集成电路课程设计cmos反相器的电路设计及版图设计.docx

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集成电路课程设计cmos反相器的电路设计及版图设计

摘要3

绪论5

1软件介绍及电路原理6

1.1软件介绍6

1.2电路原理6

2原理图绘制8

3电路仿真10

3.1瞬态仿真10

3.2直流仿真11

4版图设计及验证12

4.1绘制反相器版图的前期设置12

4.2绘制反相器版图13

4.3DRC验证15

结束语17

参考文献18

摘要

CMOS技术自身的巨大发展潜力是IC高速持续发展的基础。

集成电路制造水平发展到深亚微米工艺阶段，CMOS的低功耗、高速度和高集成度得到了充分的体现。

本文将简单的介绍基于ORCAD和L-EDIT的CMOS反相器的电路仿真和版图设计，通过CMOS反相器的电路设计及版图设计过程，我们将了解并熟悉集成电路CAD的一种基本方法和操作过程。

关键词：

CMOS反相器ORCADL-EDIT版图设计

Abstract

ThehugedevelopmentpotentialofCMOStechnologyitselfisthefoundationofsustainabledevelopmentofIChighspeed.Themanufacturinglevelofdevelopmentoftheintegratedcircuittothedeepsubmicrontechnology,CMOSlowpowerconsumption,highspeedandhighintegrationhavebeenfullyreflected.Inthispaper,thecircuitsimulationandlayoutdesignofORCADandL-EDITCMOSinverterbasedonsimpleintroduction,throughthecircuitdesignandlayoutdesignprocessofCMOSinverter,wewillunderstandandabasicmethodandoperationprocess,familiarwithICCAD.

Keywords:

CMOSinverterlayoutORCADL-EDIT

绪论

20世纪是IC迅速发展的时代。

计算机等信息产业的飞速发展推动了集成电路（Integrated Circuit—IC）产业。

大多数超大规模集成电路（Very Large Scale IC—VLSI）在日常生活中有着广泛的应用。

集成电路的应用已深入到科学，工业农业，生活的每一个角落。

集成电路的发展迅速，与科学的进步和社会的驱动密不可分。

现在集成电路芯片的尺寸越来越小，时钟速度越来越快，电源电压越来越低，布线层数越来越多。

所以手工来完成这些工作已经不可能。

就必须利用一款和几款软件，由多数人共同完成。

。

而本文介绍的CMOS反相器就是集成电路中一种最基本的电路结构，我们将使用ORCAD软件画出电路的原理图，并完成功能仿真，使用L-EDIT软件画出电路的版图并完成电气性能验证。

门电路是构成各种复杂数字电路的基本逻辑单元，掌握各种门电路的逻辑功能和电气特性，对于正确使用数字集成电路是十分必要的。

MOS门电路：

以MOS管作为开关元件构成的门电路。

 MOS门电路，尤其是CMOS门电路具有制造工艺简单、集成度高、抗干扰能力强、功耗低、价格便宜等优点，得到了十分迅速的发展。

所谓CMOS （Complementary MOS），是在集成电路设计中，同时采用两种MOS器件：

NMOS和PMOS，并通常配对出现的一种电路结构。

CMOS电路及其技术已成为当今集成电路,尤其是大规模电路、超大规模集成电路的主流技术。

反相器是数字电路中的一种基本功能模块。

将两个串行反相器的输出作为一位寄存器的输入就构成了锁存器。

锁存器、数据选择器、译码器和状态机等精密数字符件都需要使用基本反相器。

本文就将详细讲述CMOS反相器的原理图设计功能仿真及版图设计验证。

1.软件介绍及电路原理

1.1软件介绍

ORCADCapture（以下以Capture代称）是一款基于Windows操作环境下的电路设计工具。

利用Capture软件，能够实现绘制电路原理图以及为制作PCB和可编程的逻辑设计提供连续性的仿真信息。

OrCADCapture作为行业标准的PCB原理图输入方式，是当今世界最流行的原理图输入工具之一，具有简单直观的用户设计界面。

OrCADCaptureCIS具有功能强大的元件信息系统，可以在线和集中管理元件数据库，从而大幅提升电路设计的效率。

OrCADCapture提供了完整的、可调整的原理图设计方法，能够有效应用于PCB的设计创建、管理和重用。

将原理图设计技术和PCB布局布线技术相结合，OrCAD能够帮助设计师从一开始就抓住设计意图。

不管是用于设计模拟电路、复杂的PCB、FPGA和CPLD、PCB改版的原理图修改，还是用于设计层次模块，OrCADCapture都能为设计师提供快速的设计输入工具。

此外，OrCADCapture原理图输入技术让设计师可以随时输入、修改和检验PCB设计。

CadenceOrCADCapture是一款多功能的PCB原理图输入工具。

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。

该软件功能十分强大，易学易用，包括S-Edit，T-Spice，W-Edit，L-Edit与LVS，从电路设计、分析模拟到电路布局一应俱全。

其中的L-Edit版图编辑器在国内应用广泛，具有很高知名度。

L-EditPro是TannerEDA软件公司所出品的一个IC设计和验证的高性能软件系统模块，具有高效率，交互式等特点，强大而且完善的功能包括从IC设计到输出，以及最后的加工服务，完全可以媲美百万美元级的IC设计软件。

L-EditPro包含IC设计编辑器（LayoutEditor）、自动布线系统（StandardCellPlace&Route）、线上设计规则检查器（DRC）、组件特性提取器（DeviceExtractor）、设计布局与电路netlist的比较器（LVS）、CMOSLibrary、MarcoLibrary，这些模块组成了一个完整的IC设计与验证解决方案。

L-EditPro丰富完善的功能为每个IC设计者和生产商提供了快速、易用、精确的设计系统。

1.2设计原理

CMOS结构的主要优点是电路的静态功耗非常小，电路结构简单规则，使得它可以用于大规模集成电路、超大规模集成电路。

为了能在同一硅材料（Wafer）上制作两种不同类型的MOS器件，必须构造两种不同类型的衬底。

在P型硅衬底上专门制作一块N型区域（n阱），作为PMOS的衬底。

为防止源/漏区与衬底出现正偏置，通常P型衬底应接电路中最低的电位，N型衬底应接电路中最高的电位。

为保证电位接触的良好，在接触点采用重掺杂结构。

CMOS反相器是由一个n管和一个p管组成的，p管源极接vdd，n管源极接gnd，若输入IN为低电平，则p管导通，n管截止，输出OUT为高电平D。

若输入IN为高电平，则n管导通，p管截止，输出OUT为低电平。

从而该电路实现了非的逻辑运算，构成了CMOS反相器。

当Ui=UIH = VDD,VTN导通,VTP截止,Uo =Uol≈0V 

当Ui= UIL=0V时,VTN截止,VTP导通,UO = UOH≈VDD 

还有就是CMOS电路的优点:

（1）微功耗。

CMOS电路静态电流很小，约为纳安数量级。

（2）抗干扰能力很强。

输入噪声容限可达到VDD/2。

（3）电源电压范围宽。

多数CMOS电路可在3～18V的电源电压范围内正常工作。

（4）输入阻抗高。

（5）负载能力强。

CMOS电路可以带50个同类门以上。

（6）逻辑摆幅大（低电平0V，高电平VDD ）

2.原理图绘制

（1）浏览组件库:

S-Edit本身附有4个组件库，它们分别是

在..\Tanner\S-Edit\library目录的scmos.sdb,spice.sdb,pages.sdb与element.sdb。

若要引入这些组件库中的模块，可以选择Module---SymbolBrowser命令，打开SymbolBrowser对话框，单击AddLibrary按钮，可加入要使用的组件库，本范例中加入了scmos,spice,pages与element组件库在Library列表中。

（2）从组件库引用模块:

编辑反相器电路会利用到NMOS,PMOS,Vdd与Gnd这4个模块，所以要从组件库中复制NMOS,PMOS,Vdd与Gnd这4个模块到文件，并在Module0中编辑画面引用。

（3）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。

将4个对象摆放到恰当位置用导线连接，若在两对象相连接处，各节点上小圆圈消失即代表连接成功。

（4）加入联机:

将4个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，注意控制鼠标键可将联机转向，按鼠标右键可终止联机。

（5）加入输入端口与输出端口:

利用S-Edit提供的输入端口按钮与输出端口按钮，标明此反相器的输入输出信号的位置与名称。

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，若输入端口或输出端口未与所要连接的端点相接，则可利用移动功能将IN输入端口移至反相器输入端，将OUT输出端口接至反相器输出端。

（6）加入工作电源：

选取直流电压源Source_v_dc作为此电路的工作电压源七、直流电压源Source_v_dc符号有正（+）端与负

（一）端。

Source_v_dc符号的正（+）端接Vdd,将直流电压源Source_v_dc符号的负（--）端接Gnd，两个全域符号Vdd及两个Gnd符号分开放置，所得电路图如下：

3电路仿真

3.1电路瞬态仿真

点击RUNPSPICE按钮，出现仿真界面如图。

添加一个波形显示窗口

添加纵坐标即可显示仿真波形

仿真结果如图

3.2直流仿真

直流仿真过程与前面类似

仿真结果如图

4版图设计及验证

4.1绘制反相器版图的前期设置

打开L-Edit程序，并将新文件另存以合适的文件名存储在一定的文件夹下：

在自己的计算机上一定的位置处打开L-Edit程序，此时L-Edit自动将工作文件命名为Layout1.sdb并显示在窗口的标题栏上。

而在本例中则在L-Edit文件夹中建立“inv”文件夹，并将新文件以文件名“inv”存与此文件夹中。

如图所示。

选择File->ReplaceSetup命令，在弹出的对话框中单击浏览按钮，按照路径..\Samples\SPR\example1\lights.tdb找到“lights.tdb”文件，单击OK即可。

此时可将lights.tdb文件的设定选择性的应用到目前编辑的文件中。

L-Edit编辑方式是以组件（Cell）为单位而不是以文件为单位，一个文件中可以包含多个组件，而每一个组件则表示一种说明或者一种电路版图。

每次打开一个新文件时便自动打开一个组件并命名为“Cell0”；也可以重命名组件名。

方法是选择Cell->Rename命令，在弹出的对话框中的Renamecellas文本框中输入符合实际电路的名称，如本设计中采用组件名“inv”即可,之后单击OK按钮。

如图所示。

绘制布局图必须要有确实的大小，因此要绘图前先要确认或设定坐标与实际长度的关系。

选择Setup->Design命令，打开SetDesign对话框，在Technology选项卡中出现使用技术的名称、单位与设定。

本设计中的技术单位是Lambda。

而Lambda单位与内部单位InternalUnit的关系可在TechnologySetup选项组中设定。

此次设计设定1个Lambda为1000个InternalUnit，也设定1个Lambda等于1个Micron。

接着选择Grid选项卡，其中包括使用格点显示设定、鼠标停格设定与坐标单位设定。

此次设计设定1个显示的格点等于1个坐标单元，设定当格点距离小于8个像素时不显示；设定鼠标光标显示为Smooth类型，设定鼠标锁定的格点为0.5个坐标单位；设定1个坐标单位为1000个内部单位。

4.2绘制反相器

4.2.1编辑PMOS

按照NWell层、PSelect层、Active层、Ploy层、Mental1层、Activecontact层的流程编辑PMOS组件[7]。

其中，NWell层宽为24个格点、高为15个格点，PSelect层宽为18个格点、高为10个格点，Active层宽为14个格点、高为5个格点，Ploy层宽为2个格点、高为20个格点，Mental1层宽为4个格点、高为4个格点，Activecontact层宽为2个格点、高为2个格点。

在设计各个图层时，一定要配合设计规则检查（DRC），参照设计规则反复修改对象。

这样才可以高效的设计出符合规则的版图。

PMOS组件的编辑结果如图所示。

PMOS组件结果图

4.2.2编辑NMOS

按照NSelect层、Active层、Ploy层、Mental1层、Activecontact层的流程编辑NMOS组件[8]。

其中，NSelect层宽为18个格点、高为9个格点，Active层宽为14个格点、高为5个格点，Ploy层宽为2个格点、高为9个格点，Mental1层宽为4个格点、高为4个格点，Activecontact层宽为2个格点、高为2个格点。

NMOS组件的编辑结果如图所示。

NMOS组件结果图

4.2.3其他部分

由于L-EDIT软件默认是使用P型衬底，所以要在P管加上N阱做衬底。

两个管子栅极相连打孔并外接出去连接输入端in，源漏相连外接至out。

我的最终的版图文件如图

4.3DRC验证

点击tools-DRC即可开始DRC验证。

验证结果如图

通过DRC验证。

结束语

课程设计是为了对课本知识的巩固和加强，由于课本上学到了很多都是理论知识的，不能很好的理解和运用，所以在这次课程设计过程中，对整个数字芯片全定制设计流程有了一个总体的认识。

同时也熟练掌握了ORCAD和L-EDIT软件操作。

通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。

同时，培养了团队合作精神，在这次的课设中遇到了比如在加信号时，关于时间的问题，还有版图设计涉及到VDD和GND的设计，在老师的指导下，和同学间的相互讨论，最后都得到了解决。

参考文献

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，2003年出版。

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，2003年出版。

高保嘉主编。

《MOSVLSI分析与设计》，电子工业出版社，2002年出版。

Martin,K.主编：

《DigitalIntegratedCircuitDesign》，电子工业出版社，2002年出版。

朱正涌编著.《半导体集成电路》,清华大学出版社,2001年出版.

杨之廉等编著.《超大规模集成电路设计方法学导论》（第2版），清华大学出版社,2002年出版。

《集成电路软件》课程设计成绩评定表

姓名

蒋建峰

性别

男

专业、班级

电子1001

题目：

cmos反相器的电路设计及版图设计

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