数: IS.7270856f 16,3051250s -15.6S09D21f -46.1998300a -216 29G5349y 15 C9S6501f -15.G9069O9f 1 11471030c -is 72S3oegf -19 69BG396f 55.O0293O9f -19 e589

6、SS2f 32.1589001f S2.7S61092f -1 7764000a -66.8012646Z -19P7033377f 19.7051809f 194.3B47329p pmos 输入栅电容二Cgs+Cgd=19.659f+19.698ff Nmos电容参数: dhb G 329S7f dbd -g G97BM7f cbg -LGE.7UE07G* cbs 3 7Z3SB54r db -2 cdd 35 597L2S8f cdg -15 C da -IT 1UDEQ cgb QGEUaSu cqd -IS 5D0B567E egg JI. 7911322( -15 3073098

7、f 叮日 1-4 534厂任f 门7 IT csb -2 G735b40f esd -10 20541114f cg ?qrs) ChKK f ctlll 田I d BkjterTl-勺 H * LVS: PEX 实验小结: 通过本次实验，使我对 CANDENCE 工具使用更加熟练。加强了我我对反相器的静态特性和动态特性的理 解。从一个设计者的角度，我学会了如何加强反相器稳定性，优化驱 动能力，减小传播延迟，节省版图面积。目 录 第一章 总论错误！未定义书签 一、项目概况 错误！ 未定义书签 二、 项目提出的理由与过程 错误！未定义书签 三、 项目建设的必要性 错误！未定义书签 四、项目的可行

8、性错误！未定义书签 第二章 市场预测错误！未定义书签 一、 市场分析 错误！ 未定义书签 二、市场预测错误！未定义书签 三、产品市场竞争力分析 错误！未定义书签 第三章 建设规模与产品方案 错误！未定义书签 一、 建设规模 错误！ 未定义书签 二、产品方案错误！未定义书签 三、 质量标准 错误！ 未定义书签 第四章 项目建设地点 错误！未定义书签 一、 项目建设地点选择 錯误！未定义书签 二、 项目建设地条件 错误！未定义书签 第五章 技术方案、设备方案和工程方案 错误！未定义书签 一、 技术方案错误！ 未定义书签 二、 产品特点 错误！未定义书签 三、主要设备方案 错误！未定义书签 四、 工

9、程方案错误！未定义书签 第六章 原材料与原料供应 错误！未定义书签 一、原料来源及运输方式 错误！未定义书签 二、燃料供应与运输方式 错误！未定义书签 第七章 总图布置、运输、总体布局与公用辅助工程 错误！未定义书签 一、 总图布置 错误！ 未定义书签 二、运输错误！未定义书签 三、总体布局错误！未定义书签 四、公用辅助工程错误！未定义书签 第八章 节能、节水与安全措施 错误！未定义书签 一、 主要依据及标准 错误！未定义书签 二、节能错误！未定义书签 三、节水错误！未定义书签 四、消防与安全错误！未定义书签 第九章 环境影响与评价 错误！未定义书签 一、 法规依据 错误！ 未定义书签 二、项

10、目建设对环境影响 错误！未定义书签 三、环境保护措施 错误！未定义书签 四、环境影响评价 错误！未定义书签 第十章 项目组织管理与运行 错. 误！未定义书签 一、项目建设期管理 错. 误！未定义书签 二、项目运行期组织管理 错. 误！未定义书签 第十一章 项目实施进度 错. 误！未定义书签 第十二章 投资估算和资金筹措 错. 误！未定义书签 一、投资估算 错. 误！未定义书签 二、资金筹措 错. 误！未定义书签 第十三章 财务评价与效益分析 错. 误！未定义书签 一、项目财务评价 错. 误！未定义书签 二、财务评价结论 错. 误！未定义书签 三、社会效益 错. 误！未定义书签 四、生态效益 错. 误！未定义书签 第十四章 风险分析 错. 误！未定义书签 一、主要风险分析识别 错. 误！未定义书签 二、风险程度分析及防范风险的措施 错误！未定义书签 第十五章 招标方案 错. 误！未定义书签 一、招标范围 错. 误！