全定制施密特触发器.docx

1、全定制施密特触发器成 绩 评 定 表学生姓名班级学号专 业课程设计题目评语组长签字：成绩日期 20 年 月 日课程设计任务书学 院专 业电子科学与技术学生姓名班级学号课程设计题目施密特触发器设计 实践教学要求与任务:完成施密特触发器电路设计。 （1）电路面积最优； （2）注意设计CMOS工艺实现； （3）回差不限； （4）输出状态切换时间0.1ns； （5）采用gpdk0.18 通用工艺模型库； （6）完成全部流程：设计规范文档、原理图输入、功能仿真、基本单元版图、整体版图、物理验证等。 工作计划与进度安排:第 1-2 天：讲解题目，准备参考资料，检查、调试实验软硬件，进入设计环境，开始 设计

2、方案和验证方案的准备； 第3 天：完成设计与验证方案，经指导老师验收后进入模块电路设计； 第4-5 天：完成电路设计，并完成功能仿真； 第 6 天：单元版图设计并物理验证 ； 第7-8 天：布局布线，完成版图； 第9 天：物理验证、后仿真，修改设计； 第10 天：整理设计资料，验收合格后进行答辩。 指导教师： 201 年 月 日专业负责人：201 年 月 日学院教学副院长：201 年 月 日摘 要施密特触发器（Schmitt Trigger）是脉冲波形变换中经常使用的一种电路。利用它所具有的电位触发特性，可以进行脉冲整形，把边沿不够规则的脉冲整形为边沿陡峭的矩形脉冲；通过它可以进行波形变换，把

3、正弦波变换成矩形波；另一个重要用途就是进行信号幅度鉴别，只要信号幅度达到某一设定值，触发器就翻转。本次课程设计是在cadence公司的全定制平台IC5141下，完成了施密特触发器的全定制电路设计。根据施密特触发器在性能上的特点以及设计要求，采用180nmpdk工艺库并用CMOS工艺实现。实现施密特触发器的关键是反馈电路的构建，最简单的方法是采用电阻反馈的方式。首先，根据电路图进行原理图的绘制，然后进行电路测试。在版图部分要对N管和P管进行例化。最后，进行DRC和LVS验证。IC5141工具主要包括集成平台design frame work II、原理图编辑工具virtuoso schemati

4、c editor、仿真工具spectre、版图编辑工具virtuoso layout editor、以及物理验证工具diva。关键字：施密特触发器；全定制；物理验证； 目 录1 电路设计 11.1 原理分析 11.2 施密特触发器电路 12 施密特原理图输入 32.1 建立设计库 32.2 电路原理图输入 43电路仿真与分析 53.1 创建symbol 53.2 创建仿真电路图 53.3 电路仿真与分析 64 电路版图设计 94.1 建立pCell库版图 94.2 pCell库器件参数化 114.3 器件板图绘制 145物理验证 175.1 设计规则检查DRC 175.2 LVS检查 17结

5、论 21参考文献 221 电路设计1.1 原理分析施密特触发器是一种特殊的门电路，与普通的门电路不同，施密特触发器有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压和负向阈值电压。在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压VT+，在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为负向阈值电压VT-。正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压 VT。1.2 施密特触发器电路将两级反相器串接起,同时通过分压电阻把输出端的电压反馈到输入端，就构成了图1-1(a)所示的施密特触发器电路。其中G1、G2是CMOS电路，它们的阈值电压VTH=0.5VDD，且R

6、1”Wire(narrow)”或点击工具栏中的放置细线或用快捷键w，便可以将已经放置好的元件连接起来。4）添加输入输出端口：完成连线后直接添加pin完成原理图输入。选择“Add”-“Pin”或点击工具栏中的放置端口或用快捷键P均可，弹出pin选项表，填好端口名，并使之与端口方向（分别为input和output）的选项一致，即可完成输入输出端口的添加。5）检查与保存。选择“Design”-“Check and Save”，如果电路图有绘制问题，会报告出错。至此我们就完成了整体电路图绘制。整体原理图如图2.2所示：图2.2 施密特触发器原理图3电路仿真与分析3.1 创建symbol完成原理图之后，

7、为便于进行仿真，需要进行symbol的创建。（1）生成符号图：在原理图编辑窗口，点击菜单项DesignCreate Cellview From Cellview，出现symbol生成选项表(图3.1上部分)，点击OK按钮出现图3.1下部分。图3.1 symbol 生成选项表在的表项中只采用默认值，直接点击OK按钮，即可看到symbol编辑窗口。3.2 创建仿真电路图完成电路原理图的输入之后，为了对设计进行仿真和性能分析，需要建立一个仿真平台，将电源、各种激励信号输入待测的电路inv，然后采用仿真器进行分析。1）建立设计原理图：在命令解释器窗口CIW中选菜单项FileNewCellview ,出

8、现“Create New File”对话框，填写、选择相应的选项，点击OK按钮，进入原理图编辑器virtuoso schematic editor界面。（同前述电路原理图输入时的操作一样）。2）例化并添加器件：在原理图编辑器中选择菜单项AddInstance（或者按快捷键i，或者点击编辑器左侧的工具栏Instance按钮均可）出现例化选项表。分别添加vdd和gnd(注意这里采用的是analogLib库中的元件)。添加负载电容，设置电源vdc和输入信号。3）器件互联：连线这里不详述，操作同电路原理图输入。最后得到的仿真电路图如图3.2所示一致。图3.2 施密特触发器仿真电路图3.3 电路仿真与分

9、析对于ic5141模拟设计环境ADE来说，默认的仿真器是spectre，这里直接采用spectre对设计进行仿真和分析。（1）启动模拟设计环境ADE（Analog Design Environment）：在图3.2的窗口中选择菜单项ToolsAnalog Environment，随即启动ADE。窗口如图3.3所示。所示我们的电路仿真与分析就要在该平台下进行。图3.3 ADE启动界面（2）添加模型与仿真文件：在图3.3的界面中，选择菜单项SetupModel Libraries，进入ModelSetup Library窗口。然后点击右下角的Browse按钮，进入模型库的选择，如下图3.4所示。点

10、击OK按钮选中模型文件gpdk.scs，窗口回到Model Library Setup界面。在Section(opt)下的框中填入stat，点击Add按钮添加模型文件。最后点击OK选中模型文件并退出。选定模型后，还需要设置仿真文件。选择菜单选项SetupSimulation Files，弹窗口中填入仿真文件的路径，点击OK完成设置。图3.4 仿真分析模型选择（3）设置分析类型：根据不同的需要，可以对电路进行不同类型的分析。在此选择瞬态（transient）分析。在ADE界面中，选择菜单项AnalysesChoose，选择仿真参数和类型，分析时间相对于激励适当即可。（4）信号分析输出捕捉：这里选

11、择需要查看的信号。在ADE界面中，选择菜单项OutputTo be plottedSelect On Schematic，此时invTest的原理图窗口变成活跃的，直接用鼠标点击需要查看的信号即可。这里选择inv的输入和输出信号线，可以看见这两个信号线的颜色发生了变化，表示被选中。（5）运行仿真与波形查看：选中信号后回到ADE窗口，此时的窗口内容如下图3.5所示。图3.5 完成设置的ADE选择菜单项SimulationNetlist and run（或相应工具栏按钮），运行仿真，直接点击OK关闭弹出的欢迎页（Welcome to spectre）。随即出现仿真文字输出和波形输出。波形如图3.6

12、所示：图3.6 施密特触发器输出波形4 电路版图设计本课程设计采用工具软件为cadence平台ic5.1.41，主要为Virtuoso，用于原理图、版图输入，DIVA用于提取、DRC、LVS。这里首先建立一个基本器件版图库，再将器件加上参数，使之成为参数化单元库（Parameterized Cell）。然后在参数化器件基础上，绘制设计的版图。最后对设计版图进行版图提取、DRC/LVS验证。4.1 建立pCell库版图软件工具启动后，关闭“whats new”窗口，新建参数化器件库pCell。在CIW（Command Interpreter Window）界面选择菜单项FileNewLibrar

13、y，弹出如下图4.1所示窗口。图4.1 新建设计库1）完成建库后就可以在该设计库pCell中设计器件。在CIW界面选择菜单项FileNew Cellview，弹出窗口，按照要求填写与选择，点击按钮OK完成mypmos器件文件创建。随后出现的界面就是版图编辑器窗口。2）N阱绘制：回到编辑窗口中，选择菜单项CreateRectangle（或工具栏Rectangle，或快捷键r），直接点击Hide按钮隐藏弹出窗口。在编辑窗口移动鼠标，查看窗口菜单项上方的坐标显示，在位置（0，0）单击鼠标，向右上方拉伸至（2.78，1.6）再次单击，完成N阱绘制。3）在LSW界面点击下方Nimp条形栏，选中Nimp作

14、为当前绘图层。回到编辑窗口中，仍采用Rectangle形状进行绘制。用同样方法绘制Pimp，此时完成注入区（Nimp、Pimp）的绘制。4）然后要进行Poly层制作。在LSW窗口选中Poly，回到编辑窗口中，选择菜单项CreatePath（或工具栏Path，或快捷键p），出现弹出窗口，宽度Width项填入0.18，即可进行Poly的绘制。5）最后应该绘制的是，Oxide、 两处 Metal1、三处Cont。注意相应的坐标，切勿出错。最后得到完整的PMOS绘图如下图4.2所示：图4.2 PMOS版图在版图编辑窗口，选中菜单项DesignSave As，将当前设计mypmos的PMOS版图另存于同

15、一库中，并命名mynmos。然后选中菜单项WindowClose，关闭mypmos。再在CIW窗口选中菜单项FileOpen，以编辑方式打开mynmos版图。在版图编辑器中，删去mynmos的Nwell图层；在保持几何尺寸不变的条件下，将原来Pimp图层改成Nimp， 将原来Nimp改为Pimp；其余的图层保持不变。这样就得到了一个NMOS的版图，如下图4.3所示：图4.3 NMOS版图4.2 pCell库器件参数化 1）长度length和宽度width设置参数：这里对MOS器件所设的参数为管子长度length和宽度width。首先在CIW中选菜单项FileOpen，以编辑方式打开mypmos

16、版图，开始进行参数设置。在版图编辑器窗口，选菜单项ToolsPcell，则在编辑器中多出一菜单项Pcell。先进行宽度参数设定。选菜单项PcellStretch in Y启动命令，然后移动鼠标在点（-0.15，0.8）附近单击一下，会看到一条以单击点为起点的水平直线，向右拉伸，穿过三个cont，在点（3，0.8）附近双击鼠标（仍可用Backspace取消前一单击点），出现弹出Y向拉伸参数窗口，并参照图示填写、选择相关内容，点击按钮OK完成设定。2）编译：设定width参数后，要进行编译：Pcell CompileTo Pcell，在弹出窗口中选择transistor，并按钮OK完成设置（只在第

17、一次编译中出现）。编译完后就要实际验证一下。在CIW窗口，选择菜单FileNewCellview，任意命名一个cell（单元），比如pcellTest，主要用来测试刚刚编译过的pcell。在pcellTest的版图编辑界面，例化pCell库中的pmos版图，弹出窗口如下图4.4，可见width参数项。图4.4 width参数变化对参数width分别给以不同的数值，这里是0.6和1.2，查看例化结果。从下图4.5 width参数变化见cont的尺寸发生变化，这是不希望的。 图4.5 参数设定 尺寸问题的变化是这样解决的，在mypmos版图编辑界面，执行菜单命令Pcell RepetitionRe

18、peat in Y，然后在窗口中用鼠标分别单击三个cont，三个cont随即高亮表示被选中。若有别的图层被选中，可按住键盘的Ctrl键再在多余的图层单击鼠标左键即可。单击选中三个cont之后按键盘Enter键，或者选中最后一个cont时双击鼠标，就会出现如图4.6所示的表单项。完成这个参数设置之后点击OK按钮。先编译，再查看总结。图4.6 Y向重复选项参数同样要进行例化验证，将参数width分别设为默认值和1。至此，参数width设置完成，下面来进行参数length的设置。在版图编辑窗口，执行菜单命令Pcell Stretch in X，移动鼠标至点（1.59，1.8）附近单击，垂直垂直拉伸至

19、点（1.59，-0.2）附近双击，会有窗口弹出，如图4.7所示。图4.7 X向伸展和length参数设置 照上图填写、选择之后按OK键。然后进行编译、查看参数总结，如图4.8所示。图4.8 参数总结 图4.9是将参数length分别设为默认值和0.36的例化结果。图4.9 length参数例化验证PMOS管的两个参数width和length已经设置完成，可以正常使用了。和PMOS的参数化一样，NMOS做法步骤完全一样。至此，pCell库中的两个单元（cell）pmos和nmos版图已经参数化完成，拥有长度length和宽度width两个参数，并且cont在宽度方向上随width参数改变而重复，

20、这些在设计中都可以直接使用。注意在今后的设计当中，应尽量使用厂商提供的pdk中的参数化器件。下面就利用pCell库中的参数化单元进行电路版图制。4.3 器件板图绘制要求为设计单独建一个库，例示中命名为mylib。操作同前述所有的建库操作一样。在设计库mylib中创建cell，使用菜单命令FileNewCellview，弹出如下窗口，填写、选择完成点击OK按钮，进入名为sub 单元（cell）的版图编辑界面。1）PMOS和NMOS的例化：在版图编辑界面中，直接按下键盘中i键，弹出例化cell的窗口，如下图填写、选择，完成例化PMOS单元，如图4.10所示。图4.10 PMOS的表单与摆放当点击H

21、ide按钮后，Create Instance窗口消失，在版图编辑窗口出现一个随鼠标移动的PMOS管。同样例化一个NMOS管，见下图4.11。图4.11 NMOS的表单与摆放 2）反相器版图的绘制：反相器由一个PMOS管和NMOS管构成，先摆放PMOS管和NMOS，在用Metal1和Poly进行连接，接口pin用Metal1连接出来即可。反相器版图如图4.12所示。图4.12 反相器版图对例化的PMOS、NMOS及反相器进行调用，在新的版图编辑窗口将调用的元件按电路原理图摆放，计算好个器件之间的最小尺寸，以达到面积的优化。施密特触发器的版图如图4.13所示。图4.13 施密特触发器版图5物理验证

22、5.1 设计规则检查DRC设计规则是集成电路版图各种几何图形尺寸的规范，DRC是在产生掩模图形之前，按照设计规则对版图几何图形的宽度、间距及层与层之间的相对位置等进行检查，以确保设计的版图没有违反预定的设计规则，能在特定的集成电路制造工艺下流片成功，并且具有较高的成品率。不同的集成电路工艺都具有与之对应的设计规则，因此设计规则检查与集成电路的工艺有关。一般情况下，手动绘制版图过程中，每完成一部分都要进行DRC检查。在版图编辑界面，执行菜单命令VerifyDRC，启动DIVA，弹出DRC窗口，如下图5.1所示。图5.1启动窗口与报告由图5.1中的检测报告可知，本次设计顺利的通过了DRC检测，完全

23、满足几何尺寸方面的要求。5.2 LVS检查LVS有好几个对比的对象，但通常是指版图的提取与电路原理图之间的对比，因此这两个文件是一定要具备。首先进行版图的提取。在inv 单元版图编辑窗口执行菜单命令VerifyExtract命令进行版图提取，出现如图5.2的界面，直接点击OK按钮就可以完成提取，保存在当前库。图5.2版图提取表项留意CIW中的提取提示。为避免版图之间混淆，可以关闭sub 单元版图编辑窗口，然后再在CIW窗口打开提取的版图。FileOpen，出现如图5.3所示的窗口，打开提取的版图进行LVS检查。图5.3 打开提取版图原理图就是前面仿真的电路图，一并打开。在提取的版图窗口执行菜单

24、命令VerifyLVS，出现如图5.4所示的界面。 图5.4 LVS表项在schematic或extracted项下可以采用browse按钮选择对应的单元和视图，或者点击各自对应的按钮“Sel by Cursor”，然后再去点击相应的scematic或者extracted版图窗口，就会发现相应的空格位置已经填上正确的内容。点击Run按钮运行LVS检查，弹出提示信息如下图5.5，点击Close即可。图5.5 LVS结束提示图5.4的界面会一直存在知道用户退出，点击Output按钮查看相应的检查报告，如图5.6示例。 图5.6 LVS报告结 论 本次专业综合课程设计是对我们所学知识的综合运用，模拟

25、了一次全定制的设计流程。这包括电路设计、原理图的绘制、仿真与验证、版图绘制及物理验证。在IC5141这个平台上完成施密特触发器的全定制设计。施密特触发器的原理易于理解，因此在电路设计时没有考虑太多。起初，我所用的原理图含有电阻，在原理图的仿真以及版图绘制时都带来了很多的问题。最终我放弃了这个含有电阻的方案，采用了报告中的完全由CMOS管构成的电路。没有了电阻方面的问题，才使得这次设计得以进行下去。在这过程中我对IC5141这个平台有了更全面的了解，同时对这个平台有了一定的掌握。电路原理图的绘制相对的容易一些，但在版图绘制时总是出现这样或那样的问题，并且都是几何规则方面的问题，修改起来十分的耗时，同时也使人变得急躁起来。所以平常心很重要，越是急于求成，结果越是不理想。本次设计也止步于LVS，由于时间的关系及能力上的不足只完成了DRC的验证，没有通过LVS。感谢给予我帮助的老师和同学。参考文献1 阎石.数字电子技术基础.第四版.高等教育版社.19982 Rabaey,J.M.数字集成电路.周润德.第二版.电子工业版社.2010.113 唐衫.徐强.王莉薇.数字系统IC设计.机械工业出版社. 2006.14 林丰成.竺红卫.李立.数字集成电路设计与技术.科学出版社.2008. 105 杨宗凯.黄建.杜旭.数字专用集成电路的设计与验证.电子工业出版社 2004.10