四输入或非门版图设计.docx

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四输入或非门版图设计

四输入或非门课程设计

学生姓名：

专业班级：

指导教师：

工作单位：

题目:

四输入或非门的设计

初始条件：

计算机、ORCAD软件，L-EDIT软件

要求完成的主要任务:

（包括集成电路专项实践工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

1、集成电路专项实践工作量：

1周

2、技术要求：

（1）学习ORCAD软件，L-EDIT软件。

（2）设计一个四输入或非门电路。

（3）利用ORCAD软件，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布置集成电路专项实践任务、选题；讲解集成电路专项实践具体实施计划及课程设计报告格式的要求；集成电路专项实践答疑事项。

2015.6.19-6.20学习ORCAD软件，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用ORCAD软件设计四输入或非门电路并进行仿真工作，再利用L-EDIT软件绘制其版图，完成集成电路专项实践报告的撰写。

2015.6.26提交集成电路专项实践报告，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

性能优越的四输入或非门是数字电路中很常见的一种逻辑电路，可广泛应用于算术逻辑单元等电路中。

CMOS集成电路由于工艺技术的进步以及功耗低、稳定性高、抗干扰性强、噪声容限大、可适应较宽的环境温度和电源电压等一系列的优点，成为现在IC设计的主流技术。

本文首先介绍了CMOS四输入或非门电路，紧接着介绍了ORCAD软件，并利用此软件搭建了仿真电路图，对电路进行了仿真分析。

最后介绍了L-EDIT软件，并利用此软件绘制了该电路的版图。

关键词：

四输入或非门；ORCAD；L-EDIT；版图

Abstract

Thesuperiorperformanceoffourinputorgate,alogicalcircuitindigitalcircuits,isverycommon.Itcanbewidelyusedinthearithmeticlogicunitcircuits.CMOSintegratedcircuitsduetotechnologyprogressandlowpowerconsumption,highstability,strongantiinterference,noisemarginlimit,canadapttoawideambienttemperatureandsupplyvoltageandaseriesofadvantages,becomethemainstreamtechnologyofICdesignnow.

Inthispaper,wefirstintroducetheCMOSfour-inputNORcircuit,followedbytheintroductionofORCADsoftware,andusethesoftwaretobuildthecircuitsimulation,thesimulationofthecircuitisanalyzed.Attheendofthepaper,theL-EDITsoftwareisintroduced,andthelayoutofthecircuitisdrawn.

Keywords:

four-inputNORgate;ORCAD;L-EDIT;layout

1绪论

或非门是数字逻辑中实现逻辑或非的逻辑门。

有多个输入端、1个输出端，每增加一个输入端只需增加一对CMOS管。

若输入中有高电平“1”，则输出为低电平“0”；否则输出为高电平“1”。

或非门在实际运用中相当普遍，在集成电路设计中或非门及及非门也是主要的数字集成组成方法。

CMOS集成电路采用场效应管，且都是互补结构，工作时两个串联的场效应管总是处于一个管导通，另一个管截止的状态，电路静态功耗理论上为零。

实际上，由于存在漏电流，CMOS电路尚有微量静态功耗。

单个门电路的功耗典型值仅为20mW，动态功耗（在1MHz工作频率时）也仅为几mW。

CMOS集成电路供电简单，供电电源体积小，基本上不需稳压。

CMOS集成电路由于工艺技术的进步以及功耗低、稳定性高、抗干扰性强、噪声容限大、可等比例缩小、以及可适应较宽的环境温度和电源电压等一系列优点，成为现在IC设计的主流技术。

在CMOS集成电路设计中，或非电路的设计及应用是非常重要的。

IC设计者可以根据芯片的不同功能和要求采用各种不同结构的或非电路，从而实现电路的最优化设计[5]。

CMOS或非门的版图设计是集成电路设计中的一个重要单元，它的复杂度及功耗密切相关，越复杂功耗就越大。

如何在保持高性能的情况下减小芯片面积和功耗，无疑是设计的关键，这要求设计者对芯片的重要部件进行各方面的优化。

Capture提供层次式电路和平坦式电路两种原理图绘制方式，设计师可以更快、更简捷、更直观地完成原理图设计及绘制。

L-Edit是Tanner公司的全定制版图编辑工具。

它具有速度快、功能强、使用方便和分层设计的特点。

ORCAD软件和L-EDIT软件是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，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[2]。

2四输入或非门

2.1四输入或非门的电路结构

四输入或非门是最常用的基本功能电路之一，广泛应用于数字逻辑电路电路设计中。

在本次课程设计中，采用CMOS管实现或非逻辑结构，CMOS逻辑门电路功耗极低，成本低，电源电压范围宽，逻辑度高，抗干扰能力强，输入阻抗高，扇出能力强[2]。

用N沟通增强型场效应管构成的逻辑电路称为NMOS电路；用P沟道场效应管构成的逻辑电路称为PMOS电路；CMOS电路则是NMOS和PMOS的互补型电路。

四输入或非门真值表如表1。

表1四输入或非门的真值表

本次设计的四输入或非门有8个MOS管组成，其中4个NMOS，4个PMOS，只要一个输入端为高电平（假设B为高电平），则及B相连的PMOS截止，NMOS导通，形成该输出Y到地的通路，阻断VCC到Y的通路，形成一个截止PMOS（无穷大电阻）及导通NMOS（有限的下拉电阻）的分压电路，因此输出Y为低电平；若输入均为低电平，则左右的NMOS都截止，PMOS都导通，形成VCC到Y的通路，因此输出为高电平。

原理图如图1。

图1四输入或非门的原理图

2.2四输入或非门的电路设计及仿真

2.2.1ORCAD软件介绍

ORCAD是一套在个人电脑的电子设计自动化套装软件，专门用来让电子工程师设计电路图及相关图表，设计印刷电路板所用的印刷图，及电路的模拟之用。

ORCADCaptureCIS在原理图输入基础上，加入了强大的元件信息系统，可用于创建、跟踪和认证元件，便于优选库和已有元件库的重用。

图形化、平面化和层次化设计能力提高了原理图设计效率，集中管理物料编号和器件信息，可进行数据流程、封装以及互联的在线设计规则检查，这种简单的原理图输入技术让设计师能够更好的发挥他们的创造力，专注于电路设计，而不是忙碌于工具层面的操作[6]。

2.2.2绘制电路图

使用ORCAD软件按照四输入或非门的原理图绘制电路，选择合适的元件及端口，绘制的原理图如图2。

在该电路中，PMOS和NMOS呈现对称状态，PMOS组成上拉通路，NMOS组成下拉通路。

各个MOS管的状态和输出Y随着输入A、B、C、D的变化状态如表3.1所示（“高”指高电平，“低”指低电平）。

图2用ORCAD绘制的四输入或非门的电路图

2.2.3电路仿真

为验证此异或门的正确性，需要进行仿真以验证它的正确性。

查看电路图中各偏置点电压，电流和功耗情况如图3所示。

从图3可以看出各个MOS管的导通电压在nV级，截止电流仅为pA级，静态功耗为在pW级以下，电路静态功耗很小[4]。

各处的电压、电流和功耗值均在正常范围内，单从偏置点情况来看，电路工作正常。

图3各偏置点电压，电流和功耗情况

对原理图进行仿真。

给四输入或非门的输入端加入激励信号。

仿真中高电平为V1=5V，低电平为GND。

进行仿真，输出波形。

波形图如下图4。

图4四输入或非门电路输入输出波形图

由图4波形可以看出，激励源的波形具有一般性，而且输入A、B、C、D和输出Y的波形图满足或非运算关系。

2.4四输入或非门的版图绘制

2.4.1L-EDIT软件介绍

L-EDIT是TannerToolsPro工具软件中的一个软件包，可以在同一窗口中进行版图设计、设计规则检查、网表提取、标准单元自动布局及布线等工作。

L-Edit对掩膜版层数、分层数和单元数没有限制，基本图形有矩形、多边形、圆、线和标注等，并可处理90°、45°和任意角；用户可以设置调色板、线型、放大和缩小；输入输出有TDB、CIF和GDSII三种格式；可在绘图机和普通打印机上实现输出硬拷贝[1]。

另外L-Edit将TannerTools中除NetTran、GateSim和LVS之外的其它所有功能集成在自己的环境中，包括SPR（自动布局布线）、DRC（版图几何规则检查）、Extract（版图参数提取）和CSV（Cross-SectionViewer，版图横截面观察）等。

2.4.2版图绘制

根据本次CMOS异或门的设计任务，可以进行分层次设计绘制版图，需要先把NMOS管和PMOS管cell单元绘制出来，然后再把CMOS反相器和需要用到的派生CMOS结构绘制出来，最后利用这些cell单元进行连接，把CMOS或非门的版图画出来，完成本次版图设计任务[4]。

在L-EDIT的使用中需要注意L-EDIT的编辑环境是预设在P型基板上的，故在P基板上绘制PMOS的第一步是作出N-well区，即需要预设N阱区[3]；各个图层的绘制无先后顺序；要及时进行DRC检查以排除错误，绘制每一个图层都要及时进行DRC检查。

PMOS器件的版图如图4所示。

左为衬底版图，右为源栅漏三极版图。

图5PMOS版图

NMOS器件的版图如图5所示。

左为衬底版图，右为源栅漏三极版图。

图6NMOS版图

图7输入端口版图

将NMOS、PMOS、衬底、输入、输出用金属图层链接起来，绘制出完整的版图，如图8。

图8四输入或非门电路版图

将绘制的cell单元的版图进行组合，并进行各层的最终连接，便可得到CMOS四输入或非门的版图，在各层的绘制过程中都可以对版图进行截面观察，全部完成后在版图的部分的截图如图7和图8所示。

图9版图截面图上

图10版图截面图下

最后得到CMOS四输入或非门的版图，在各层的绘制过程中都要及时进行DRC检查，以便及时检测版图是否符合几何设计规则，最终的DRC检查结果如图11所示。

图11DRC验证结果

由图9可以看出，CMOS四输入或非门版图无DRC错误。

至此，便完成了CMOS四输入或非门版图的制作。

3总结

通过本次专项实践的学习，综合运用所学的知识完成了设计任务。

使我更进一步熟悉了专业知识，并深入掌握仿真方法和工具、同时为集成设计打基础的实践环节。

进一步熟悉设计中使用的主流工具，学习了良好的技术文档撰写方法；了解版图设计；加深综合对所学课程基础知识和基本理论的理解好掌握，培养了综合运用所学知识，独立分析和解决工程技术问题的能力；培养了在理论计算、制图、运用标准和规范、查阅设计手册及资料以及应用工具等方面的能力，逐步树立正确的设计思想。

在老师布置好题目后，我仔细进行设计，通过查阅各种参考书籍，最终把实验做出来了，达到了老师对本实验的要求。

在这次设计中我收获颇丰，首先最直接的收获就是我巩固了超大规模集成电路设计课程所学的知识，把它运用到实践中去，并且学到了许多在课本中所没有的知识。

通过查阅相关知识，进一步加深对集成电路设计流程的了解。

其次，我们不管做什么都不能粗心，如若画版图之前为添加正确的设计规则，就可能找不到本次设计需要的图层[6]，整个版图就要被丢弃，在此过程中虽然浪费了不少时间，但这也让我注意到实际做设计时应该应该注意的问题，意识到自己的不足，对学过的知识了解不够深刻，掌握的不足够。

通过对典型IC集成电路的原理图和版图的绘制及仿真，对模拟电路的工作原理有了进一步的了解。

再借助ORCAD软件和L-EDIT模拟电路的原理图绘制及其版图生成，熟悉了计算机辅助技术在此方面的应用，以增强计算机辅助电路模拟及设计的信心。

总的来说，这次设计还算成功，也让我明白了要把理论知识及实践结合起来，从实践中强化自己的理论，才能更好提高自己的实际动手能力和独立思考能力。

如果在设计过程中遇到问题时，我们要有耐心的查找错误，这也是学习的过程。

参考文献

[1]权海洋.超大规模集成电路设计及实践.西安：

西安电子科技大学出版社，2002.5

[2]孙润.TANNER集成电路设计教程.北京：

希望电子出版社，2002.9

[3]朱正涌.半导体集成电路.北京：

清华大学出版社，2001.12

[4]谢嘉奎.电子线路.北京：

高等教育出版社，2013.3

[5]童诗白.模拟电子技术基础.北京：

电子工业出版社，2011.7

[6]贾新章.电子电路CAD技术.西安：

西安电子科技大学出版社，2002.3

本科生课程设计成绩评定表

姓名

性别

专业、班级

课程设计题目：

四输入或非门的设计

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