反相器的设计与仿真.docx
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反相器的设计与仿真
0.18umCMOS反相器的设计与仿真
2016311030103吴昊
1.实验目的
在SMIC0.18umCMOSmix-signal环境下设计一个反相器，
使其tpHL二tpLH,并且tp越小越好。
利用这个反相器驱动2pf电容,
观察tp。
以这个反相器为最小单元，驱动6pf电容，总延迟越小越好。
制作版图，后仿真，提取参数。
2.实验原理
1•反相器特性
1、输出高低电平为VDD和GND电压摆幅等于电源电压；
2、逻辑电平与器件尺寸无关；
3、稳态是总存在输出到电源或者地通路；
4、输入阻抗高；
5、稳态时电源和地没通路；
2•开关阈值电压Vm和噪声容限
Vm的值取决于kp/kn
L"W
k=-
所以P管和N管的宽长比值不同，Vm的值不同。
增加P管宽度使Vm移向Vdd，增加N管宽度使Vm移向GNB当Vm=1/2Vdd时,得到最大噪声容限。
要使得噪声容限最大，PMOS部分的尺寸要比NMOS大，计算结果是3.5倍，实际设计中一般是2~2.5倍。
3•反向器传播延迟优化
1、使电容最小（负载电容、自载电容、连线电容）
漏端扩散区的面积应尽可能小
输入电容要考虑：
（1）Cgs随栅压而变化
（2）密勒效应
（3）自举电路
2、使晶体管的等效导通电阻（输出电阻）较小：
加大晶体管的尺寸（驱动能力）
但这同时加大自载电容和负载电容（下一级晶体管的输入电容）
3、提咼电源电压
提高电源电压可以降低延时，即可用功耗换取性能。
但超过一定程度后改善有限。
电压过高会引起可靠性问题•当电源电压超过2Vt以后作用不明显.
4、对称性设计要求
令Wp/Wn二卩p/卩u可得到相等的上升延时和下降延时，即tpHL二tpLH。
仿真结果表明：
当P,N管尺寸比为1.9时，延时最小，在2.4时为上升和下降延时相等。
4•反相器驱动能力考虑
1•单个反相器驱动固定负载
tp=0.69切0（1+Ce.xt/SCiref）-
tp0为反相器的本征延迟，S是反向尺寸与参照反相器尺寸的比
值。
tp0与门的尺寸大小无关而仅与工艺及版图有关。
无负载时，增加门的尺寸不能减少延迟。
有负载时，S很大时（大于等于10）使反相器延迟趋于本征延迟，因此继续加大尺寸不会有什么改善而只会显著增加面积。
、
2•反相器驱动大负载电容（反相器链）
给定负载CL，给定输入电容Cin时，可由公式
得到尺寸放大系数f和反相器级数N的关系。
又因为驱动大负载电容时最优f=3.6,tp最小。
所以即可以确定
一个正确的反相器级数N来最小化延迟。
3.实验内容
1•反相器设计
经过不断的调整与仿真，在保证VM=1/2（VDD）=900mv同时尽量减
小延时，最终确定Wp/Wn=47u/15u,管子较大为了确保反相器链的级
数不会过多
反相器电路图：
反相器符号图:
反相器仿真图:
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由tran仿真结果可知，tpHL=0.09ns^tpLH
利用这个反相器驱动2pf电容，观察tran仿真结果:
由图可知tp为2ns,延迟较大，可见单个反相器的驱动能力有限
输入栅电容计算:
Pmos电容参数:
IS.7270856f
16,3051250s
-15.6S09D21f
-46.1998300a
-21629G5349y
15C9S6501f
-15.G9069O9f
111471030c
-is72S3oegf
-1969BG396f
55.O0293O9f
-19e589SS2f
32.1589001f
S2.7S61092f
-17764000a
-66.8012646Z
-19P7033377f
19.7051809f
194.3B47329p
pmos输入栅电容二Cgs+Cgd=19.659f+19.698ff
Nmos电容参数:
dhb
G
329S»7f
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Nmos输入栅电容二Cgs+Cgd=15.307f+15.500f
Cgin=19.659f+19.698f+5.307f+15.500f=70.164ff
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2.设计反相器链驱动6pf电容
参数计算：
反相器链级数N的计算：
由公共F二CL/Cgin,1=6pf/70.164ff=85.5
因为反相器链的最优尺寸放大比例f=3.6,又知道F=85.5
所以可由f=Nf得N=lnF/lnf=3.472,
即反相器链的级数N为4时，延迟最小。
延迟tp计算:
tpO为反相器空载延迟=0.09ns
r为自载系数~1
所以计算可得tp=1.44ns
原理图:
»
PIE
*60911
nIS
JflWn
Mn1BPF.
w=
测试图:
Tran仿真:
由图可知，tp~1.49ns,符合理论计算值的结果。
表明通过反相器链有效增强了其驱动能力。
版图:
DRC:
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PEX
实验小结:
通过本次实验，使我对CANDENCE
工具使用更加熟练。
加强了我我对反相器的静态特性和动态特性的理
解。
从一个设计者的角度，我学会了如何加强反相器稳定性，优化驱动能力，减小传播延迟，节省版图面积。
目录
第一章总论错误！
未定义书签
一、项目概况错误！
未定义书签＜
二、项目提出的理由与过程错误！
未定义书签＜
三、项目建设的必要性错误！
未定义书签＜
四、项目的可行性错误！
未定义书签＜
第二章市场预测错误！
未定义书签
一、市场分析错误！
未定义书签＜
二、市场预测错误！
未定义书签＜
三、产品市场竞争力分析错误！
未定义书签＜
第三章建设规模与产品方案错误！
未定义书签
一、建设规模错误！
未定义书签＜
二、产品方案错误！
未定义书签＜
三、质量标准错误！
未定义书签＜
第四章项目建设地点■错误！
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一、项目建设地点选择錯误！
未定义书签＜
二、项目建设地条件•错误！
未定义书签＜
第五章技术方案、设备方案和工程方案错误！
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一、技术方案错误！
未定义书签＜
二、产品特点错误！
未定义书签＜
三、主要设备方案错误！
未定义书签＜
四、工程方案错误！
未定义书签＜
第六章原材料与原料供应错误！
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一、原料来源及运输方式错误！
未定义书签＜
二、燃料供应与运输方式错误！
未定义书签＜
第七章总图布置、运输、总体布局与公用辅助工程错误！
未定义书签
一、总图布置错误！
未定义书签＜
二、运输错误！
未定义书签＜
三、总体布局错误！
未定义书签＜
四、公用辅助工程错误！
未定义书签＜
第八章节能、节水与安全措施错误！
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一、主要依据及标准•错误！
未定义书签＜
二、节能错误！
未定义书签＜
三、节水错误！
未定义书签＜
四、消防与安全错误！
未定义书签＜
第九章环境影响与评价■错误！
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一、法规依据错误！
未定义书签＜
二、项目建设对环境影响错误！
未定义书签＜
三、环境保护措施错误！
未定义书签＜
四、环境影响评价错误！
未定义书签＜
第十章项目组织管理与运行错..误！
未定义书签
一、项目建设期管理错.误！
未定义书签
二、项目运行期组织管理错.误！
未定义书签
第十一章项目实施进度错..误！
未定义书签
第十二章投资估算和资金筹措错..误！
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一、投资估算错..误！
未定义书签
二、资金筹措错..误！
未定义书签
第十三章财务评价与效益分析错..误！
未定义书签
一、项目财务评价错.误！
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二、财务评价结论错.误！
未定义书签
三、社会效益错..误！
未定义书签
四、生态效益错..误！
未定义书签
第十四章风险分析错..误！
未定义书签
一、主要风险分析识别错.误！
未定义书签
二、风险程度分析及防范风险的措施错误！
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第十五章招标方案错..误！
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一、招标范围错..误！
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二、招标组织形式错.误！
未定义书签
三、招标方式错..误！
未定义书签
第十六章结论与建议错..误！
未定义书签
一、可行性研究结论错.误！
未定义书签
二、建议错..误！
未定义书签
附件错...误！
未定义书签
一、附表错..误！
未定义书签
二、附件错..误！
未定义书签
三、附图错..误！
未定义书签
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