反相器的设计与仿真.docx

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反相器的设计与仿真

0.18umCMOS反相器的设计与仿真

2016311030103吴昊

1．实验目的

在SMIC0.18umCMOSmix-signal环境下设计一个反相器，使其tpHL=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。

2．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/kn

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GND。

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2~2.5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、提高电源电压

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=μp/μu可得到相等的上升延时和下降延时，即tpHL=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

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。

3．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：

DC仿真：

由图可知：

反相器Vm≈900mv，即tphl=tphl。

Tran仿真：

由tran仿真结果可知，tpHL=0.09ns≈tpLH。

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：

pmos输入栅电容=Cgs+Cgd=19.659ff+19.698ff

Nmos电容参数：

Nmos输入栅电容=Cgs+Cgd=15.307ff+15.500ff

Cgin=19.659ff+19.698ff+5.307ff+15.500ff=70.164ff

反相器版图：

DRC：

2.设计反相器链驱动6pf电容

参数计算：

反相器链级数N的计算：

由公共F=CL/Cgin,1=6pf/70.164ff=85.5

因为反相器链的最优尺寸放大比例f=3.6，又知道F=85.5

所以可由

得N=lnF/lnf=3.472，

即反相器链的级数N为4时，延迟最小。

延迟tp计算：

tp0为反相器空载延迟=0.09ns

r为自载系数≈1

所以计算可得tp=1.44ns

原理图：

测试图：

Tran仿真：

由图可知，tp≈1.49ns,符合理论计算值的结果。

表明通过反相器链有效增强了其驱动能力。

版图：

DRC:

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1

一、项目概况1

二、项目提出的理由与过程6

三、项目建设的必要性8

四、项目的可行性12

第二章市场预测15

一、市场分析15

二、市场预测16

三、产品市场竞争力分析19

第三章建设规模与产品方案22

一、建设规模22

二、产品方案22

三、质量标准22

第四章项目建设地点25

一、项目建设地点选择25

二、项目建设地条件25

第五章技术方案、设备方案和工程方案28

一、技术方案28

二、产品特点30

三、主要设备方案32

四、工程方案32

第六章原材料与原料供应35

一、原料来源及运输方式35

二、燃料供应与运输方式35

第七章总图布置、运输、总体布局与公用辅助工程37

一、总图布置37

二、运输38

三、总体布局38

四、公用辅助工程39

第八章节能、节水与安全措施44

一、主要依据及标准44

二、节能44

三、节水45

四、消防与安全45

第九章环境影响与评价47

一、法规依据47

二、项目建设对环境影响48

三、环境保护措施48

四、环境影响评价49

第十章项目组织管理与运行50

一、项目建设期管理50

二、项目运行期组织管理52

第十一章项目实施进度55

第十二章投资估算和资金筹措56

一、投资估算56

二、资金筹措58

第十三章财务评价与效益分析61

一、项目财务评价61

二、财务评价结论65

三、社会效益68

四、生态效益68

第十四章风险分析70

一、主要风险分析识别70

二、风险程度分析及防范风险的措施70

第十五章招标方案72

一、招标范围72

二、招标组织形式72

三、招标方式72

第十六章结论与建议74

一、可行性研究结论74

二、建议75

附件77

一、附表77

二、附件77

三、附图77