全定制设计共源共栅放大器文档格式.docx
《全定制设计共源共栅放大器文档格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《全定制设计共源共栅放大器文档格式.docx(12页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
第13-14天:
物理验证、后仿真,修改设计(验收物理验证结果和时序仿真结果);
第15天:
整理设计资料,验收合格后进行答辩。
摘要
由于共源共栅放大器把电压信号转换为电流信号,而共栅放大器的输入信号可以为电压信号也可以为电流信号,如果将共源放大器输出的电流信号作为共栅放大器的输入,则构成了共源放大电路与共栅放大器的级联,即成级联放大器或共源共栅放大器,此结构放大器件与级联器件属于同一性质,可称为伸缩式级联。
本次课程设计利用全定制设计流程完成了一个共源共栅放大器,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。
设计流程(全定制)步骤包括以下内容,设计输入(Composer、ICStudio/DesignArchitecture、Sedit、ViewDraw)等,产生SPICE网表,模拟设计环境;
设计验证(Hspice、Spectre、Eido、SmartSpice)等;
版图编辑(Virtuso、ICStation、Ledit、Laker、CosmosLE)等包括各个Foundry的PDK;
关于版图验证则需要的是DRC/ERC/LVS/LPE(Dracula/Diva/Asura、Calibre、Herculus、Tanner、Laker等;
后仿真Tapeout。
关键字:
virtuososchematiceditor;
designframeworkII;
全定制;
目录
摘要3
1绪论5
1.1设计背景5
1.2设计目标5
2共源共栅放大器设计5
2.1创建设计库5
2.2电容设计6
2.3原理图设计6
2.4仿真电路设计8
2.5仿真波形.9
3版图编辑与物理验证11
3.1电容版图设计11
3.2版图编辑12
3.3DRC检查13
3.4LVS检查14
4总结16
参考文献17
1绪论
1.1设计背景
本次共源共栅放大器设计采用全定制设计平台cadence公司的IC5141。
IC5141工具主要包括集成平台designframeworkII、原理图编辑工具virtuososchematiceditor、仿真工具、版图编辑工具virtuosolayouteditor、以及物理验证工具diva等等。
接下来我们着重介绍原理图编辑工具tanner和集成于ADE(AnalogDesignEnvironment)的仿真工具spectre。
这里以cadence.3.2版的180nmpdk为例简单介绍工具的配置与使用,以便于我们可以了解并熟练的掌握相关知识,并合理的完成设计目标。
1.2设计目标
2共源共栅放大器设计
2.1创建设计库
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。
无论画电路图还是设计版图,都和建库有关,建电路图库的步骤如下。
(1)CIW界面点击File菜单,出现下拉菜单,选命令FileNewLibrary,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。
(3)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,点击“OK“按钮完成新库的建立。
2.2电容设计
本次设计的电路仿真是在Linux环境下,使用cadence公司IC5141的原理图编辑工具virtuososchematiceditor进行仿真的,采用的是工艺库gpdk180工艺。
根据设计要求,为了满足负载10PF电容和AV=60,我们选择多晶硅电容作为负载电容。
经计算可得,NMOS管内电容Cp=300pF。
由公式,容抗R=1/2πFC,W=2πF,gm=wc=2wCp,Av=gmR,经过计算得出,本次设计NMOS管内电容Cp=300PF。
求容抗时,可以考虑选定频率F=20MHZ。
2.3原理图设计
由于共栅共源放大器把电压信号转换为电流信号(该电流信号在负载上产生输出电压),而共栅放大器的输入信号可以为电压信号也可以为电流信号(电压信号可以转换成相应的电流信号),如果将共栅共源放大器输出的电流信号作为共栅共源的输入,则构成了共源放大电路与共栅放大电路的级联,即称级联放大器或共源共栅放大器。
M1产生正比于Vi的小信号漏电流并经M2流过R,M1为放大器件(也称为输入器件),M2为级联器件,且M1与M2具有相同的电流。
此类结构放大器与级联器件属于同一性质(即同为NMOS或同为PMOS),可称为伸缩式级联。
设计库建好后,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FileNewCellview,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。
(2)例化并添加器件:
在原理图编辑器中选择菜单项AddInstance(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),正确填写相关参数后,点击Hide按钮,在原理图编辑器中出现随鼠标移动的管子的symbol,放置到相应的位置即可。
然后依次添加所有器件管子模型。
(3)器件互联:
连线有粗、细之分,粗线一般用来表示总线,普通的连线一般都用细线。
选择菜单项AddWire(narrow),(点击工具栏或者快捷键i均可),弹出窗口直接按Hide键隐藏,进行器件连接。
(4)完成连线后直接添加pin完成原理图输入。
选择菜单项Addpin(或者快捷键p或者工具栏pin均可),弹出pin选项表,先添加输入管脚,再添加输出。
最后得到原理图如下图2.1所示,选择菜单项DesignCheckandSave(shift-x)。
图2.1共栅共源放大器原理图
2.4仿真电路设计
(1)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。
在原理图编辑窗口,点击菜单项DesignCreateCellviewFromCellview,出现symbol生成选项表,按要求填写完相关参数后,点击OK按钮,symbol创建完成。
(2)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。
1、建立设计原理图:
在命令解释器窗口CIW中选菜单项FileNewCellview,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)。
2、例化并添加器件:
在原理图编辑器中选择菜单项AddInstance(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),正确填写相关参数,并依次添加各个器件。
3、器件互联:
最后得到的仿真电路图如图2.2所示,择菜单项DesignCheckandSav(shift-x)。
图2.2共源共栅放大器仿真电路图
2.5仿真波形
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):
在窗口中选择菜单项ToolsAnalogEnvironment,随即启动ADE。
(2)添加模型与仿真文件:
在窗口界面中,选择菜单项SetupModelLibraries,进入ModelSetupLibrary,然后点击右下角的Browse按钮,选择模型文件后缀为.scs。
在Section(opt)下的框中填入stat类型中填写NN,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。
选定模型后,还需要设置仿真文件。
选择菜单项SetupSimulationFiles,弹出的窗口中填入仿真文件的路径,点击OK完成设置。
(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ADE界面中,选择菜单项AnalysesChoose,选择仿真参数和类型,点击OK按钮完成设置回到ADE界面。
(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OutputTobeplottedSelectOnSchematic,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。
(5)运行仿真与波形查看:
选中信号后回到ADE窗口,此时的窗口内容如下图2.3所示。
图2.3完成设置的ADE窗口
在图2.3中,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。
如果电路没有修改,也可以直接选择Simulation→Run。
如果没有需要的输出结果,可以在输出窗口和CIW窗口中都看到输出信息,分析错误类型。
仿真结果如图2.4所示。
图2.4波形仿真图
由图2.4可以看出,增益Av=60,满足设计要求,电路仿真通过。
3版图编辑与物理验证
本例程采用工具软件为cadence平台ic5.1.41,主要为Virtuoso®
,用于原理图、版图输入,DIVA®
用于提取、DRC、LVS。
操作系统为RedHatEnterpriseLinuxAS4。
设计库采用cadence公司的GenericProcessDesignKitgpdk180,版本为3.2;
库中已经包含模型文件和各种工艺与规则文件。
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。
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。
需要注意的是,gpdk180库中所有底层的基本器件,包括mos管、电阻、电容等都是参数化的,而且目前厂家的工艺库大多以pdk的形式提供,基本器件都是参数化的,绘制版图时不需要绘制底层版图。
3.1电容版图设计
本次设计需要一个10PF电容。
我们选择W=0.18um,综上所述得出L=5.5cm。
3.2版图编辑
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,相应窗口和内容如图3.1所示。
选中“Attachtoanexistingtechfile”项,点击按钮OK。
图3.1建立设计库
然后进行版图编辑,所有设计规则严格按照要求设计。
(1)NMOS器版图绘制:
先绘制一个NMOS管版图,按照Pimp,Nimp,Oxide,Metall,Poly,Cout的顺序,将事先设计好的条形框尺寸进行绘图。
注意在编辑窗口绘制不同图层时需要在LSW界面选择所需要的条形栏,然后再回到编辑窗口,选择相应的条形栏后进行绘制。
当然一个NMOS管版图绘制成功后,我们再添加一个一样的NMOS管版图,因为此次设计需要2个相同的NMOS管。
(2)电容版图添加:
按照电容版图设计的要求进行设计即可。
(3)连线:
采用Metal1和Poly进行连线,接口pin用Metal1连接出来。
其中电源、地线、输入、输出的漏极直接采用Metal1连接就可以了;
Poly的连接需要在Poly上做一个cont,再通过Metal1。
如某些金属线进行连接时出现了重叠,则需要采用不同的金属线(Metal2等)进行连接,以免造成设计线路的混乱。
(4)添加pin:
就是在版图上相应的位置加标识。
这里共有五个接口pin:
输入信号Vi、输出信号Vo、电源vdd!
和vdc!
、地gnd!
,,而这五个pin的I/O类型是不同的,在进行添加时一定要注意不同接口所需要选择的类型。
如下图所示:
图3.2共源共栅放大器版图
3.3DRC检查
设计规则是集成电路版图各种几何图形尺寸的规范,DRC是在产生掩模图形之前,按照设计规则对版图几何图形的宽度、间距及层与层之间的相对位置等进行检查,以确保设计的版图没有违反预定的设计规则,能在特定的集成电路制造工艺下流片成功,并且具有较高的成品率。
不同的集成电路工艺都具有与之对应的设计规则,因此设计规则检查与集成电路的工艺有关。
在版图编辑界面,执行菜单命令VerifyDRC,启动DIVA,弹出DRC窗口。
点击OK按钮,运行DRC,结果在CIW中显示。
若出现错误,则在版图中错误的地方会高亮显示。
然后我们将查看CIW中的错误提示,并回到版图编辑窗口进行修改,直到DRC通过,CIW中显示没有错误,CIW显示报告如图3.2所示。
图3.3CIW显示报告图
3.4LVS检查
LVS有好几个对比的对象,但通常是指版图的提取与电路原理图之间的对比,因此这两个文件是一定要具备。
首先进行版图的提取。
在inv单元版图编辑窗口执行菜单命令VerifyExtract命令进行版图提取,直接点击OK按钮就可以完成提取,保存在当前库。
留意CIW中的提取提示。
为避免版图之间混淆,可以关闭inv单元版图编辑窗口,然后再在CIW窗口打开提取的版图。
FileOpen…,出现如图3.3所示的窗口,打开提取的版图进行LVS检查。
图3.4打开提取版图
原理图就是前面仿真的电路图一并打开。
在提取的版图窗口执行菜单命令VerifyLVS…,出现如图3.4界面。
图3.5LVS表项
在schematic或extracted项下可以采用browse按钮选择对应的单元和视图,或者点击各自对应的按钮“SelbyCursor”,然后再去点击相应的scematic或者extracted版图窗口,就会发现相应的空格位置已经填上正确的内容。
点击Run按钮运行LVS检查,弹出提示信息如图3.5所示,点击Close即可。
图3.6LVS结束提示
总结
本次课程设计中我了解到了全定制设计的流程,分别为:
原理图设计、电路仿真、单元版图设计、整体版图设计、物理验证等。
而全定制设计流程和半定制IC设计流程相比,全定制设计缺少“综合(synthesis)、布局布线(placeandroute)”等步,说明全定制设计不可能或者很困难实现综合和自动布局布线。
在本次课程设计的过程中,我了解到全定制设计的电路是一些规模比较小,需要非常好的性能,并且重复利用率很高的“关键电路模块”,很多是模拟电路,或数模混合电路。
但是全定制IC设计不等于模拟电路设计,尽管该设计中一般模拟成份很高,有些数字电路也采用这种方式设计,这类电路往往需要很高的性能(高速、低功耗或高信噪比、低芯片面积等),采用传统的数字电路的“综合”得出来的电路达不到要求,所以也得用全定制的方案。
参考文献
[1]宋焕明著.模拟集成电路.北京:
机械工业出版社,2009.
[2]江国强.EDA技术与应用[M].北京:
电子工业出版社,2012.
[3]王志功著.CMOS模拟集成电路设计.北京:
电子工业出版社,2005.
[4]拉扎维.模拟CMOS集成电路设计[M].西安:
西安交通大学出版社,2003.
[5]AlanHastings著.模拟电路版图的艺术(第二版).北京:
电子工业出版社,2013.