集成电路专项实践NMOS二输入与非门详解.docx
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集成电路专项实践NMOS二输入与非门详解
课程设计任务书
学生姓名：
真知专业班级：
电子1201班
指导教师：
灼见工作单位：
信息工程学院
题目:
基于NMOS的二输入与非门电路
初始条件：
计算机、Orcad9.2软件、L-Edit软件
要求完成的主要任务:
（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1、课程设计工作量：
2周
2、技术要求：
（1）学习Orcad9.2软件和L-Edit软件。
（2）设计一个基于NMOS的二输入与非门电路。
（3）利用Orcad9.2和L-Edit软件对该电路进行系统设计、电路设计和版图设计，并进行相应的设计、模拟和仿真工作。
3、查阅至少5篇参考文献。
按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。
全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。
时间安排：
2015.6.19布置课程设计任务、选题；讲解课程设计具体实施计划与课程设计报告格式的要求；课程设计答疑事项。
2015.6.19-6.20学习Orcad9.2和L-Edit软件，查阅相关资料，复习所设计内容的基本理论知识。
2015.6.21-6.25对二输入与门电路进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。
2015.6.26提交课程设计报告，进行答辩。
指导教师签名：
年
月
日
系主任（或责任教师）签名：
年
月
日
摘要I...
绪论1
一、设计要求2
二、设计原理2
三、设计思路2
四、二输入与非门电路设计3
4.1原理图设计3
4.2仿真分析4
五、版图设计4
5.1NMOS管版图设计4
5.2与非门版图设计6
5.3总版图DRC检查7
六、心得体会8
参考文献9
摘要本文从设计到仿真以及后面的版图制作等主要用到了Orcad9.2软件和L-Edit软件等。
设计的题目是基于NMOS的二输入与非门电路，电路设计的思路是使用三个NMOS管连接实现二输入与非门的功能，其中电路设计部分用的是Orcad9.2软件，仿
真部分主要做的是时序仿真，后面的版图制作用的是L-Edit软件，版图完成之后进行基本的DRC检查。
关键词：
NMOS门电路、与非门、版图设计
Abstract
Inthispaper,fromdesigntoproductionsimulationandthebackofthemap,mainlyusetheOrcad9.2softwareandL-Editsoftware,etc.DesignthetopicisbasedonNMOStwoinputandgate,circuitdesigntrainofthoughtistousethreeof
NMOS,thecircuitdesignpartwithOrcad9.2software,maindoistimingsimulation,simulationofthebackofthemapproductionusingL-Editsoftware,duetothemapm-akingonlyusesaL-Editsoftware,sothelayoutiscompletedonlydoneabasicDRCcheck.
Keywords:
NMOSgate,NANDgate,layoutdesign
绪论
随着微电子技术的快速发展，人们生活水平不断提高，使得科学技术已融入到社会生活中每一个方面。
而对于现代信息产业和信息社会的基础来讲，集成电路是改造和提升传统产业的核心技术。
随着全球信息化、网络化和知识经济浪潮的到来，集成电路产业的地位越来越重要，它已成为事关国民经济、国防建设、人民生活和信息安全的基础性、战略性产业。
集成电路有两种。
一种是模拟集成电路，另一种是数字集成电路。
从制造工艺上可以将目前使用的数字集成电路分为双极型、单极型和混合型三种。
而在数字集成电路中通常会用到NMOS集成电路，本文便是讨论的NMOS与非门电路的设计仿真及版图的设计。
[2][3]
版图（Layout）是集成电路设计者将设计并模拟优化后的电路转化成的一系列几何图形，包含了集成电路尺寸大小、各层拓扑定义等有关器件的所有物理信息。
集成电路制造厂家根据版图来制造掩膜。
版图的设计有特定的规则，这些规则是集成电路制造厂家根据自己的工艺特点而制定的。
不同的工艺，有不同的设计规则。
设计者只有得到了厂家提供的规则以后，才能开始设计。
版图在设计的过程中要进行定期的检查，避免错误的积累而导致难以修改。
很多集成电路的设计软件都有设计版图的功能，L-Edit软件的的版图设计软件帮助设计者在图形方式下绘制版图。
对于复杂的版图设计，一般把版图设计分成若干个子步骤进行
1）划分为了将处理问题的规模缩小，通常把整个电路划分成若干个模块
2）版图规划和布局是为了每个模块和整个芯片选择一个好的布图方案。
3）布线完成模块间的互连，并进一步优化布线结果。
4）压缩是布线完成后的优化处理过程，他试图进一步减小芯片的面积。
一、设计要求
1、要求：
用MOS器件来设计二输入与非门电路。
2、内容：
用Orcad9.2软件进行电路原理图的绘制，生成网络表并进行交直流分析及瞬态分析。
3、用L-Edit软件进行电路版图的制作及DRC的检查。
二、设计原理
二输入与非门有两个输入端A、B以及一个输出端Q，当A端和B端同时为高电平时输出才为低电平，否则输出都为高电平。
与非门的真值表如表1所示：
A
B
Q
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
0
表1二输入与非门真值表
由于此次是用NMOS管构建的二输入与非门，所以直接采用3个NMOS管构成主要元件即可完成。
三、设计思路
如图1所示是由NMOS管构成的二输入与非门电路，其中A、B为两输入端，Q为
输出端。
这一电路的工作原理是：
M1管为导通状态，当两个输入端A和B同时为高
电平1时，M2和M3管同时导通，此时输出端Q=0；当输入端A或B只要有一个为0
时，如A=O，M2管截止，由于M2和M3管串联，只要其中一只管子截止，输出端Q=l。
通过上述分析可知，这一电路可以实现与非逻辑，所以是与非门电路[1][6]。
图1.NMOS二输入与非门电路原理图
四、二输入与非门电路设计
4.1原理图设计
在Orcad9.2环境下画电路原理图，并在输入端口添加时钟激励源，修改合适的时钟周期，并添加输出端口以便仿真时查看各点工作状态。
如图2所示：
图2.NMOS二输入与非门工作电路图
4.2仿真分析电路原理图画好之后接下来便是仿真分析了，本次我们做的是门电路，输入输出信号都是电平信号，研究的是输入输出信号随时间的变化关系，所以只需要做瞬态分析。
首先点击菜单栏中的Pspice按钮选择NewSimulation命令来新建一个仿真文件，在Name中输入仿真文件名，点击Creat后，在原来的工程文件夹中就会自动生成一个相应名字的文件夹，后面所做的仿真结果和工程均保存在该文件夹下，在Analysistype（分析类型）中选取TimeDomain（Transient）（瞬态分析），并设置合适的参数。
再在仿真工具栏中点击运行图标进行仿真。
加入观测波形，如下图3所示：
图3.输入输出端波形显示
从图中可以看到只有当A端口和B端口同时为高电平时输出口Q才为低电平，否则输出口Q一直为高电平，波形显示出电路符合与非门电路的功能。
而且从图中还能看到输出口Q的波形中有一些分立线状波形，这些是由于A输入端和B输入端处在上升或者下降沿的时候虽然电平并不是标准的高电平，但电压也不为0，在仿真的时候软件将这些电平统一作高电平处理，所以才会出现一些分立的线状波形存在。
五、版图设计
5.1NMOS管版图设计
由于L-Edit软件在进行电路版图设计之前首先得进行元器件版图的设计，而在本次电路中用到的元器件有只有NMOS管，所以在画与门版图之前首先绘制好NMOS管的版图。
（1）打开L-Edit程序：
L-Edit会自动将工作文件命名为Layout1.tdb并显示
在窗口的标题栏上，如下图16中所示。
（2）另存为新文件：
选择执行File/SaveAs子命令，打开“另存为”对话框，在“保存在”下拉列表框中选择存贮目录，在“文件名”文本框中输入新文件名称，如Ex1。
图4.L-Edit菜单栏
（3）替换设置信息：
用于将已有的设计文件的设定（如格点、图层等）应用
于当前的文件中。
选择执行File/ReplaceSetup子命令打开对话框，单击“FromFile”栏填充框的右侧的Browser按钮，选择X:
\Ledit1.1\Samples\SPR\example1\lights.tdb文件，如下图5所示，单击OK就将lights.tdb文件中的格点、图层等设定应用在当前文件中
图5替换设置信息窗口
设置好这些参数后，绘制NMOS单元：
依次绘制Active图层、NSelect图层、Ploy图层、ActiveContact图层与Metal1图层，完成后的NMOS单元如图6中所示。
其中，Active宽度为14个栅格，高为5个栅格；Ploy宽为2个栅格，高为9个栅格；NSelect宽为18个栅格，高为9个栅格；两个ActiveContact的宽和高皆为
2个栅格；两个Metal1的宽和高皆为4个栅格。
图6NMOS管版图
5.2与非门版图设计
在已经做好了MOS管的版图设计的基础上，接下来就能开始进行与非门版图的搭建和连线了。
启动L-Edit程序，将文件另存为EX2，将文件lights.tdb应用在当前的文件中，设定坐标和栅格[3][5]。
复制单元：
执行Cell/Copy命令，打开SelectCelltoCopy对话框，将Ex1.tdb中的nmos单元复制到Ex2.tdb文件中。
引用nmos单元：
执行Cell/Instance命令，打开SelectCellto
Instance对话框，选择nmos单元单击OK按钮，可以在编辑画面出现一个nmos单元，由于本次绘制与非门电路需要用到3个NMOS管，所以上步中的引用nmos单元分别需要进行三次，然后再进行元器件之间的电路连接。
按照电路原理图一步一步将所有的线路都连接好，然后再标出Vdd、GND节点以
及输入输出端口A、B、Q等节点。
例如标注Vdd和GND节点的方法是单击插入节点图标，再到绘图窗口中用鼠标左键拖曳出一个与上方电源线重叠的宽为39栅格、高为5个栅格的方格后，将自动出现EditObject（s）对话框，在“On”框的下拉列表中选择Metal1，在Portname栏内键入Vdd，在TextAlignment选项中选择文字相对于框的位置的右边。
然后单击“确定”按钮。
用同样的方式标出GND、A、B以及Q。
图7.元件引用
放好上面的所有节点标号之后最整个二输入与非门电路的版图就算做好了，接下来再进行单元名称的修改。
执行Cell/RenameCell命令，打开RenameCellCell0
对话窗口，将cell名修改为yufeimen。
最后画好的完整版图如下图8所示
图8二输入与非门电路版图
5.3总版图DRC检查
版图画好之后接下来就是做总版图DRC检查，选择Tools/DRC命令，打开DesignRuleCheck对话框，选中Writeerrorstofiles复选框将错误项目记录到yufeimen.drc文件或自行取文件名，单击“确定”按钮，进行设计规则检查，结果显示正确[4]。
六、心得体会
此次课程设计在老师的悉心指导，同学们的热情帮助下，我圆满完成了课程设计的要求。
从课题选择到具体构思和内容以及数据的测试，我深刻体会到做事情不能急躁，从电路原理图的绘制到仿真，再到版图的制作，每一步都要要细心仔细的去完成。
在这周时间所经历的学习和生活，我深刻感受到老师的精心指导和无私的关怀，让我受益匪浅。
本次课程设计的名称为“基于NMOS二输入与非门电路设计”，经过此次课设使我对Orcad9.2软件和L-Edit软件的使用都有了更深刻的了解，这将对我以后的学习和工作带来莫大的帮助。
参考文献
1.权海洋主编.《超大规模集成电路设计与实践》，西安电子科技大学出版社，2013
年出版。
2.高德远主编.《超大规模集成电路－系统和电路的设计原理》，高等教育出版社，2013年出版。
3.贾新章等.《OrCAD/Capture9》实用教程,西安电子科技大学出版社，2010年出版。
4.邓红辉等译。
《CMOS集成电路版图---概念、方法与工具》，电子工业出版社，2012年3月出版。
5.孙润等编著.《TANNER集成电路设计教程》（第一、二册），北京希望电子出版社，2013年出版。
6李伟华编著,《VLSI设计基础（第3版）》，电子工业出版社,2013年出版。
附录
OFFTIME=1uSONTIME=.5uSDELAY=STARTVAL=0OPPVAL=1
Mbreak
910.8uV
OFFTIME=.5uS
ONTIME=.5uS
DELAY=
DSTM2
CLK
IN2
M3
STARTVAL=0
OPPVAL=1
2.499mV
Mbreak
0V
0
NMOS二输入与非门电路仿真图
NMOS版图
总体版图
本科生课程设计成绩评定表
姓名
性女
专业、班级
电子科学与技术1201
课程设计题目：
基于NMOS的二输入与非门电路
课程设计答辩或质疑记录：
成绩评定依据：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日
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