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1、题目:反相器分析与设计姓名:白进宝学院:微电子与固体电子学院学号:201722030523签名:教师签名:摘要 CMOS指互补金属氧化物(PMOS管和NMOS管)共同构成的互补型MOS集成电路制造工艺,它的特点是低功耗。由于CMOS中一对MOS组成的门电路在瞬间看,要么PMOS导通,要么NMOS导通,要么都截至,比线性的三极管(BJT)效率要高得多,因此功耗很低。本次设计的是反相器,通过电路搭建前仿真,实现其功能。然后进行版图设计,提取寄生参数后进项后仿真。关键词:CMOS、反相器、低功耗、集成电路版图1、技术指标要求面积:100um2速度:大于1GHz功耗:功耗与电源电压、工作速度、负载等诸
2、多因素有关。2、电路搭建工艺库:smic18mmrf器件参数:设置NMOS与PMOS宽长比。电路结构:如图,电路结构。有两级反相器组成,第二级为负载,因为在实际电路中电路都是带载的。 分别作NMOS和PMOS的直流输出特性曲线,NMOS的阈值电压大约为0.5V左右,PMOS的阈值电压大约为0.6V左右。3、仿真(1)进行直流传输特性仿真分析图一电源电压为5V,图二电源电压为2V。可以看到图二的特性比图一好,这是由于降低的电压,从而使特性变好。继续降低电源电压为1V后,特性更好。但是当降到200mV时,特性反而变差。这是由于当电压降到接近于阈值电压或更低时,管子无法导通,性能变差。 (2)瞬态特
3、性分析瞬态特性分析,反相器实现非门的功能。将时间轴拉长,可以看到当输出反向时,存在一个过冲现象,这是由于栅漏电容造成。 (3)工作频率分析上图为反相器没有带负载的情况下测出的下降时间,下图为带一个反相器测出的下降时间。从而我们可以得出电路的扇出越多,性能越差,所以在数字电路中,我们尽量将扇出控制在4以内。更多的扇出将通过组合电路多级实现。 由图可得上升时间为23.85ps,下降时间为29.25ps。工作频率1/(2×max(上升时间,下降时间)17GHz(4)功耗分析如以上两幅图,分别在电源电压5V和2V的情况下动态电流分析。5V时电流峰值为1mA左右,2V时电流峰值为300uA左右
4、。4、版图版图设计是将模拟优化后的电路转化成一系列几何图形,这些几何图形包含了集成电路尺寸大小、各层拓扑定义等有关元件的物理信息。如图为在cadence版图软件中绘制的反相器的版图。面积为20um×10um=200um25、后仿真以上两幅图为后仿真的交流仿真图。由图可得上升时间为82.33ps,下降时间为70.69ps。工作频率1/(2×max(上升时间,下降时间)6.07GHz。显然画出版图提取寄生参数后性能变差,工作频率变小。 左图为前仿真的直流输出特性曲线,右图为后仿真的直流输出特性曲线,通过对比可以看出,两者区别不大。6、对比技术指标完成情况(1)工作速度。前仿真的
5、速度为17GNz,后仿真的速度为6GHz,设计指标为1GNz。(2)面积。版图的面积为200um2,设计指标为100um2,与设计指标有一定差距。(3)功耗。降低电源电压可以降低功耗,通过以上仿真可以看出电压由5V变为2V后动态电流也急剧下降。减小输入信号的上升下降时间也可以降低功耗。7、总结本次设计大反相器部分指标达到了设计要求,部分没有达到设计要求。(1)在直流传输特性分析中减小电压能一定程度上提高性能。但是当降到200mV时,特性反而变差。这是由于当电压降到接近于阈值电压或更低时,管子无法导通,性能变差。(2)在进行动态仿真时,当输出反向时,存在一个过冲现象,这是由于栅漏电容造成,是由于器件本身的寄生参数造成的。在降低电压的同时这个过冲现象就会越来越明显。(3) 进行直流传输特性仿真分析时,降低电压从而使特性变好。继续降低电源电压为1V后,特性更好。但是当降到200mV时,特性反而变差。从NMOS和PMOS的直流输出特性曲线看出NMOS的阈值电压大约为0.5V左右,PMOS的阈值电压大约为0.6V左
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