全定制设计SRAM单元电路概诉Word文档格式.docx

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（1）电路面积最优，

（2）1bit存储，位线、字线作为端口，（3）访问速度0.2ns，（4）三态总线输出，（5）采用gpdk0.18通用工艺模型库，（6）完成全部流程：

综上，本设计内容及设计较为简单，结构和功能原理易懂，易于仿真设计的实现。

所有设计是在cadence公司全定制平台IC5141工具下完的，IC5141工具主要包括集成平台designframeworkII、原理图编辑工具virtuososchematiceditor、仿真工具spectre、版图编辑工具virtuosolayouteditor、以及物理验证工具diva。

功能上可以模拟1bitSRAM的具体工作原理。

关键字：

SRAM；

全定制；

designframeworkII；

目录

1电路设计1

1.1电路分析1

1.2SRAM单元电路实现1

1.3模拟设计原理图输入3

1.3.1环境配置3

1.3.2建立设计库4

1.3.3电路原理图输入5

1.3.4创建symbol6

1.3.5创建仿真电路图6

1.4SRAM单元电路性能指标分析7

2电路仿真与分析9

3电路版图设计11

3.1建立pCell库版图11

3.2pCell库器件参数化13

3.3器件板图绘制16

4物理验证19

4.1设计规则检查DRC19

4.2LVS检查20

结论23

参考文献24

1电路设计

1.1电路分析

根据SRAM单元电路的工作原理，1bit的SRAM单元电路的核心电路为一个D触发器，D触发器是由两个PMOS管，四个NMOS管构成；

其中字线WL作为控制端，位线bit作为输入端口。

由于题目要求三态输出，故需要在D触发器输出上接一个CMOS三态反相器，该CMOS三态反相器有两个PMOS管和两个NMOS管串联而成；

该CMOS三态反相器的使能端由一个接在CMOS反相器上的的输入EN及其输出~EN分别接在三态反相器的相应位置，该CMOS三态反相器的输出作为总的输出[1]。

1.2SRAM单元电路实现

三态输出的SRAM单元电路可分为三部分：

D触发器，CMOS三态反相器，CMOS反相器。

（1）D触发器

D触发器是由两对儿互补的CMOS并联而成，两侧各接一个NMOS管以字线WL

连接这两个NMOS的栅极，其中一个NMOS与位线相连作为输入，另一个NMOS管的一侧作为D触发器的输出与下面的CMOS三态反相器的输入端相连，具体电路如图1.1所示。

（2）CMOS三态反相器

该CMOS三态反相器有两个PMOS管和两个NMOS管串联而成；

该CMOS三态反相器的使能端由一个接在CMOS反相器上的的输入EN及其输出~EN分别接在三态反相器的相应位置，该CMOS三态反相器的输出作为总的输出。

具体电路如图1.2所示。

（3）CMOS反相器

CMOS反相器由一个NMOS和一个PMOS串联而成，使能端EN与两个管的栅极相连，反相器的输出与三态反相器的相应位置相连，具体电路如图1.3所示。

图1.1D触发器电路图

图1.2CMOS三态反相器电路图

图1.3CMOS反相器电路图

1.3模拟设计原理图输入

根据芯片的功能要求与性能指标，选择合适的集成电路工艺库，使用电路图编辑工具绘制电图。

1.3.1环境配置

使用Cadence，必须在自己的计算机上作一些相应的设置，这些设置包括很多方面。

作为初学者，只需进行以下几项设置[2]：

1）.cshrc文件设置：

.cshrc文件是用户启动LINUX的配置文件，指定LINUX系统和EDA工具软件的环境变量，以及LINUX、EDA工具软件和Licence文件所在的路径。

.cshrc必须放在用户的home（家目录）下。

2）.cds.lib文件设置：

.cds.lib文件是Cadence的库管理文件，通常存放在启动目录下。

icfb&

启动时，会自动将启动目录下的.cds.lib文件载入。

对于初次使用Cadence的用户，Cadence会在用户的启动目录下生成一个.cds.lib文件，用户通过CIW生成一个库时，Cadence会自动将其加入启动目录下的.cds.lib文件中。

如果用户需要加入自己的库，则可以修改自己的库管理文件.cds.lib。

3）.cdsenv文件设置：

.cdsenv文件包含了Cadence软件的一些初始设置。

4）.cdsinit文件设置：

与.cdsenv一样，.cdsinit中也包含了Cadence软件的一些初始化设置，在icfb&

启动时，会首先自动调用.cdsinit文件和.cdsenv文件并执行其中的语言。

若仅为初学者，可以不编写这两个文件，Cadence会自动调用隐含的设置。

.cdsenv和.cdsinit这二个文件可存在于ic5141平台的安装目录、用户目录和启动目录下。

启动时，优先载入的次序是启动目录、用户目录和IC5141安装目录。

5）工艺文件（technologyfile）设计：

本设计版图会用到工艺库gpdk180_v3.2，务必保证工艺库的添加。

6）显示文件设置：

显示文件文件控制Cadence工具的显示，一般位于工作目录下。

环境配置主要包括添加工作目录和环境参量的设置。

IC5141的启动经过上述准备，在工作目录下键入icfb&

IC，IC514界面即可启动。

1.3.2建立设计库

无论画电路图还是设计版图，都和建库有关，技术文件库对于IC设计而言是非常重要的，其中包含了很多设计中所必需的信息。

对于版图设计者而言，技术库就显得更为重要了。

要生成技术文件库，必须先编写技术文件。

技术文件主要包括层的定义，符号化器件的定义，层、物理以及电学规则和一些针对特定的Cadence工具的规则的定义，例如自动布局布线的一些规则，版图转换成GDSII文件时所用到的层号定义。

在ic5141中，设计的管理以库的方式进行。

库管理器中包含有设计使用的工艺库和ic5141软件提供的一些元件库，如analogLib，basic等。

用户在工作过程中建立的库也放在库管理器中。

所需要的库添加完成以后就可以进行电路原理图的绘制了[3]。

1）CIW界面点击File菜单，出现下拉菜单，选命令→New→Library，出现“NewLibrary”对话框。

2）在对话框Library的Name项中输入新库名mylib。

在TechnologyFile项中提示：

“如果要在这个库中建立掩模版图或其他物理数据，需要技术文件”若只要用电路图或HDL数据，则不需要技术文件。

由于新建库后面还将用于版图绘制，选第二个选项，即“Attachtoanexistingtechfile”，单击“OK“按钮，选择工艺库gpdk180。

下面可以进行电路原理图绘制了。

1.3.3电路原理图输入

电路图编辑界面中，主要有三个区域：

菜单栏，工具栏和电路图绘图区域。

这些工具栏可以画出需要的电路图[4]。

下来就可以开始画电路原理图，具体过程如下：

1）建立设计原理图：

在CIW中选菜单项File→New→Cellview,出现“Create

→NewFile”对话框，填写、选择相应的选项，点击OK按钮，进入原理图编辑器virtuososchematiceditor界面。

2）例化并添加器件：

在原理图编辑器中选择菜单项Add→nstance，出现添加器件对话框点击Browse按钮，进入器件选择对话框，选中相应的pmos和nmos器件的和后，点击close按钮关闭该librarybrowser对话框。

随后出现pmos和nmos器件参数表，按照设计要求添上相应的参数。

点击Hide按钮，在原理图编辑器中出现随鼠标移动的pmos和nmos管的symbol，放置到相应的位置即可。

按同样的方法找到Cap和其他相应器件的放置窗口，填入参数值，然后完成放置。

3）放置输入输出端口。

从电路图编辑窗口菜单中，选择“Add”->

“Pin”或点击工具栏中的放置端口或用快捷键P，填好端口名（IN和OUT），并使之与端口方向（分别为input和output）的选项一致，即可完成输入输出端口的放置。

到此我们已经完成了电路图里的所有元件的放置，剩下的就是元件的合理安排放置和元件之间的连线了。

4）连线。

从电路图编辑窗口菜单中，选择 

“Add”->

”Wire（narrow）”或点击工具栏中的放置细线或用快捷键w，便可以将已经放置好的元件连接起来。

5）检查与保存。

选择“Design”->

“CheckandSave”，如果电路图有绘制问题，会报告出错。

至此我们就完成了整体电路图绘制。

整体原理图如下所示：

图1.4SRAM单元电路原理图

1.3.4创建symbol

完成原理图之后，为便于进行仿真，需要进行symbol的创建。

（1）生成符号图：

在原理图编辑窗口，点击菜单项Design→CreateCellview→FromCellview，出现symbol生成选项表，点击OK按钮出现图下部分。

在的表项中只采用默认值，直接点击OK按钮，即可看到symbol编辑窗口。

1.3.5创建仿真电路图

完成电路原理图的输入之后，为了对设计进行仿真和性能分析，需要建立一个仿真平台，将电源、各种激励信号输入待测的电路inv，然后采用仿真器进行分析。

在命令解释器窗口CIW中选菜单项File→New→Cellview,出现“CreateNewFile”对话框，填写、选择相应的选项，点击OK按钮，进入原理图编辑器virtuososchematiceditor界面。

（同前述电路原理图输入时的操作一样）。

在原理图编辑器中选择菜单项Add→Instance（或者按快捷键i，或者点击编辑器左侧的工具栏Instance按钮均可）。

3）器件互联：

连线这里不详述，操作同电路原理图输入。

最后得到的仿真电路图如下图所示一致。

图1.5SRAM单元电路图

1.4SRAM单元电路性能指标分析

（1）存储容量

这里指的是存储器芯片的存储容量，其表示方式一般为：

芯片的存储单元数*每个存储单元的位数。

本设计采用的是1bit存储，故其容量为1*1bit，即它有1个单元，每个单元存储1bit（一个字节）数据。

（2）存取时间

存取时间就是存取芯片中某一个单元的数据所需要的时间。

当拿到一块存储器芯片的时候，可以从其手册上得到它的存取时间，CPU在读/写RAM时，它提供给RAM芯片的读/写时间必须必RAM芯片所要求的存取时间长，如果不能满足这一点，则微型机无法正常工作。

本设计采取的读/写时间为0.2ns。

（3）可靠性

微型计算机要正确的运行，必须要求存储器系统具有很高的可靠性，因为内存的任何错误都可能使计算机无法工作。

而存储器的可靠性直接与构成它的芯片有关。

目前所用的半导体存储器芯片的平均故障时间间隔（MTBF）大概为5*106~1*108小时。

2电路仿真与分析

对于ic5141模拟设计环境ADE来说，默认的仿真器是spectre，这里直接采用spectre对设计进行仿真和分析。

（1）启动模拟设计环境ADE（AnalogDesignEnvironment）：

选择菜单项Tools→AnalogEnvironment，随即启动ADE。

我们的电路仿真与分析就要在该平台下进行。

启动ADE之后，就要进行仿真与分析的设置。

注意到窗口左侧Design条目下的相关内容（Library、Cell、View），因为是在ivnTest编辑窗口启动的ADE，因此这些内容正是需要仿真分析的，这里不做改变[5]。

（2）添加模型与仿真文件：

选择菜单项Setup→ModelLibraries，进入ModelSetupLibrary窗口。

然后点击右下角的Browse…按钮，进入模型库的选择。

点击OK按钮选中模型文件gpdk.scs，窗口回到ModelLibrarySetup界面。

在Section（opt）下的框中填入stat，点击Add按钮添加模型文件。

最后点击OK选中模型文件并退出。

（3）设置分析类型：

根据不同的需要，可以对电路进行不同类型的分析。

在此我们选择瞬态（transient）分析。

在ADE界面中，选择菜单项Analyses→Choose，选择仿真参数和类型，这里选择最简单的瞬态分析Trans，分析时间相对于激励适当即可。

（4）信号分析输出捕捉：

这里选择需要查看的信号。

在ADE界面中，选择菜单项Output→Tobeplotted→SelectOnSchematic，此时invTest的原理图窗口变成活跃的，直接用鼠标点击需要查看的信号即可。

电路图中选择连线会在输出中添加该线的电压；

选择一个器件的端口则会添加这个端口的电流作为输出；

直接选择一个器件则会把该器件的所有端口电流都加以输出。

这里选择inv的输入和输出信号线，可以看见这两个信号线的颜色发生了变化，表示被选中。

（5）选择菜单项Simulation→Netlistandrun（或相应工具栏按钮），运行仿真，直接点击OK关闭弹出的欢迎页（Welcometospectre）。

随即出现仿真文字输出和波形输出。

波形图如下所示：

图2.1SRAM单元电路输出波形

3电路版图设计

本课程设计采用工具软件为cadence平台ic5.1.41，主要为Virtuoso，用于原理图、版图输入，DIVA本示例的过程是这样的：

首先建立一个基本器件版图库，再将器件加上参数，使之成为参数化单元库（ParameterizedCell）。

然后在参数化器件基础上，绘制设计的版图（称之为层次化）。

最后对设计版图进行版图提取、DRC/LVS验证。

3.1建立pCell库版图

软件工具启动后，关闭“what’snew”窗口，新建参数化器件库pCell。

在CIW（CommandInterpreterWindow）界面选择菜单项File→New→Library。

1）完成建库后就可以在该设计库pCell中设计器件。

在CIW界面选择菜单项File→NewCellview，弹出窗口，按照要求填写与选择，点击按钮OK完成mypmos器件文件创建。

随后出现的界面就是版图编辑器窗口。

2）N阱绘制：

回到编辑窗口中，选择菜单项Create→Rectangle（或工具栏Rectangle，或快捷键r），直接点击Hide按钮隐藏弹出窗口。

在编辑窗口移动鼠标，查看窗口菜单项上方的坐标显示，在位置（0，0））单击鼠标，向右上方拉伸至（2.78，1.6）再次单击，完成N阱绘制。

当点击位置不正确时，可以采用键盘中的退格（Backspace）键取消当前点击位置，且可连续取消。

绘制完成后，按键盘中的退出（Esc）键退出绘制Rectangle的命令。

3）在LSW界面点击下方Nimp条形栏，选中Nimp作为当前绘图层。

回到编辑窗口中，仍采用Rectangle形状绘制，点击起点（0.3，0.3），拉伸至（1.0，1.3）点击完成绘制。

4）同样方法绘制Pimp，选中LSW图层后，在编辑窗口点击起点（1.0，0.3），拉伸至（2.48，1.3）点击完成绘制。

完成注入区（Nimp、Pimp）的绘制

5）然后要进行Poly层制作。

在LSW窗口选中Poly，回到编辑窗口中，选择菜单项Create→Path（或工具栏Path，或快捷键p），出现弹出窗口，宽度Width项填入0.18，即可进行Poly的绘制。

最后应该注意的是，Oxide的起点坐标为（0.5，0.5），终点坐标为（2.28，1.1）；

两处Metal1，左侧为（0.6，0.6）à

（1.4，1.0），右侧为（1.78，0.6）à

（2.18，1.0）；

三处Cont的起讫点，左侧（0.7，0.7）à

（0.9，0.9）、中间（1.1，0.7）à

（1.3，0.9）、右侧（1.88，0.7）2.08，0.9）。

最后得到完整的PMOS绘图如下图所示：

图3.1PMOS单元版图

在版图编辑窗口，选中菜单项Designà

SaveAs…，将当前设计mypmos的PMOS版图另存于同一库中，并命名mynmos。

然后选中菜单项Windowà

Close，关闭mypmos。

再在CIW窗口选中菜单项File→Open，以编辑方式打开mynmos版图。

（1.58，0.4）à

（1.78，0.6）在版图编辑器中，删去mynmos的Nwell图层；

在保持几何尺寸不变的条件下，将原来Pimp图层改成Nimp，将原来Nimp改为Pimp；

其余的图层保持不变。

这样就得到了一个NMOS的版图，如下图所示：

图3.2NMOS单元版图

3.2pCell库器件参数化

（1）为长度length和宽度width设置参数：

这里对MOS器件所设的参数为管子长度length和宽度width。

首先在CIW中选菜单项File→Open，以编辑方式打开mypmos版图，开始进行参数设置。

在版图编辑器窗口，选菜单项Tools→Pcell，则在编辑器中多出一菜单项Pcell。

先进行宽度参数设定。

选菜单项Pcell→StretchinY…启动命令，然后移动鼠标在点（-0.15，0.8）附近单击一下，会看到一条以单击点为起点的水平直线，向右拉伸，穿过三个cont，在点（3，0.8）附近双击鼠标（仍可用Backspace取消前一单击点），出现弹出Y向拉伸参数窗口，并参照图示填写、选择相关内容，点击按钮OK完成设定。

（2）编译：

设定width参数后，要进行编译：

Pcell→Compile→ToPcell，在弹出窗口中选择transistor，并按钮OK完成设置（只在第一次编译中出现）。

编译完后就要实际验证一下。

在CIW窗口，选择菜单Fileà

Newà

Cellview，任意命名一个cell（单元），比如pcellTest，主要用来测试刚刚编译过的pcell。

在pcellTest的版图编辑界面，例化pCell库中的pmos版图，可见width参数项。

对参数width分别给以不同的数值，这里是0.6和1.2，查看例化结果，从下图3.3width参数变化见cont的尺寸发生变化，这是不希望的。

图3.3不同参数导致cont尺寸变化

尺寸问题的变化是这样解决的，在mypmos版图编辑界面，执行菜单命令Pcell→Repetition→RepeatinY…，然后在窗口中用鼠标分别单击三个cont，三个cont随即高亮表示被选中。

若有别的图层被选中，可按住键盘的Ctrl键再在多余的图层单击鼠标左键即可。

单击选中三个cont之后按键盘Enter键，或者选中最后一个cont时双击鼠标，就会出现如下图所示的表单项。

完成这个参数设置之后点击OK按钮。

先编译，再查看总结。

图3.4Y向重复选项参数

同样要进行例化验证，将参数width分别设为默认值和1。

至此，参数width设置完成，下面来进行参数length的设置。

在版图编辑窗口，执行菜单命令Pcell→StretchinX…，移动鼠标至点（1.59，1.8）附近单击，垂直垂直拉伸至点（1.59，-0.2）附近双击，会有弹出窗口。

图3.5X向伸展和length参数设置

照上图填写、选择之后按OK键。

然后进行编译、查看参数总结。

图3.6参数总结

下图是将参数length分别设为默认值和0.36的例化结果。

图3.7length参数例化验证

PMOS管的两个参数width和length已经设置完成，可以正常使用了。

更复杂得参数化单元参见联机帮助文档。

和PMOS的参数化一样，NMOS做法步骤完全一样。

至此，pCell库中的两个单元（cell）pmos和nmos版图已经参数化完成，拥有长度length和宽度width两个参数，并且cont在宽度方向上随width参数改变

而重复，这些在设计中都可以直接使用。

注意在今后的设计当中，应尽量使用

厂商提供的pdk中的参数化器件。

下面就利用pCell库中的参数化单元进行电路版图制。

3.3器件板图绘制

要求为设计单独建一个库，例示中命名为mylib。

操作同前述所有的建库操作一样。

在设计库mylib中创建cell，使用菜单命令File→New→Cellview，弹出如下窗口，填写、选择完成点击OK按钮，进入名为sub单元（cell）的版图编辑界面。

1）PMOS和NMOS的例化：

在版图编辑界面中，直接按下键盘中i键，弹出例化cell的窗口，如下图填写、选择，完成例化PMOS单元。

图3.8PMOS的表单与摆放

当点击Hide按钮后，CreateInstance窗口消失，在版图编辑窗口出现一个随鼠标移动的PMOS管。

同样例化一个NMOS管，见下图3.9。

图3.9NMOS的表单与摆放

2）整体版图构思：

完成PMOS管和NMOS管的例化以后，就可以按照我自己设计的电路版图要求进行绘制。

首先应把例化好的PMOS管和NMOS管放到编辑窗口界面，由于我的整个设计需要12个管子，其中包括5个PMOS管和7个NMOS，整个电路版图可以由一个D触发器，一个CMOS三态反相器，一个CMOS反相器构成。

3）CMOS反相器版图的绘制：

反相器由一个PMOS管和NMOS管构成，先摆放PMOS管和NMOS，然后主要采用Metal1和Poly进行连接，接口pin用Metal1连接出来。

其中电源、地线、输出的漏极直接采用Metal1连接就可以了，输入的连接需要在Poly上做一个cont，再通过Metal1。

绘图的最后一步是添加pin，也就是在版图上相应的位置加标识。

4）D触发器版图的绘制：

一个D触发器由两个PMOS管和四个NMOS管构成，和绘制反相器一样先摆放PMOS管和NMOS，然后主要采用Metal1和Poly进行连接，接口pin用Metal1连接出来。

5）CMOS三态反相器版图的绘制：

一个CMOS三态反相器由两个PMOS管和两个NMOS管构成，和绘制反相器一样先摆放PMOS管和NMOS，然后主要采用Metal1和Poly进行连接，接口pin用Metal1连接出来。