EAD课程设计D触发器.docx
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EAD课程设计D触发器
摘要
本设计是基于ZeniEDAD触发器的设计。
本文分四个部分，其中详细叙述了D触发器的电路设计和版图设计两个部分。
第一部分是绪论，主要有集成电路CAD的发展现状、Zeni软件的说明以及集成电路设计流程等内容。
第二部分是D触发器的电路设计，首先对Spice仿真进行了说明，然后就是D触发器的总体方案和D触发器的功能描述，还对D触发器的各个功能模块的设计与仿真作了详细说明。
第三部分是D触发器的版图设计，首先对版图设计的逻辑划分、布线布局理论等进行了简明的阐述，然后对D触发器的各个单元模块的版图设计进行了说明，并给出了每个功能模块的版图以及D触发器的总版图，最后给出了D触发器的DRC验证和LVS验证以及导出GDS-Ⅱ文档。
本设计几乎涉及了集成电路CAD设计的各个流程，并作了详细的描述与说明。
关键词：
D触发器；反相器；与非门；传输门；版图
1绪论
1.1集成电路CAD发展现状
当今社会已经进入信息技术时代，集成电路已经被广泛地应用于各个领域。
可以预见，在不久的将来，掌握集成电路的设计方法和工具将成为一个工程师必备的技能之一。
社会的发展驱动了IC的发展、IC的发展驱动了EDA的发展、EDA的发展驱动了CAD的发展。
随着集成电路与计算机的迅速发展，以CAD为基础的EDA技术已渗透到电子系统和专用集成电路设计的各个环节。
一个能完成较复杂的VLSI设计的EDA系统一般包括10～20个CAD工具，涉及从高层次数字电路的自动综合、数字系统仿真、模拟电路仿真到各种不同层次的版图设计和校验工具，完成了自顶向下的VLSI设计的各个环节和全部过程。
从不同的角度来看，集成电路设计按流程可以分为前端设计和后端设计，按方式分为正向设计和逆向设计，集成电路CAD软件也可以按照这样的方式来划分。
例如在FPGA的电路设计中，Verilog和VHDL被用做系统级电路设计的工具；北京芯愿景公司的ChiplogicFamily和Hierux软件包在芯片逆向分析软件中也处于世界领先的水平，并与一些正向分析软件也有很好的接口方式。
针对不同的设计阶段，有不同的代表产品。
集成电路CAD主要包括工艺模拟、器件模拟、电路模拟、时序或逻辑模拟、版图的设计和验证等几个方面，作为能够进行IC全程设计的全线产品，还应当包括系统和功能的电路级的设计和仿真，可以采用硬件描述语言进行描述和综合。
ICCAD全线产品的代表有基于工作站平台的Candence和基于PC平台的TannerPro设计软件包，例如我国华大的熊猫CAD软件包就是一个全线产品。
对于大多数设计人员，一般只要进行电路的系统级综合和仿真，就可以实现IC芯片的设计。
一些知名的电子CAD厂商，如Mentor、Cadence等的EAD工具都是全线产品，即它们的产品支持从系统级设计开始直到各种物理实现级上的全线自顶向下的设计。
系统设计包括系统方案框图的设计和分析、系统级验证和测试以及综合、优化等高层次的内容。
1.2Zeni软件说明
熊猫EDA系统--九天系列工具（Zeni）不仅是华大电子的标志性产品，同时也是中国EDA产业的骄傲。
华大电子从事EDA产品的研究开发已经有15年的历史，在这些年中，我们和国内外用户一起，不断对该产品进行改进以适应最新IC设计的需求。
新一代的九天EDA系列工具，面向全定制模拟集成电路和数模混合电路设计，覆盖了从原理图输入、电路模拟、交互式自动布局布线、版图编辑、版图验证、寄生参数提取和返标、信号完整性分析等IC设计全流程。
将前后端各工具的数据置于一个统一的设计管理平台中，为用户提供一个集成化的设计环境。
九天系列工具兼容业界标准数据格式。
部分产品如版图编辑版图验证、寄生参数提取等工具优于国际同类产品，深受国内外IC设计工程师的喜爱。
本设计是用九天EDA工具Zeni软件完成的。
九天EDA工具为全定制电路设计提供完整解决方案。
它集成了原理图编辑器（ZeniSE）、版图编辑器（ZeniPDT）、版图验证工具（ZeniVERI，ZeniHVERI）、寄生参数提取工具（ZeniPE）、信号完整性分析工具（ZeniSI），并将前后端各工具的数据置于统一的设计管理器之中，为用户提供一个集成化的设计环境。
九天EDA工具不仅支持EDIF文件的导入，还提供了从CDL网表到原理图数据的自动生成工具（SchematicGeneration，SGE）。
它创建了功能强大的模拟仿真环境，为电路模拟前的数据准备，以及模拟后的数据分析、结果返标提供完整服务。
还提供了从原理图到版图的自动生成工具（NetlisttoLayout，N2L），实现了从原理图网表到版图的映射。
Zeni软件设计流程如图1.1所示。
图1.1Zeni软件设计流程
1.3集成电路设计流程
从图1.2可以看到，超大规模集成电路VLSI的设计包括四个主要的设计，包括逻辑设计、电路设计、版图设计和工艺设计（工艺模拟、器件模拟），各子系统采用并行设计来实现。
图1.2VLSI的设计流程
图1.3是一个VLSI的TopDown方式的设计流程，包括行为设计、结构设计、逻辑设计、电路设计、版图设计。
图1.2VLSI的TopDown设计流程
按照设计流程，通常将系统和功能的设计及结构和电路的设计称为前端设计，版图设计称为后端设计。
本设计主要是电路设计和版图设计，电路设计是采用自顶向下的方式，先对整个电路进行总体结构设计，再分别对每个单元模块进行电路设计以及功能验证；版图设计是采用自底向上的方式，先是对每个单元模块进行版图设计，然后再综合成总的版图设计，最后进行设计规则检查（DRC）和电学规则检查（LVS）。
2电路设计
2.1spice仿真说明
电路系统的设计人员有时需要对系统中的部分电路作电压与电流关系的详细分析，此时需要做晶体管级仿真（电路级），这种仿真算法中所使用的电路模型都是最基本的元件和单管。
仿真时按时间关系对每一个节点的I/V关系进行计算。
这种仿真方法在所有仿真手段中是最精确的，但也是最耗费时间的。
SPICE（Simulationprogramwithintegratedcircuitemphasis）是最为普遍的电路级模拟程序，各软件厂家提供提供了Vspice、Hspice、Pspice等不同版本spice软件，其仿真核心大同小异，都是采用了由美国加州Berkeley大学开发的spice模拟算法。
SPICE可对电路进行非线性直流分析、非线性瞬态分析和线性交流分析。
被分析的电路中的元件可包括电阻、电容、电感、互感、独立电压源、独立电流源、各种线性受控源、传输线以及有源半导体器件。
SPICE内建半导体器件模型，用户只需选定模型级别并给出合适的参数。
采用spice进行电路设计的基本流程如图2.1所示。
图2.1采用spice进行电路设计的基本流程
设计从给定的技术指标出发，首先根据掌握的系统和电路知识，确定电路的初始方案，确定电路元件参数，然后生成spice电路描述和分析指令文件。
2.2总体方案及功能描述
2.2.1总体方案
电路设计采用自顶向下的设计方式，即先做电路总体设计，然后再对每个单元模块进行设计。
电路的总体设计思路如图2.2所示。
图2.2电路的总体设计思路
D触发器的原理总图如下图2.3所示：
图2.3D触发器的原理总图
Date为数据信号输入端，Clk为时钟信号输入端，Clb为该D触发器的置0端，Q、QB为输出端。
当Clb为低电平时，Q端输出为0。
只有当Clb为高电平时，触发器才能接收输入信号。
通过Clk时钟信号控制触发器的触发时刻，同时控制整个电路中各传输门的开通与关闭，进而控制信号的输送与锁存。
该电路设计可以对输入端信号进行锁存，也可以对输出端信号进行锁存。
该触发器的触发方式为上升沿触发。
2.2.2功能描述
触发器是一种时钟控制的记忆器件，触发器具有一个控制输入讯号（Clk）。
Clk讯号使触发器只在特定时刻才按输入讯号改变输出状态。
若触发器只在时钟CLK由L到H（H到L）的转换时刻才接收输入，则称这种触发器是上升沿（下降沿）触发的。
触发器可用来储存一位的数据。
通过将若干个触发器连接在一起可储存多位元的数据，它们可用来表示时序器的状态、计数器的值、电脑记忆体中的ASCII码或其他资料。
D触发器是最常用的触发器之一。
对于上升沿触发D触发器来说，其输出Q只在Clk由L到H的转换时刻才会跟随输入D的状态而变化，其他时候Q则维持不变。
图2.4为D触发器的符号图，图2.5显示了上升沿触发D触发器的时序图。
图2.4D触发器的符号图
图2.5上升沿D触发器的时序图
2.3单元模块电路设计及仿真
2.3.1反相器电路设计
反相器由一个pmos和一个nmos组成，pmos和nmos的衬底是分开的，NMOS的衬底接最低电位——地，PMOS的衬底接最高电位——vdd。
NMOS的源极接地，漏极接高电位，PMOS的源极接vdd,漏极接低电位。
输入信号A对两管来说，都加在g和s之间，但是由于NMOS的s接地，PMOS的s接vdd，所以A对两管来说参考电位是不同的。
下面给出了反相器的原理图、仿真参数设置、spice标准网表以及反相器的仿真结果。
（1）反相器电路原理图
图2.6反相器原理图
（2）反相器仿真参数设置
图2.7反相器仿真参数设置
（3）反相器spice标准网表
仿真时的spice网表输出如下图2.8所示：
图2.8反相器的spice网表
（4）反相器的仿真结果
反相器仿真结果如下2.9所示：
图2.9反相器仿真结果
上图中的a为输入信号，y为输出信号，输入与输出刚好相反，因此，成功地实现了反相器的功能。
2.3.2与非门电路设计
二输入与非门由两个PMOS管并联与两个串联的NMOS管相连构成，电路图见图2.10。
对于与非门，当A（B）为低电平时，M2（M1）导通，M3（M4）截止，形成从vdd到输出端Y的通路，阻断了Y到地的通路。
这时相当于一个有限的PMOS管导通电阻（称为上拉电阻）和一个无穷的NMOS管的截止电阻（尽管有一个NMOS管电阻仍是无穷大）的串联分压电路，输出为高电平（vdd）。
如果输入端A和B均为高电平，使得两个NMOS管均导通，两个PMOS管均截止，形成了从Y到地的通路，阻断了Y到电源的通路，呈现一个有限的NMOS导通电阻（称为下拉电阻）和无穷大的PMOS管截止电阻的分压结果，输出为低电平。
下面给出了与非门的原理图、仿真参数设置、spice标准网表以及与非门的仿真结果。
（1）与非门电路原理图
图2.10与非门电路原理图
（2）与非门仿真参数设置
图2.11与非门仿真参数设置
（3）与非门spice标准网表
图2.12与非门spice标准网表
（4）与非门的仿真结果
图2.13与非门的仿真结果
上图为二输入与非门的仿真结果图，由图可知，该与非门的设计基本实现了与非门的功能，其中有些许失真是由于各种延迟所造成。
2.3.3传输门电路设计
与普通的MOS电路的应用有所不同的是，在MOS传输门中，器件的源端和漏端位置随传输的是高电平或是低电平而发生变化，并因此导致VGS的参考点-源极位置相应变化。
判断源极和漏极位置的基本原则是电流的流向。
对NMOS管，电流从漏极流向源极；对PMOS管，电流从源极流向漏极。
为防止发生PN结的正偏置，NMOS的P型衬底接地，PMOS的N型衬底接vdd。
在图2.14中的CMOS传输门采用了P管和N管对，控制信号Clkb和Clk分别控制P管和N管，使两管同时关断和开通。
由于PMOS管对输入信号S高电平的传输性能好，而NMOS管对输入信号S低电平的传输性能好，从而使信号S可以获得全副度的传送而没有电平损失。
下面给出了传输门的原理图、仿真参数设置、spice标准网表以及传输门的仿真结果。
（1）传输门电路原理图
图2.14传输门电路原理图
（2）传输门的仿真参数设置
图2.15传输门的仿真参数设置
（3）传输门spice标准网表
图2.16传输门spice标准网表
（4）传输门的仿真结果
图2.17传输门的仿真结果
上图为传输门的仿真结果，结果显示当Clkb为低电平，Clk为高电平时，信号能够通过传输门进行传输。
3版图设计
集成电路版图设计（Layout）其实际为电路物理实现的设计，又称为物理设计。
版图设计的任务是将电路的逻辑描述形式转化为版图描述形式，将这种版图描述用于图形发生器即可产生生产芯片所需的掩膜（Mask）板，并通过Mask光刻实现版图到集成电路芯片的物理转化。
由于人工设计版图的周期长、错误多、费用大，现在大多采用自动版图设计技术，所以物理设计也称为自动布图设计。
3.1版图设计基础
自动布图设计采用分级处理的方式（布图或称逻辑划分）将电路按功能块进行逐级分级，直到便于设计；然后将划分后的电路子块以某种方式进行排列（布局），最后对排成的电路子块进行连线（布线）；这样的过程完成后即可实现版图设计，图3.1是一个版图设计的流程框图。
图3.1版图设计流程框图
3.1.1逻辑划分和布图规划
一个VLSI芯片可能包含百万个以上的晶体管，由于计算机存储空间和计算能力的限制，需要将复杂电路分解，通常把整个电路划分成若干个模块，缩小了处理问题的规模。
若模块内的器件数还是很多，就进一步把模块划分成子模块。
布图规划是为整个芯片和每个模块都选择一个优化的折中布图方案。
在逻辑划分以后，根据模块包含的器件数估计其面积，在根据和其他模块的连接关系以及上一层模块或芯片形状设计其相对位置。
布图规划在整个布图设计中占有重要位置，由于其复杂性，通常是人机交互完成的。
3.1.2布局
布局的任务是要确定模块在芯片上的精确位置，目的是在保证布通率的前提下使芯片面积尽可能地小。
布局是个复杂性的课题，通常可分为初始布局和改进布局。
在初始布局时用构造方法给出一个布局问题的初始解，然后通过迭代方法优化布局的结果。
随着工艺技术的发展，在布局时也考虑一些优化芯片电性能的要求。
3.1.3布线
布线的任务是在100%地完成模块间互连的前提下进一步优化布线结果，包括提高电性能、减少通孔数等。
对于诸如门海模式的布线区域非预先设置的布图模式，首先要划分和定义布线区域，有时还需要对布线区域安排顺序。
由于集成电路布图的复杂性，布线通常分为两步完成：
总体布线和详细布线。
总体布线完成线网的合理分配，以确保尽可能高的布通率，它只是把线网分配在适合的布线区域内，而不关心走线的具体位置；详细布线则最终确定连线的具体位置。
布线的两步曲可以在总体分析线网连接要求和布线区资源后，合理地分配线网，避免局部拥挤，它不但简化了布线问题本身，而且也提高了布线的成功率。
3.2单元模块版图设计
3.2.1反相器版图
（1）新建一个Cell-layout，命名为INV。
（2）通过Add-instance，调出PMOS、NMOS单元版图。
（3）把单元版图放到合适的位置，用metal1、metal2和poly层按照反相器的原理图，将PMOS和NMOS连接好。
（4）用metal2将输入输出端口引出。
反相器的版图如图3.2所示。
图3.2反相器版图
3.2.2与非门版图
（1）新建一个Cell-layout，命名为NAND2。
（2）通过Add-instance，调出PMOS、NMOS单元版图。
（3）把单元版图放到合适的位置，用metal1、metal2和poly层按照与非门的原理图，将PMOS和NMOS连接好。
（4）用metal2将输入输出端口引出。
与非门的版图如图3.3所示。
图3.3与非门版图
3.2.3传输门版图
（1）新建一个Cell-layout，命名为PASS。
（2）通过Add-instance，调出PMOS、NMOS单元版图。
（3）把单元版图放到合适的位置，用metal1、metal2和poly层按照传输门的原理图，将PMOS和NMOS连接好。
（4）用metal2将输入输出端口引出。
传输门的版图如图3.4所示。
图3.4传输门版图
3.3D触发器版图设计
（1）新建一个Cell-layout，命名为Dff。
（2）通过Add-instance，分别引用PASS、INV、NAND2版图。
（3）将元件放在合理的位置，用metal1、metal2、poly按照原理图将各个元件连接起来。
D触发器的总版图如图3.5所示。
图3.5D触发器总版图
3.4版图验证
版图验证的任务有设计规则检查（DRC）及版图与电路图对照（LVS）。
3.4.1DRC检查
DRC检查的任务是检查发现设计中的错误。
由于加工过程中的一些偏差，版图设计需满足工艺厂商提供的设计规则要求，以保证功能正确和一定的成品率。
每一种集成电路工艺都有一套贯穿于整个制造过程的技术参数。
这些技术参数通常是由所用的设备决定的，或者通过实验测量得到的。
它们可能是极值、区间值或最优值。
根据这些参数，工艺厂家会制定会制订出一套版图设计规则。
每一个版图都应该遵循确定的规则进行设计。
在画版图的过程中要不时地进行设计规则检查。
没有设计规则错误的版图是技术上能够实现芯片功能的前提。
运行DRC，程序就按照相应的规则检查文件运行，发现错误时，会在错误的地方做出标记（Mark），并且做出解释。
BrowseMarker窗口如图3.6、3.7所示，从图上可知，Record一栏为空，所以该版图设计无错误。
图3.6DRC检查
图3.7DRC检查
3.4.2LVS检查
版图设计不得改变电路设计内容，如元器件参数和元器件间的连接关系，因此要进行版图与电路图的一致性检查。
LVS程序的一个输入文件是由电路图产生的元器件表、网表和端点列表，另一个输入文件时从版图提取出来的元器件表、网表和端点列表。
通过LVS，所有元器件的参数，所有网络的节点，元件到节点及节点到元器件的关系一一扫描并进行比较。
输出的结果是将所有不匹配的元器件、节点和端点都列在一个文件之中，并在电路图和提取的版图中显示出来。
LVS检查的窗口如图3.8所示。
图3.8LVS检查
3.5导出GDS-Ⅱ文档
如果从版图提取出来的电路图经过仿真后证明功能仍然正确，并且版图和电路图的对照已经没有任何错误，那么以芯片形式体现的一个独立电路的版图设计就算完成了。
如果这样一个独立电路通过一个多项目晶圆MPW技术服务中心流片，就可以将版图数据转换成称为GDS-Ⅱ格式的码流数据，并将此码流数据通过因特网传送或复制到磁带、磁盘和光盘等媒质上，寄送到MPW技术服务中心，最终完成提交版图数据的任务。
导出GDS-Ⅱ文件的过程如图3.9与图3.10所示。
图3.9导出GDS-Ⅱ文件
图3.10导出GDS-Ⅱ文件
4总结与体会
本文是基于ZeniEDAD触发器的设计。
主要是在Zeni软件上做了D触发器以及各个功能模块的电路设计和版图设计，首先是D触发器的总体电路设计，通过老师的指导以及自己查阅资料，对D触发器的总体电路有了一个基本的了解，并作出了总体方案。
然后就是利用PMOS、NMOS进行D触发器的各个单元模块的设计，即反相器、与非门和传输门的设计。
接下来就是版图设计，通过调用各个单元模块完成反相器、与非门和传输门的版图设计，然后在此基础上完成D触发器的总体版图设计。
最后对版图进行了设计规则检查和版图与原理图的对照。
整个设计几乎涉及了集成电路CAD的各个流程，因此，通过本次课程设计，了解并熟悉了集成电路CAD的整个设计流程。
同时也熟练了运用Zeni软件进行电路设计和版图设计的各个步骤，为以后更深入的学习打下了基础。
同时，通过这样一次实践性的学习，对课本上以及老师所讲述的知识有了一个具体的了解，理解得更加深刻。
例如对D触发器的整个内部结构有了一个清晰明了的理解，同时对反相器、与非门、传输门的工作原理以及内部结构也有了很好的理解。
在撰写课程设计报告时也学到了不少东西，进一步熟悉了用Word编辑文档的各个操作。
由于我们前面有过很多次课程设计，这次在写报告时感觉轻松了很多。
通过论文的编写，提高了自己的表达能力以及分析问题和处理问题的能力。
这些能力的提高对于我们来说是十分有必要的。
现在课程设计基本完成，跟以前一样心里很轻松也很踏实，尽管自己花了很多时间在每一次课程设计上，但是感觉学到了很多东西。
每一次课程设计之后都感觉自己有了提高，学到了很多新的知识，弄懂了一些自己以前不懂的知识，同时也提高了自己分析问题和处理问题的能力，所以心里很踏实、很高兴。
参考文献：
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致谢
首先，我要感谢我们这组的指导老师李剑老师，在我们做课程设计期间，李剑老师每天都会花半天的时间待在实验室为我们解答各种疑惑，老师脾气很好，总是很耐心地跟我们讲解。
经过李剑老师的指导，我弄懂了很多东西，也使我能够比较顺利地完成了这次的课程设计。
其次，我要感谢学校及我们专业教研室的老师们让我们有一次这样的实践性学习。
通过这样的综合性课程设计，我们学到了很多的知识，同时也提高了我们分析问题和解决问题的能力。
在这里我还有感谢同学们的热心帮助。
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