厉秉庭课程设计.docx
《厉秉庭课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《厉秉庭课程设计.docx（26页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
厉秉庭课程设计
摘要
镜像电流源是一种能够提供稳定电流的电源器件。
主要用于有源负载，也可以利用其对电路中的工作点进行偏置，以使电路中的各个晶体管有稳定、正确的工作点。
在理想状态下其工作电流大小不会受到外接负载的阻抗大小的影响。
也不会受到周围环境温度、压力、湿度等条件影响。
但实际电流源会受到一些因素影响而造成非理想。
为了研究电流源特性，我们利用Hspice对威尔森电流镜进行仿真讨论其特性，并仿真改进型电路得出结论。
Tanner集成电路设计软件是由TannerResearch公司开发的基于Windows平台的用于集成电路设计的工具软件。
根据异或门电路的设计及指标要求，设计电路结构及整体原理图，然后利用Tspice对其进行功能仿真，最后完成版图设计。
本部分将完成设计规范文档、原理图输入、功能仿真任务、单元版图、整体版图、物理验证等。
关键词：
Hspice；Tanner；
目录
引言1
第一部分HSPICE仿真2
1威尔森电流镜2
1.1设计原理2
1.2电路图2
1.3程序代码3
1.4仿真结果4
2修整型威尔森电流镜6
2.1设计原理6
2.2电路图7
2.3程序代码7
2.4仿真结果9
第二部分版图设计13
3由门电路构成的两输入异或门版图设计13
3.1原理图输入13
3.2电路仿真15
3.3版图设计17
3.4LVS20
总结22
参考文献23
引言
我们处在信息时代，我们生活时时刻刻都离不开集成芯片，微电子器件与集成电路被广泛地应用于各行各业，而今产业发展的基础性支撑依靠的是设计和制造，从某种方面也决定了一个国家的现代化发展水平。
SPICE（SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis）是由美国加州大学推出的电路分析仿真软件，是20世纪80年代全球应用最广的电路设计软件，并于1998年被定为美国国家标准。
1984年，美国MicroSim公司推出了基于SPICE的微机版PSPICE（Personal-SPICE）。
现在用得较多的是PSPICE6.2，工作于Windows环境。
可以说在同类产品中，它是功能最为强大的模拟和数字电路混合仿真EDA软件，在国内普遍使用。
整个软件由原理图编辑、电路仿真、激励编辑、元器件库编辑、波形图等几个部分组成，使用时是一个整体，但各部分有不同的窗口。
无论对哪种器件哪些电路进行仿真，包括IGBT、脉宽调制电路、模/数转换、数/模转换等，都可以得到精确的仿真结果。
Tanner集成电路设计软件是由TannerResearch公司开发的基于Windows平台的用于集成电路设计的工具软件。
该软件包括S-Edit、T-Spice、W-Edit、L-edit与LVS，功能十分强大，易学易用，实现电路分析、分析模拟到电路布局等。
第一部分HSPICE仿真
1威尔森电流镜
1.1设计原理
在MOS模拟集成电路中，MOS电流源电路用做有源负载和偏置电路，给电路中各个MOS管以稳定正确工作点；同时还可作为双端变单端转换电路。
MOS电流源电路是MOS集成运放和其他模拟集成电路不可缺少的基本单元电路。
我们利用共源共栅来设计镜像电流源，威尔逊电流源电路利用电流负反馈原理来进一步提高镜像输出电流的温度稳定性和增大动态输出电阻。
1.2电路图
本实验的电路原理图如图1.1所示：
图1.1威尔森电流镜原理图
1.3程序代码
本实验的SPICE代码如下：
*WILSONCURRENTMIRRORS
.OPTIONSLISTPOST=2
*
M12100MNW=20uL=2u
M21100MNW=20uL=2u
M34210MNW=20uL=2u
*
.MODELMNNMOS（LEVEL=1KP=40uGMMMA=0.5
+PHI=0.6VTO=1LAMBDA=0.02）
*
IDC320
*
VDD1305
VDD400
*
.DCVDD0100.1IDC1m2m1m
.PINTDCI（MI）I（M3）
*
.END
将程序载入hspui如图1.2所示，然后进行仿真。
图1.2程序代码载入
1.4仿真结果
节点1、2、4仿真电压值如图1.3、图1.4、图1.5所示。
图1.3节点1电压仿真结果
图1.4节点2电压仿真结果
图1.5节点4电压仿真结果
当Idc为1mA和2mA时I（M1）和I（M2）的仿真结果为图1.6所示。
图1.6I（M1）与I（M2）仿真结果
由上图和.LIS输出成可得到表1.1所示。
分析
Idc=1.0000mA
Idc=2.0000mA
.LIS
输出程
volt
current
current
volt
current
current
VDD
M1
M2
VDD
M1
M2
5.50000
1.0000m
935.0814u
5.50000
2.0000m
1.8227m
5.60000
1.0000m
935.1139u
5.60000
2.0000m
1.8261m
5.70000
1.0000m
935.1463u
5.70000
2.0000m
1.8291m
5.80000
1.0000m
935.1786u
5.80000
2.0000m
1.8316m
5.90000
1.0000m
935.2108u
5.90000
2.0000m
1.8337m
6.00000
1.0000m
935.2430u
6.00000
2.0000m
1.8355m
表1.1文件.LIS输出程数据表
由上图和表我们可以求出直流电阻与动态电阻。
当Idc=1.0000mA时直流电阻为VDD/Id（M4）=6.0V/935.2430uA=6.42kres
动态电阻为△VDD/△Id（M3）=（6.0-5.8）V/（935.2430-935.1786）uA=3.11Mres
当Idc=2.0000mA时直流电阻为VDD/Id（M4）=6.0V/1.8355uA=3.27kres
动态电阻为△VDD/△Id（M3）=（6.0-5.8）V/（1.8355-1.8316）mA=51.28Mres
由图1.6可以看出当电压源电压大于5V时逐渐实现电流镜状态。
2修整型威尔森电流镜
2.1设计原理
由于威尔森电流镜的缺点VDS1=VDS2+VGS3>VDS2则Q1有较强的通道长度调变效应，故Io/Idc比值将不同于Q1与Q2之外型比值，让设计的Io值发生误差。
修正型威尔森电流镜的改善方法为在Q1上串接一晶体管Q4，如此VDS之间的关系是VDS1+VGS4=VDS2+VGS3，以减缓通道长度调变效应的干扰，并提升Ro值。
由于有两层MOSFET串叠，使得负载的电压变动范围较小，为其缺点。
2.2电路图
本实验的电路原理图如图2.1所示：
图2.1修整型威尔森电流镜
2.3程序代码
本实验的SPICE代码如下
*WILSONCURRENTMIRRORS-1
*
.OPTIONSLISTPOST=2
*
M11200MNW=20uL=2u
M22200MNW=20uL=2u
M34322MNW=20uL=2u
M43311MNW=20uL=2u
*
.MODELMNNMOS（LEVEL=1KP=40uGMMMA=0.5
+PHI=0.6VTO=1LAMBDA=0.02）
*
IDC531m
*
VDD1505V
VDD402V
*
.DCVDD250.1IDC1m2m1m
.PINTDCI（M3）I（M4）
*
.END
将程序载入hspui如图2.2所示，然后进行仿真。
图2.2程序代码载入
2.4仿真结果
节点1、2、3、4仿真电压值如图2.3、图2.4、图2.5、图2.6所示。
图2.3节点1电压仿真结果
图2.4节点2电压仿真结果
图2.5节点3电压仿真结果
图2.6节点4电压仿真结果
当Idc为1mA和2mA时I（M3）和I（M4）的仿真结果为图2.7所示。
图2.7I（M3）与I（M4）仿真结果
由上图和.LIS输出成可得到表2.1所示。
分析
Idc=1.0000mA
Idc=2.0000mA
.LIS
输出程
volt
current
current
volt
current
current
VDD
M1
M2
VDD
M1
M2
5.50000
1.0000m
935.0814u
5.50000
2.0000m
1.8227m
5.60000
1.0000m
935.1139u
5.60000
2.0000m
1.8261m
5.70000
1.0000m
935.1463u
5.70000
2.0000m
1.8291m
5.80000
1.0000m
935.1786u
5.80000
2.0000m
1.8616m
5.90000
1.0000m
935.2108u
5.90000
2.0000m
1.8337m
6.00000
1.0000m
935.2430u
6.00000
2.0000m
1.8355m
表2.1文件.LIS输出程数据表
由上图和表我们可以求出直流电阻与动态电阻。
当Idc=1.0000mA时直流电阻为VDD/Id（M4）=6.0V/935.2430uA=6.42kres
动态电阻为△VDD/△Id（M3）=（6.0-5.8）V/（935.2430-935.1786）uA=3.11Mres
当Idc=2.0000mA时直流电阻为VDD/Id（M4）=6.0V/1.8355uA=3.27kres
动态电阻为△VDD/△Id（M3）=（6.0-5.8）V/（1.8355-1.8316）mA=51.28Mres
由图1.6可以看出当电压源电压大于5V时逐渐实现电流镜状态。
我们比较图1.6与图2.7可发现改善后的威尔森电流镜的其镜像电流值更加逼近理想状态，减少了误差。
比较表2.1与表1.1发现其内容分析值说明其稳定特性相同，改善后没有影响其电阻特性。
第二部分版图设计
3由门电路构成的两输入异或门版图设计
3.1原理图输入
根据题目要求可以采用两个反相器和两个与门一个或门构成异或门电路，且采用CMOS工艺。
S-Edit是电路图编辑环境，在该环境下的电路图文件类型为.sdb,在sedit\library目录下有四个库文件，分别是scmos.sdb,page.sdb,spice.sdb,element.sdb,在编辑电路图时，需将其加载在组件库当中，此外sedit还可以完成spice文件（.sp文件）的自动生成，以便在T-Spice环境下编辑仿真。
S-Edit是以modules为设计单位，一个文件可以包含多个modules。
（1）打开S-Edit程序：
执行..\Tanner\sedit\目录下的sedit.exe文件。
（2）另存新文件：
选择file→saveas命令，打开“另存为”对话框，输入新文件名。
（3）编辑模块：
.sdb文件包含多个模块，每个模块表示一种基本组件或电路，每次新建一个文件，会自动打开一个模块module0。
（4）加载组件库：
要引用sedit中的四个组件库，需选择module→symbolbrowser命令，打开sumbolbrowser对话框，加入library列表中。
（5）引用模块：
编辑同或门，需引用四个组件：
nmos，pmos，vdd，gnd。
（6）编辑反相器：
按住Alt键拖动鼠标,可移动各对象。
注意,MOSFET_N与MOSFET_P选项分别有4个节点,Vdd与Gnd选项分别有一个节点。
注意，在两对象相连接处,各节点上小圆圈消失即代表连接成功。
（7）加入联机:
将10对象排列好后再利用左边的联机按钮,完成各端点的信号连接,注意控制鼠标左键可将联机转向,按鼠标右键可终止联机。
（8）加入输入/输出端口:
选择输入端口按钮,再到工作区用鼠标左键选择要连接的端点,打开EditSelectedPort对话框,在Name文本框输入"X",单击OK按钮,再次选择输入端口命名为“Y”。
再选择输出端口按钮,到工作区用鼠标左键选择要连的端点,在打开的对话框的Name文本框中输入"F",单击OK按钮。
（9）更改模块名称:
要将原来的模块名称Module0换成符合实际电路特性的名称,要选择Module→Rename命令,打开ModuleRename对话框，在其中的Newmodule'sname文本框中输入"XOR",之后单击OK按钮,即可完成异或门模块的
S-Edit设计。
图3.1由门电路构成的两输入异或门逻辑门结构
由逻辑框图我们得到原理图如图3.2所示。
图3.2由门电路构成的两输入异或门电路图
3.2电路仿真
T-Spice是电路模拟与分析工具，在该环境下打开网表文件.sp,输入spice命令，完成仿真。
仿真结果在wedit中打开。
（1）加入工作电源：
将前面编辑的XOR原理图打开，加入组件source_v_dc，在其正相端和负相端分别接vdd和gnd。
（2）加入输入信号：
选择module→symbolbrowser命令，打开symbolbrowser，加载脉冲电压源source_v_pulse，结果如图3.3所示。
图3.3由门电路构成的两输入异或门仿真电路图
（3）输出spice文件：
选择菜单File→Export,设置输出文件路径及文件名点击OK输出.sp文件，如图3.4所示。
图3.4输出spice文件
（4）打开Tspice，打开XOR_tst文件，在其中加入以下Tspice命令：
.include"F:
\tanner\TSpice70\models\ml2_125.md"
.tran2n600n
.printtranv（in1）v（Gnd）v（out）
保存文件，点击Simulate按钮进行仿真。
（5）在wedit中编辑察看tspice仿真结果，其结果如图3.5所示。
图3.5输入输出结果波形图
从图中可以看出，当in1=1，Gnd=0时，Y=1；当in1=0，Gnd=0时，Y=0，符合异或门逻辑关系，达到了预期电路结果。
3.3版图设计
要实现由门电路构成的异或门版图，我们首先要制作单元门电路版图，最后再总体调用门电路版图形成整体版图。
L-Edit是一个布局图的编辑环境,在该环境下可以编辑版图，对版图DRC，输出LVS所需的.spc文件，详细的过程如下：
（1）打开L-Edit程序:
执行在..＼Tanner\LEdit目录下的ledit.exe文件。
（2）新建版图文件，并保存文件名为NO.tdb。
（3）根据电路的整体布局，构建出PMOS和NMOS,再将PMOS各个衬底接到Vdd上，NMOS各个衬底接到Gnd上，注意此层通过场氧与金属层1相连得加contax。
（4）根据原理图的连线，将各个节点连到相应的节点上，注意各层之间的连接关系，
并注意对contax及via的工艺要求。
（5）添加输入输出端口，最后我们完成非门版图制作如图3.6所示。
图3.6非门版图
（6）设计规则检查：
对于一个组件内的布局图,用L-Edit的DRC功能,可检查出此布局图是否符合设计规则选取对象Tools→DRC命令,DRC结果如图3.7所示。
图3.7DRC检查无误
（7）按照上述步骤分别制作与门和或门的版图，如图3.8、图3.9所示。
图3.8与门版图
图3.9或门版图
（8）根据原理图，将单元版图调用后经过连接生成整体版图，如图4.0所示。
图3.10异或门版图
（9）整体版图设计规则检查：
依然用L-Edit的DRC功能,可检查出此布局图是否符合设计规则选取对象Tools→DRC命令,DRC结果如图3.11所示。
图3.11DRC检测无误
（10）转化：
L-Edit也有转化的功能,能够将布局图转化成描述组件与节点状况的netlist文字文件。
选择Tools→Extract命令,设定转化文件为XOR.spc,可利用任何文字编辑器打开转化出的文件。
此转化出的文字文件可在T-Spice模拟时使用或是用于LVS对比。
3.4LVS
LVS是一个用来比较布局图与电路图所描述的电路是否相同的工具,亦即比较S-Edit绘制的电路图与L-Edit绘制的布局图是否一致。
要进行LVS对比需要两个文件,一个是从L-Edit布局图转化出的结果（*.spc文件）,另一个是从S-Edit绘制的电路图输出的文件（.sp）。
（1）打开LVS程序:
执行在..Tanner\LEdit90目录下的lvs.exe文件。
（2）打开文件：
先打开要进行对比的XOR.spc文件与XOR.sp文件,其中,XOR.spc文件是从XOR.tdb文件中Lights组件转化出的结果,而XOR.sp文件是从XOR.sdb输出成SPICE文件的结果。
将两个文件中的.include设定修改成.includec:
\Tanner＼TSpice70＼models＼m12125.md,并保存。
（3）打开LVS新文件：
在LVS环境下的菜单中选择File→New命令,出现“打开”对话框,在“打开”列表框中选取第一项LVSSetup,单击“确定”按钮。
（4）文件设定:
在Setup1窗口中有很多项目需要设定,包括要对比的文件名、对比结果的报告文件、要对比的项目等。
在File列表框来进行文件的设定.在InputFiles选项组的Layoutnetlist文本框中输入从L-Edit转化出的XOR.spc文件的路径。
在Schematicnetlist文本框中输入从S-Edit输出的XOR.sp文件的路径。
在outFiles选项组的Outputfile文本框中输入对比结果的报告文件名"XOR.out",在Nodeandelementlist后的文本框中填入节点与组件对比结果的报告文件的路径,并选中Overwriteexistingoutputfiles复选框,如图所示。
图3.12LVS文件设定
（5）存储文件:
设定完成后,要存储LVS的设定。
选择File→Save命令，
存储为XOR.vdb。
（6）执行对比：
选择verification→run命令进行对比，结果如图所示。
图3.13LVS结果
总结
这次专业方向课程设计中，在整整十五天里，我不仅可以巩固以前所学过的知识，而且学到了很多书本上没有的知识。
通过这次设计，我进一步加深了对软件工具的了解，让我对它有了更加浓厚的兴趣。
特别是当每一个检验成功时，心里特别的开心。
但是在进行原理图仿真时，遇到了不少问题，特别是各元件之间的连接，总是有错误，在细心的检查下，终于找出了错误和警告，排除困难后，仿真终于成功了。
在课程设计中，我深切体会到，只有实践才是理论运用的最好检验。
本次设计是对我三年半所学知识的一次综合性检测和考验，无论是动手能力还是理论知识的运用能力都得到了提高，同时加深了对微电子技术的应用，大大提高了查阅资料的能力和效率，使我有充足的时间投入到设计当中。
同时在设计的过程中也发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。
在设计过程中感谢老师对我的指导，让我对电路图的仿真工具和版图设计工具有了深刻的了解，从而对电子行业产生了浓厚的乐趣，也使我的动手能力，思考能力和分析能力有了很大的提高。
两位老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。
感谢有这么好的老师对我的指导，热心的给我解答问题，并提供材料，所以我今天的学习成果，老师们有很大的功劳。
参考文献
[1]钟文耀.CMOS电路模拟与设计.科学出版社，2007.7
[2]李冰.集成电路CAD与实践.电子工业出版社,2010.1
[3]王志功.集成电路设计.电子工业出版社,2009.6
升级会员 