微电子第六章-集成电路计算机辅助设计课件

第六章集成电路计算机辅助设计6.1计算机辅助设计的基本概念6.2电路和系统的设计描述6.3电路模拟6.4计算机辅助版图设计6.5工艺模拟和器件模拟6.6数字集成电路和系统的CAD6.7模拟集成电路的CAD6.8统计模拟和优化设计第六章集成电路计算机辅助设计6.1计算机辅助设计的基本1第六章集成电路计算机辅助设计本章介绍集成电路计算机辅助设计(ICCAD)的基本概念、CAD系统的构成及主要CAD软件的基本工作原理，并具体介绍几种可在微机系统上运行的ICCAD软件的功能和使用实例。最后讨论模拟集成电路设计中采CAD技术的有关问题，并说明集成电路版图数据通用格式CIF的具体现定。第六章集成电路计算机辅助设计本章介绍集成电路计算机辅助设计26.1.1计算机辅助设计（CAD)和设计自动化(DA)集成电路设计包括电路设计和版图设计两方面的工作。在集成电路发展初期．集成电路的全部设计工作都是由人工直接进行的。但是，到20世纪70年代，随着集成电路发展到大规模(LSI)阶段，由人工完成全部设计任务已经很困难甚至不可能了，因此在集成电路设计中引入了计算机术。在开始阶段，主要利用计算机进行设计验证、图形处理和数据处理等方面的工作。随着计算机技术的发展，目前在集成电路设计的各方面均不同程度地采用了计算机技术。6.1.1计算机辅助设计（CAD)和设计自动化(DA)36.1.1计算机辅助设计（CAD)和设计自动化(DA)1设计自动化[DA]如果计算机能根据集成电路的设计指标要求，自动完成电路设计和版图设计任务，就称之为设计自动化(DesignAutomation)。2计算机辅助设计[CAD]目前在集成电路的设计领域内，只对个别的情况，例如采用可编程逻辑阵列(PLA)结构实现的集成电路，做到了设计自动化。大部分集成电路设计中，要由“人”为主导，同时需借助于计算机帮助入工迅速而准确地完成设计任务。6.1.1计算机辅助设计（CAD)和设计自动化(DA)146.1.2CAD技术的优点(a)减轻人工劳动，缩短设计周期：在集成电路版图设计中要绘制、修改版图并要处理大量数据。(b)保证设计的正确性：用手工方法绘版图和统计坐标数据时，在几十万甚至几百万个矩形图形和坐标数据中山现个别错误几乎是不可避免的。(c)提高设计质量、节省设计费用：采用CAD技术可以不必经过投片，而在线路设计阶段可对不同方案进行计算机模拟分析，选取出较好的方案，并进而对择优选用的电路进行灵敏度分桥、容差分析和中心值优化设计，在提高设计质量的同时又节省了研制费用。6.1.2CAD技术的优点(a)减轻人工劳动，缩短设计周期56.1.2CAD技术的优点(d)是VLSI设计中不可缺少的工具：随着集成电路发展到VLSI阶段，离开CAD技术就无法完成设计任务。以内部规则性最强的存储器电路为例，16Mb的RAM电路含有约4500万个晶体管。显然，不用CAD技术面完全靠人根本无法完成VLSI的设计。(e)促进集成化技术的普及：在使集成电路的设计工作跳出半导体专业人员的范围，为广大线路工作者都能掌握的进程中，CAD技术起了关键作用。6.1.2CAD技术的优点(d)是VLSI设计中不可缺少的66.1.3集成电路正向CAD过程主要包括5各部分的工作6.1.3集成电路正向CAD过程主要包括5各部分的工作76.1.3集成电路正向CAD过程1电路设计“电路设计”一般包括4方面工作。(a)系统设计：根据用户对电路功能和性能指标的要求，确定总体设计方案．给出框图，并进而将总体要求分解为对每一组成部分的功能和性能指标要求。(b)逻辑设计；对数字系统，完成系统设计后，需要确定出总体设计方案中每一部分的具体逻辑组成。如果某些部分是一些具有某种逻辑功能的“标推”功能块，这些部分就无需重新设计，可直接调用已有结果。(c)线路设计：确定每一逻辑单元的具体线路组成。包括设计线路的拓扑结构和线路中各元器件参数值，也可以直接调用已有的“标推”单元线路。对模拟集成电路，总体设计完成后就直接近行每一部分的线路设计。(d)设计校验：一般情况下，出于多种因素的影响，由人工进行的上述三个层次设计很难做到完全正确和满足要求。为此，需要采用计算机进行模拟分析。检验设计出的电路是否具有预定的功能，特性参数是否满足指标要求。根据模拟对象的不同，设计校验分为逻辑模拟和电路模拟两种类型。6.1.3集成电路正向CAD过程1电路设计86.1.3集成电路正向CAD过程2版图设计包括下述三方面工作。(1)版图生成对数字电路，目前已有不少版图白动设计软件。但是对模拟集成电路，基本还要依靠手工设计，即调用版图设计软件中的版图绘制模块，由设计人员以人机交互方式完成版图的绘制。(2)版图校验为了保证生成的版图“正确无误”，一般需要进行下述3方面校验工作。(a)设计规则校验(DRC：DesignRulescheck)：检查版图几何尺寸是否违背生产工艺要求；(b)电学规则检验(ERC：ElectricRulescheck)：检查版图连接关系是否违背常规电学准则；(c)版图与电路连接一致性(LVS：LaoyoutVerseSchematic)校验中各个元器件之间的互连关系是否与电路图中的完全一致。(3)版图数据生成6.1.3集成电路正向CAD过程2版图设计96.1.3集成电路正向CAD过程3.测试码生成生成了版图数据带以后就可以直接交由集成电路生产厂家加工成集成电路产品。为了检查生产出的产品是否满足预定要求，并在有问题时能查找出电路内部的故障位置，需要有能够完成这两类工作的测试码。因此，在完成逻辑和电路设计时还需要生成测试码。4.器件模型参数的确定进行逻辑模拟和电路模拟时，一方面要给计算机提供电路的拓扑结构，同时还要输入各个数字单元和元器件的参数值。显然，模拟结果的精确程度取决于程序中采用的元器件模型精度以及模型中的参数值是否代表了以后生产出的集成电路中的实际情况。选用器件模型时应同时考虑需要和可能。6.1.3集成电路正向CAD过程3.测试码生成106.1.4ICCAD系统1.ICCAD软件工具在正向设计过程中采用的ICCAD系统应包括下述4大类软件工具。(a)设计工具：指在不同阶段帮助设计者完成设计任务的软件，如系统综合、逻辑综合、版图布局布线、模块自动生成等。(b)模拟验证工具：用于设计过程中帮助设计考验证其设计的正确性。这方面软件有逻辑模拟、电路模拟、设计规则校验、电学规则检查等。(c)设计方案输入和数据管理工具：如径件描述与编译、逻辑和电路图输入、版图编辑、版图数据生成和后处理、可测性分析和测试码生成、CAD数据库等。(d)专用ICCAD软件：这是一些针对特定设计对象开发的软件。例如，对于可编程逻辑器件(PLD)已有实用的专用软件。6.1.4ICCAD系统1.ICCAD软件工具116.1.4ICCAD系统2ICCAD硬件环境在20世纪70年代中期CAD发展的早期阶段．开发的ICCAD软件都是在小型以上级别的通用计算机(如VAX750)上运行的。到80年代初期，出现了专用的工作站。在开始阶段，工作站主要用于版图设计(编辑)和数据处理。随后很快出现了可在工作站上运行的比较完整的IICCAD软件系。80年代末期，随着计算机技术的发展，使得个人微机系统上也可运行ICCAD软件。当然，他们与工作站上的ICCAD系统相比，在软件类型、功能和规模方面都有一定的差距，但是采用微机和工作站上ICCAD软件设计集成电路时，设计思路和设计方法是一致的，而且在微机上运行的ICCAD软件也能满足一般规模IC设计的需要，特别适合于学校教学，在普及推广ICCAD技术方面更具有明显的优点。6.1.4ICCAD系统2ICCAD硬件环境126.1.4ICCAD系统为了发展我国ICCAD技术，国家组织有关高校和科研单位开发了可以在工作站和微机系统上运行的ICCAD软件，称为熊猫(Panda)系统。这是一个面向全定制超大规模集成电路设计的CAD系统。可支持用户进行IC设计的全过程。Cadence,Mentorgraphics,Viewlogic,Synopsys等6.1.4ICCAD系统为了发展我国ICCA136.1.4ICCAD系统6.1.4ICCAD系统146.1.5集成电路的逆向设计首先解剖样品，去掉封装，暴露管芯，接着进行显微照相或用高精度图像摄取管芯表面拓扑图，得到集成电路样品的版图设计信息，进而提取逻辑和电路结构，分析功能，获取原始设计思想。6.1.5集成电路的逆向设计首先解剖样品，去掉封装，暴露管芯156.2.1电路和系统设计的描述根据电路系统的类型、规模以及采用的CAD软件，通常采用下述3种不同方法描述电路系统设计方案，并将其送入计算机。1电路连接网表文件电连接网表文件是一种采用规定的格式描述电路拓扑连接关系以及每个元器件参数值的文本文件。6.2.1电路和系统设计的描述根据电路系统的166.2.1电路和系统设计的描述2.电路图计篡机辅助绘制采用规定的格式编写电连接网表文件既烦琐又容易出错，对规模较大的电路，这一问题更加突出。为此，目前出现了不少电路图设计软件。调用这种软件绘制电路图后，经过配套模块的后处理，就可以自动生成满足不同格式要求的电连接网表文件。3.设计描述语言对于规模较大的电路系统。特别是数字电路系统，为了加速设计进程，可以采用称为硬件描述语言(HDL：HardwareDescriptionLanguage)的特定格式语言，描述电路系统的硬件结构和特性，而不需要描述电路的具体结构。这种语言又叫逻辑设计语言。目前普遍采用的硬件描述语言有VHDL和verilogHDL。6.2.1电路和系统设计的描述2.电路图计篡机辅助绘制176.2.2OrCAD／CaptureCIS软件Cadence公司是国际上著名的工作站平台上集成电路设计软件开发公司，目前又与OrCAD公司合并．推出了在微机上运行的电路设计软件包Cadence／OrCAD。该软件包包括电路图设计、电路模拟和PCB设计三个软件。其中的CaPtureCIS是电路图设计软件。在调用Pspice软件进行电路模拟前，需要先运行CaPtureCIS软件，生成电路设计原理图。6.2.2OrCAD／CaptureCIS软件186.2.2OrCAD／CaptureCIS软件1.CaptureCIS软件的构成6.2.2OrCAD／CaptureCIS软件1.Ca196.2.2OrCAD／CaptureCIS软件2.设计项目管理模块（ProjectManager）OrCAD软件包对电路设计实施项目管理。ProjectManager不但管理电路图的绘制，还处理电路图与电路模拟软件OrCAD/Pspice之间的接口和数据交换，管理各种设计资源和文件。绘制好电路图后，可以在同一个运行环境下自动生成电连接网表文件并直接调用PsPice软件，对电路进行模拟分析。6.2.2OrCAD／CaptureCIS软件2.设计项206.2.3电路图绘制模块PageEditCaptureCIS的基本功能是生成各种类型的电路设计原理图，这一任务是由绘图模块PageEdit完成的。1．Capture支持的电路图结构类型(a)单页图纸结构(OnePageDesign)：若所绘电路图规模不大，可将整个电路图绘制在同一张图纸中，这种电路图称为单页图纸结构。(b)拼接式电路因设计(FlatDesigns)：如果电路图规模较大，可以将整个电路图分为几个部分，每个部分用一张图纸绘制，各张图纸之间的电连接关系用端口连接器表示。(c)分层式电路图设计(HierarchicalDesigns)；6.2.3电路图绘制模块PageEditCaptu21微电子第六章-集成电路计算机辅助设计ppt课件226.2.3电路图绘制模块PageEdit2.绘图模块PageEdit窗口和命令调用电路固绘制软件Capture后.屏幕上出现的绘图模块PageEdit窗口如图6．6所示。其中File(文件处理)、Edit(编辑)、view(视图)、Macro(宏)、Option(选项设置)、windows(窗口处理)以及HelP(帮助)几条命令与一般应用软件中的相似。Accessories作为第三方开发软件的接口。在电路图设计过程中，最关键的是Place和PSpice两条命令。6.2.3电路图绘制模块PageEdit2.绘图模块Pag236.2.3电路图绘制模块PageEdit(1)绘图命令PLace(2)模拟软件调用Pspice6.2.3电路图绘制模块PageEdit(1)绘图命令PLa246.2.4电路设计的后处理软件6.2.4电路设计的后处理软件256.2.3元器件符号库和建库模块（PartEditor）1Capture软件中的元器件符号库CaptureCIS软件的元器件符号库文件存放在Library路径下的各个子目录中(见图6．9)，提供有从电阻、电容直到CPU等各种元器件符号，供绘制电路图调用。6.2.3元器件符号库和建库模块（PartEditor）266.2.3元器件符号库和建库模块（PartEditor）2.元器件符号编辑模块PartEditor3.元器件管理系统CIS可以随时更新元器件库6.2.3元器件符号库和建库模块（PartEditor）2276.2.6元器件符号标准例如图6.10所示的7400与非门符号只是说明该符号是一个“亦非门”，它与7401、7426、7437、74132等具有其他特点的与非门采用的符号图形完全相同从符号本身看不出它们之间的区别。6.2.6元器件符号标准例如图6.10所示的7400与非门286.2.6元器件符号标准2.标准符号与“习惯”符号的主要区别元器件符号国家标准与国际电工委员会标准等效，也与现行的美国相应标准一致。但与习惯用法以Capture符号库的内容相比差别较大。下面列出3点主要差别。（1）符号不同6.2.6元器件符号标准2.标准符号与“习惯”符号的主要区296.2.6元器件符号标准(2)型号名称不同符号名称要符合关于半导体器件和集成电路国家标准规定。如图6.11(a)所示，TTL系列数字器件在型号前面应该加有字母“CT”。(3)元器件类型编号采用的关键词不同为了区别电路图中不同类型的元器件，对每一类元器件均用一个字母为其代号。OrCAD／Capture元器件图形符号库中采用的元器件编号字母代号与GB5094标准的规定有较大的区别。表6.2列出了两者之间的主要对比。6.2.6元器件符号标准(2)型号名称不同306.2.6元器件符号标准6.2.6元器件符号标准316.2.6元器件符号标准3.逻辑单元图形符号国家标准的规定要点(1)二进制逻辑单元图形符号的基本组成(a)作为图形符号主体的方框或方框组合。(b)用于表示单元逻辑特性的限定符号(称为总限定符号)，或表示该单元输入、输出的逻辑功能或物理特性的限定符号(称为与输入输出有关的限定符号)。(2)总限定符号总限定符号是表示逻辑单元功能特性的符号。共有39个。单元框内上部居中位置(推荐位置)或框内中央位置(替换位置)。(3)与输入输出有关的限定符号(a)表示输入、输出逻辑状态的限定符号：例如用圆圈“O”表示逻辑“非”。(b)表示输入、输出物理特性的限定符号：共约57个。这类符号应位于单元框内部紧靠输入、输出引线的位置。6.2.6元器件符号标准3.逻辑单元图形符号国家标准的规定326.2.6元器件符号标准6.2.6元器件符号标准336.2.6元器件符号标准实例6.2.6元器件符号标准实例346.3.1电路模拟程序的作用和基本结构1．电路模拟的功能电路设计的任务是根据给定的指标要求确定电路拓扑结构形式和各元器件参数值。但至今为止还没有通用的电路自动设计软件。电路设计工作基本是由人进行。但人们可以用计算机对设计的方案进行模拟，然后由人对模拟结果进行分析，确定是否需要作进一步改进。因此，电路计算机模拟分析的作用在于帮助人更好地完成电路设计工作。应该指出，在集成电路发展到大规模阶段，已经不可能采用传统的手工计算或搭模拟电路的方法校验电路设计方案的正确与否或设计质量的好坏，必须采用计算机模拟分析的方法。6.3.1电路模拟程序的作用和基本结构1．电路模拟的356.3.1电路模拟程序的作用和基本结构2.电路模拟软件的基本结构6.3.1电路模拟程序的作用和基本结构2.电路模拟软件的366.3.1电路模拟程序的作用和基本结构3.典型的电路模拟软件Pspice6.3.1电路模拟程序的作用和基本结构3.典型的电路模拟376.3.1电路模拟程序的作用和基本结构(1)电路图设计软件CapturePspice以OrCAD／Capture作为前端模块，同时嵌入在Capture软件运行环境中。用户只要按照上一节介绍的方法，采用电路图绘制软件capture绘制好电路原理图，即可在capture环境下继续完成电路模拟。(2)激励信号波形编辑软件(StmEd：StimulusEditor)StmEd是Pspice中的一个配套模块，实际上是一个激励信号波形编辑器。对电路特性进行分析时，用户可以调崩此模块采用交互方式生成电路模拟中需要的激励信号波形。(3)电路模拟、逻辑模拟和数模混合模拟Pspice不仅可对模拟电路进行计算机辅助分析，而且可对数字电路、数/模混合电路进行计算机模拟。6.3.2节将具体介绍PspiceA/D)可分析的6类15种电路特性。为了突出这一功能特点，新版本的软件称为PspiceA/D)。6.3.1电路模拟程序的作用和基本结构(1)电路图设计软386.3.1电路模拟程序的作用和基本结构(4)模型参数提取软件(ModelEd：ModelEditor)电路模拟的精度很大程度上取决于电路中代表各种元器件特性的模型参数值是否精确。(5)模拟结果波形显示和分析模块(Pspice/Probe)为了观察模拟结果，确定电路设计是否满足要求，PspiceA/D完成电路模拟以后可自动调用模块Probe，显示和分析模拟结果。需要指出的是，Probe不仅可以交接显示模拟结果波形，而且具有很强的分析处理功能，包括提取描述电路特性的电参数(例如增益、带宽等)、分析电路特性随元器件参数的变化关系、检测数字电路中存在的冒险竞争和时序错误、Mc分析结束后以直方图显示电路特性参数的分散情况、计算成品率。(6)优化程序Optimizer为了进一步帮助用户改进电路设计，PspiceA/D提供有优化模块Optimizer，自动确定电路中的关键元器件参数值。6.3.1电路模拟程序的作用和基本结构(4)模型参数提取396.3.1电路模拟程序的作用和基本结构4.Pspice软件支持的元器件类型和电路特性分析功能(1)Pspice软件支持的元器件类型采用Pspice软件模拟分析的电路中可以包括的电路元器件如表6．5所示。其中：独立电压源和独立电流源又可以提供模拟电路中采用的直流源、标准交流信号、瞬态分析信号(包括：脉冲源、分段线性源、正弦调幅信号、正弦调频信号、指数信号)以及逻辑电路中采用的时钟信号、一般脉冲信号和总线信号(可以足2位、4位、8传、16位和32位共5种总线信号)。数字电路单元包括常用的门电路、传输门、延迟线、触发器、可编程逻辑阵列、RAM、ROM等。单元子电路指运算放大器一类常用的集成电路，可将其作为整体出现在电路中，而不必考虑该单元电路的内部电路结构。6.3.1电路模拟程序的作用和基本结构4.Pspice软406.3.1电路模拟程序的作用和基本结构4.Pspice软件支持的元器件类型和电路特性分析功能(2)Pspice软件支持的电路特性分析功能Pspice用小同的字母代号表示小向类别的九器件。在电路团中，不同元器件编号的第一个字形必须按表6.5中规定。6.3.1电路模拟程序的作用和基本结构4.Pspice软416.3.1电路模拟程序的作用和基本结构5.PspiceA/D模拟分析的电路特性6.3.1电路模拟程序的作用和基本结构5.PspiceA426.3.2PSpice软件的基本电路特性分析功能1.直流工作点分析直流工作点分析的作用是计算电路的直流工作状态，并给出非线性器件的工作点和线性化参数。其中节点电压和支路电流的计算结果可以直接显示在电路图上。6.3.2PSpice软件的基本电路特性分析功能1.直流工436.3.2PSpice软件的基本电路特性分析功能2.直流灵敏度分析为了表示电路中不同元器件参数对同一个电路特性的影响程度，通常用下式表示的电路特性参数T对元器件参数X的变化率定量表示影响程度的差异，并称为灵敏度S(T，X)。3.直流传输特性分析直流传输特性分析简称为TF分析。其作用是将电路在直流工作点处作线性化处理，然后计算下述3个参数：输出端和输入端直流电压之比、输入电阻、输出电阻。4.直流特性扫描直流特性扫描分析又简称为DC分析。其作用是使电路中某一参数(称为自变量)在一定范围内变化。6.3.2PSpice软件的基本电路特性分析功能2.直流灵446.3.2PSpice软件的基本电路特性分析功能5.交流小信号频率特性（ACSWeep）交流小信号特性分析又称为AC分析。PsPice进行AC分析时。首先计算电路的直流工作点。并在工作点处对电路中各个非线性元件作线性化处理，得到线性化的交流小信号等效电路。然后使电路中交流信号源的频率在一定范围内变化并用交流小信号等效电路计算电路输出交流信号的变化。本项分析又简称为AC分析。6.3.2PSpice软件的基本电路特性分析功能5.交流小456.3.2PSpice软件的基本电路特性分析功能6.噪声特性[Noise]分析为了定量表征电路中的噪声大小，PsPice采用下述等效计算方法进行噪声分析。(a)选定一个节点作为“输出节点”，将每个电阻和半导体器件噪声源在该节点处产生的噪声电压均方根(RMS)值叠加。(b)选定一个独立电压源或独立电流源，计算电路小从区独立电压源(电流源)到上述输出节点处的增益，再将上一步计算得到的输出节点处总噪声除以该增益就得到在该独立电压源(或电流源)处的等效噪声。6.3.2PSpice软件的基本电路特性分析功能6.噪声特466.3.2PSpice软件的基本电路特性分析功能7.瞬态响应分析(TransientAnalysis）瞬态响应分析简称为TRAN分析。其作用是在给定输入激励信号作用下，计算电路输出端的瞬态响应。PsPice进行瞬态特性分析时，输入端只能采用下述5种激励信号之一：脉冲信号、分段线性信号、正弦调幅信号、正弦调频传号以及指数信号。8.傅里叶分析FourierAnaIysis在瞬态分析完成后，通过傅里叶分析，可计算瞬态分析输出结果波形的直流、基波和各次谐波分量。因此，只有在瞬态分析以后才可能进行傅里叶分析。6.3.2PSpice软件的基本电路特性分析功能7.瞬态476.3.3PsPice软件的参数扫描分析功能1.温度特性分析众所周知，电阻阻值以及晶体管的许多模型参数值与温度的关系非常密切。如果改变温度，必然通过这些元器件参数值的变化导致电路特性的变化。Psplce中的各个元器件模型都考虑了模型参数与温度的关系。进行电路特性分析时，Pspice的内定温度为27℃。Psplce中温度扫描作用是分析在其他温度下电路特性的变化。6.3.3PsPice软件的参数扫描分析功能1.温度特性486.3.3PsPice软件的参数扫描分析功能2.参数扫描分析(PareMetricAnaIysis)对于Dc、AC和TRAN这3种特性分析，采用Pspice提供的参数扫描分析功能可以模拟分析电路特性与电路中冗器件参数的关系。实际上，对指定的每个参数变化值。Pspice均执行一次指定的电路分析，因此称之为参数扫描分析。在参数扫描分析中，可变化的参数包括独立电压源、独立电流源、温度、模型参数和全局参数5种。6.3.3PsPice软件的参数扫描分析功能2.参496.3.4PSpice软件的统计模拟功能1.标称值和统计分析前面介绍的各种电路特性分析有一个共同的特点，就是电路中每一个元器件都有确定的值，通常称为设计值或标称值。因此这些电路特性分析又称为标称值分析。但如果核设计好的电路图进行生产，组装成若干块电路时。实际采用的元器件不可能等于标称值，必然存在分散性。元器件的分散性服从一定的统计分布，一般为正态分布。PSpice软件“统计分析”的作用就是模拟分析元器件值统汁分散性对电路特性的影响。包括蒙托卡诺分析和最坏情况分析。6.3.4PSpice软件的统计模拟功能1.标称值和统计506.3.4PSpice软件的统计模拟功能2.蒙托卡诺(MonteCarlo)分析按照电路标称值设计结果生产时，采用的元器件值小可能等十标称值，而是具有一定的分散性。这样，生产出的一批电路产品的电特性就不可能与标称值模拟的结果完全相同，而要呈现一定的分散性。为了模拟实际生产中因元器件值具有一定统计分散性所引起的电路特性分散性，PSpice提供了蒙托卡诺分析功能。3.最坏情况分析6.3.4PSpice软件的统计模拟功能2.蒙托卡诺(M516.3.5PSPice软件的逻辑模拟和数模混合模拟功能1逻辑模拟(1)逻辑模拟的作用和模拟算法逻辑模拟的作用是根据给出的逻辑电路结构拓扑关系以及各个逻辑单元的功能和延迟特性，由计算机软件模拟分析整个逻辑电路的功能和特性。（2)PsPice软件的逻辑模拟功能(a)分析数字电路输出与输入之间的逻辑关系；(b)模拟计算数字电路的延迟特性；(c)对同时包括有模拟元器件和数字单元的电路进行数模混合模拟，分别显示出电路内部的模拟信号和数字信号波形分析结果；(d)最坏情况逻辑模拟。(e)检查数字电路中是否存在时序异常和冒险竞争现象。

6.3.5PSPice软件的逻辑模拟和数模混合模拟功能526.3.5PSPice软件的逻辑模拟和数模混合模拟功能1.逻辑模拟(3)PsPice逻辑模拟采用的激励信号和逻辑状态PspiceA／D进行逻辑模拟时可以采用3类激励信号。(a)时钟信号；这是一种规则的一位周期信号。(b)一船激励信号：也是一位信号，但其波形变化不像时钟情号那样简单。(c)总线激励信号：又分2位、4位、8位、16位和32位共5种。PSpice逻辑模拟中可包括0(低电乎)、1(高电平)、R(上升)、F(下降)、X(不确定)、和z(高阻)共6类逻辑状态，不同逻辑状态的显示情况如图6.20所示。(4)逻辑模拟实例图6.21和图6.22是一个半加器电路以及PSpice逻辑模拟的结果。对照图6.22显示的波形相互关系，可以进一步从逻辑功能、延迟特性、异常情况检查等3方面分析半加器电路的设计效果。6.3.5PSPice软件的逻辑模拟和数模混合模拟功能153微电子第六章-集成电路计算机辅助设计ppt课件546.3.5PSPice软件的逻辑模拟和数模混合模拟功能2.数模混台电路的模拟分析顾名思义，数模混合电路中同时包括有数字逻辑单元(如；门电路、触发器等)和各种模拟元器件(如电阻、电容、晶体管等)。由于数字信号是以高低电平(1，0)为特征的数字量，模拟信号是连续变化的电信号，这是两类性质完全不同的电学量，给数模混合电路的模拟分析带来新的问题。因此在纯模拟电路和纯数字电路仿真软件出现较长时间后才推出数模混合电路的模拟分析模块。在PSPice软件中，引入了数—模和模—数转换接口子电路的方法，将数模混合电路划分成多个纯模拟电路和纯数字电路单元，分别进行仿真，最后完成对整个数模混合电路的模拟分析。6.3.5PSPice软件的逻辑模拟和数模混合模拟功能2556.3.6电路的优化设计1.什么是电路的优化设计前面介绍的电路模拟是己知电路扔扑结构以反电路中元器件参数值，模拟分析电路的特性。PsPice除了能进行各种模拟外，还提供有优化设计功能，即在电路设计已基本满足功能和特性指标的基础上，根据要求的电路特性约束条件。电路优化设计，实际上是在约束条件限制下，不断调整电路中元器件参数，进行电路模拟迭代，直到目标参数满足优化要求。因此，进行一次优化将包括多次电路模拟。优化过程中，调整元器件参数，包括确定参数的增减方向和调整幅度大小以及迭代过程中模扭程序的调用和结果判断，都是内PsPice既优化模块自动进行的。6.3.6电路的优化设计1.什么是电路的优化设计566.3.6电路的优化设计2．PSpiceOptimizer模块的功能(a)对电路进行优化设计时，可以同时调整电路中8个元器件的参数，以满足最多8个目标参数和约束条件(其中至少要有一个目标参数)的要求。(b)根据给定的模型和一组晶体管端特性数据，优化提取晶体管模型参数。3PSpiceOptimizer模块应用实例。6.3.6电路的优化设计2．PSpiceOptimiz57微电子第六章-集成电路计算机辅助设计ppt课件586.3.7模拟结果的分析处理Probe模块1.基本功能“示波器”作用6.3.7模拟结果的分析处理Probe模块1.基本596.3.7模拟结果的分析处理Probe模块2.波形信号的运算处理（a）利用标尺显示波形数据，（b）对信号进行运算处理，并显示运算处理后的结果波形，从而可以直接得到计算机的结构。（c）电路特性参数的提取，模拟结束后，Probe窗口中显示的是节点电压和支路电流波形。3.关于电路设计性能的分析6.3.7模拟结果的分析处理Probe模块2.波形606.3.7模拟结果的分析处理Probe模块4.绘制直方图6.3.7模拟结果的分析处理Probe模块4.绘制616.3.7模拟结果的分析处理Probe模块5.信号波形数据的显示和处理在用Probe显示和分析信号波形的过程中，可以根据需要，将窗口中显示的一条或多条波形曲线转换为数据描述的形式。这时Probe宙口自动转为文本工作模式，可以对这些数据进行编辑处理并存入文件。6.3.7模拟结果的分析处理Probe模块5.信号626.4.1版图图形生成版图设计的首要任务是将设计好的电路图转化为生产用的集成电路版图，包括电路中元器件和单元电路的版图设计、版图布局(将元器件和单元电路的版图放置于合适位置)、版图布线(按电路拓扑关系完成各元器件间的走线)。随着电路规模的增大，布局布线工作量很大，往往要经过几次反复修改才能完成。因此必须借助于CAD技术。目前计算机辅助版图目图形生成有几种不同的形式。6.4.1版图图形生成版图设计的首要任务是将设计好的电路636.4.1版图图形生成1．人工设计首先由人工绘制出版图图形草图，然后按下述方式将绘好的版图送人计算机。(1)语言描述式图形编辑按规定的语句格式(如6.4.5节介绍的CIF格式)将绘好的版图形成输入文件送人计算机。这种方法目前已很少采用。(2)交互式图形编辑这实际上是一个图形编辑软件，用户以交互方式选择菜单命令，在计算机上绘制版图图形。本节介绍的TANNER/L-EDIT软件具有版图图形编辑功能。6.4.1版图图形生成1．人工设计646.4.1版图图形生成2自动设计需要指出的是这些自动设计软件基本只适用于数字集成电路和系统的设计。(a)全自动设计软件：这类软件可完成包括电路设计在内的集成电路全部设计。用户只要以规定形式给出对电路和系统的功能特性要求，自动设计软件就可直接生成版图。例如采用PLA方式设计数宇电路的PLA生成软件就是全自动设计软件。(b)自动布局布线设计软件：对于标准单元设计方法等，用户完成电路设计并生成一定格式的电路连接网表后，版图设计软件就可直接完成版图的最终设计。由于电路中各单元的版图可直接从库中调用，这种版图自动设计软件实际上是一种版图自动布局布线软件。本节介绍的TANNER/EDIT具有标准单元自动布局布线功能。(c)自动布线软件：给用户提供的是作为半成品的门阵列芯片，又称为母片。用户采用门阵列设计好线路并生成连接网表后，版图设计软件可直接完成版图设汁。由于母片上“门”的布局已固定．软件完成的实际上是自动市线．生成的是布线用版图。6.4.1版图图形生成2自动设计656.4.1版图图形生成3.半自动设计采用自动设计技术设计的版图，固积往往较大，一般只在小批量生产或要优先考虑缩短设计周期尽快占领市场时采用。对于大批量生产的集成电路，为了节省宝贵的芯片面积，往往使用半自动设计方法，在自动设计过程中通过人机交互方式，由人较多地干预、指挥版图设计。6.4.1版图图形生成3.半自动设计666.4.2版图验证和分析为了保证版图设计的正确性，对设计好的版图需进行下述四方面验证和分析处理。1.几何设计规则检查DRC(DesignRuleCheck）DRC软件可根据用户提供的设计规则．检查版图中是否存在违背设计规则的情况。若存在这一问题，将发出警告．并指出发生问题的位置，以便用户即时修改版图，保证工艺实现的可能性。本节后面介绍的LEDIT软件具有DRC功能。2.电学规则检查ERC（ElectricRulesCheck）ERC是检查版图中是否存在不符合常规电学连接规则的情况，例如有无内部浮置节点、非法器件、电源线与地线间有无短接等。显然ERC是一种普遍性的电学规则检查，与版图对应的具体电路结构无关。6.4.2版图验证和分析为了保证版图设计的正确性，对设676.4.2版图验证和分析3.版图拓扑连接关系正确性检查(LVSLayoutVerseSchematic）由于各种原因，例如手工设计版图时遗漏了一条互连线，版图虽然符合设计规则。但没有完全反映电路连接拓扑关系。因此需要采用有关软件将版图自动转换为电路图(或逻辑图)。并将新生成的连接网表与原来电路图的连接网表进行比较，或者采用模拟软件分析转换得到的电路图功能和特性，只有得到肯定的结论，才能保证版图电连接的正确性。4.版图参数提取将线路转换为版图后。还应从版图中提取出各元器件的有关参数(如：MOS器件沟道宽长比)从分布参数(如：布线的分布电阻、分布电容)，供精确模拟分析该版图代表的电路的实际特性。由于是在版图设计以后的模拟，因此又称为后仿真。6.4.2版图验证和分析3.版图拓扑连接关系正确性检686.4.3版图数据文件生成为了满足制版和数据交换的需要，胶将设计好的版图转换为下述2类数据(1)PG带制版用的图形发生器设备对其输入数据有固定的格式要求，因此，设计好的版图应首先进行分割和排序处理，将版图分割为图形发生器能接受的图形形式，并按x、y坐标排序，避免制版过程中图形发生器作过多的往返运动，然后还要将围形转换为规定的数据格式。图形发生器的英文名称为：PatternGenertor，一般采用磁带存放数据，因此这种格式的版图数据文件又称为PG带文件。(2)通用数据文件不同版图设计软件生成的版图数据格式差别很大，为了使于各种CAD软件间的交流，目前在集成电路版图设计方面有3种通用版图数据格式：calmaGDSⅡ、CIF(CcathechIntermediateForm)、CIF(ElectronicDesignInterchangeFormat)，因此版图设计软件应能产生通用格式的版图数据文件。其中CIF和EDIF是文本格式文件。6.4.3版图数据文件生成为了满足制版和数据交换的696.4.4微机用版图设计较件L-EDITL-EDIT是美国TANNERRESEARCH公司推出的可在微机系统上运行的集成电路版图设计软件。本节介绍Tanner软件包的结构组成和功能特点。1．Tanner软件包组成如图6.31所示，Tanner软件包由4个软件组成。(1)电路图设计软件D-EDIT其作用是以电路图的形式将设计方案送人计算机，与6.2节介绍的电路图设计软件。ORCAD／Capture的作用类似。(2)电路模拟软件T-Spice包括模拟结果显示分析模块W-Edit。其作用分别与6.3节介绍的电路模拟软件Pspice以及模拟结果显示分析模块Probe的作用类似。6.4.4微机用版图设计较件L-EDITL-EDI706.4.4微机用版图设计

软件L-EDIT(3)版图设计软件L-Edit这是Tanner软件包中的核心软件，用于完成版图设计。该软件包括下述5个功能模块：(a)L-Edit：人机交互式版图绘制模块。(b)L-Edit／SPR：标准单元数字电路自动布局、布线模块。(c)L-Edit／DRC(DesignRulesCheck)：设计规则检查模块。(d)L-Edit/Extract：版图参数提取模块。(e)L-Edit/Cross-Section：纵向剖面结构显示模块。对于模拟电路，一般按图6.31中路径A进行版图设计，即直接采用手工方法调用L-Edit模块完成版图设计。对于重复单元比较多的数字电路．可以按照路径B完成版图设计，即首先调用S-Edit，采用L-Edit软件标淮单元符号库中的单元进行电路因设计，然后再调用标淮单元自动布局布线模块SPR，根据绘制好的电路图，自动完成版图设计。6.4.4微机用版图设计

软件L-EDIT(3)版图设计716.4.4微机用版图设计较件L-EDIT(4)版图与电路图一致性检验软件LVSL-Edit存取版图设计结果的数据格式有3种：通用的CIF和GDSⅡ格式以及Tanner软件专用的TDB格式(TannerDataBase)。其中CIF文件是文本文件，其格式规定将在6.4.5介绍。6.4.4微机用版图设计较件L-EDIT(4)版图与电路726.4.4微机用版图设计较件L-EDIT2.L-EDIT版图设计采用的层次结构调用L-EDIT软件进行版图图形编辑时采用的是一种层次设计方法，其层次关系如图6.32所示。版图(Layout)作为一个文件，可包括多个单元(cell)。每个单元又由多个基本几何图形(Primitves)组成。基本几何图形可以是矩形、多边形、带一定宽度的线条和圆。单元中也可以调用(Instances)已有的其他单元。每个单乃的名称由用户确定。实际上，版图本身也是作为一个单元，L-EDIT中版图所在单元的默认名称为cell0，用户也可以更改版图所在单元的名称。L-EDIT运行过程中，以单元为对象进行绘图、编辑修改等各种操作。6.4.4微机用版图设计较件L-EDIT2.L-EDI736.4.4微机用版图设计较件L-EDIT3.L-EDIT窗口(a)坐标显示栏：显示光标所在的坐标位置。(b)绘图工具按钮；集成电路版图是由矩形、多边形、等宽连线、团等基本几何图形组成。绘制版团实际上就是绘制这些几何图形，为此，L-EDIT以绘图工具按钮的形式表示这几条绘图命令，方便用户调用。图6.34说明各绘图工具按钮的作用。(c)层次选择。(d)鼠标按键功能提示。6.4.4微机用版图设计较件L-EDIT3.L-ED74微电子第六章-集成电路计算机辅助设计ppt课件756.4.4微机用版图设计较件L-EDIT4L-EDIT命令系统6.4.4微机用版图设计较件L-EDIT4L-EDI766.4.4微机用版图设计较件L-EDIT5.版图生成的步骤6.4.4微机用版图设计较件L-EDIT5.版图生成的步776.4.5版图数据中间格式CIF(1)ClF文件的特点作为一种表示版图数据的标推格式。ClF具有下述几个特点：(a)ClF文件中语句格式有严格规定，使其具有无二义性的特点；(b)CIF文件是一种ASICII码文件，可直接显示、打印；(c)ClF文件中调用可嵌套，结构紧凑同时具有可读性，便于生成和处理(d)单元电路可以用CIF格式存人数据库，便于不同CAD系统间交流。6.4.5版图数据中间格式CIF(1)ClF文件的特点786.4.5版图数据中间格式CIF（2）CIF文件结构CIF文件结构与图6.32所示L-Edit版图设计软件中采用的层次关系一致，是一种层次设计结构。整个版图作为一个文件(File)。文件中可定义、调用若干个单元(Cell)。单元中包括若干基本几何图形，也可调用业已定义的其他单元。CIF文件中可采用的基本几何图形有：矩形、多构形圆和带一定宽度的互连线。6.4.5版图数据中间格式CIF（2）CIF文件结构796.4.5版图数据中间格式CIF(3)关于CIF文件的规定CIF文件中各种语句除了必须符合本节后面介绍的格式外，还必须遵循下述几条共同的规定：(a)CIF文件采用通常的，x-y直角坐标系表示版图位置关系，坐标单位为0.01um。(b)CIF文件中用矢量的分量表示方向，而不采用角度。这样一对整数就表示一个方向矢量。(c)CIF文件中大写字母有效，作为关键词的大写字母起分隔符的作用。(d)CIF文件中不同语句之间用分号“；”为结束符号。同一行中可有多条语句。同一条语句中各项之间可用空格、逗号等分隔符隔开。(e)圆括号中的字符起注释作用。6.4.5版图数据中间格式CIF(3)关于CIF文件的规定806.4.5版图数据中间格式CIF2．ClF中的基本几何图形对集成电路版图中常用的矩形、多边形、因和互连线四种基本几何图形CIF规定了严格的描述格式。(1)矩形(Box)以关键词B开头的一条语句表示矩形。格式为B长边长度短边长度中心坐标点长边方向例如，对图6.36所示矩形，其表水格式为B10202030-10156.4.5版图数据中间格式CIF2．ClF中的基本几何图形816.4.5版图数据中间格式CIF(2)多边形(Polygon)以关键词P开头的一条语句描述多边形。格式为：P多边形各顶点坐标；对n边多边形，依次用n个顶点的坐标表示，即从“起点”沿多边形到“终点”为止，例如图6.37(a)中多边形可表示为：6.4.5版图数据中间格式CIF(2)多边形(Polygo826.4.5版图数据中间格式CIF(3)圆(Round)以关键词R开头的一条语句表示圆。格式为：R直径圆心坐标例如，对因6.38中的圆，可用下列语句表示；R20515；6.4.5版图数据中间格式CIF(3)圆(Round)836.4.5版图数据中间格式CIF(4)互连线(Wire)以关键词W开头的一条语句表示互连线。格式为：W线宽互连线中心线上点坐标：说明：中心线上点坐标依次为中心线的起点、各转折点和终点的坐标。在起点和终点处的互连线为向两头扩展的半圆。例如下述语句描述的互连线如图6.39所示。W40，0，0，0，100，110，100；6.4.5版