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1、tanner教程集成电路原理与设计实验指导书河北工业大学信息工程学院集成电路原理与设计课程组2007 年 8月前 言随着微电子的迅速发展，集成电路作为微电子的核心已经发展到65nm技术，单个芯片上能够集成多达七十亿个元器件，半导体技术正在进入将整个系统整合在单一晶片上的时代。目前各种电子产品的极大丰富使得集成电路的设计和制造成为研究的重点，因此了解集成电路的原理与设计也就成为大学生学习的关键。集成电路原理与设计课程主要介绍双极性集成电路（包括TTL电路、ECL电路、I2L电路）和MOS集成电路（包括NMOS、PMOS、CMOS）的组成特点、工作原理以及逻辑扩展方面的知识，借助计算机辅助设计软件

2、，并遵循各项流程规则及参数规定进行仿真练习。Tanner Tools Pro提供完整的集成电路设计环境，可在PC机上运行，能够帮助学生进入VLSI设计领域。它从电路图设计、电路分析与仿真到电路布局环境一应俱全。学生通过仿真实验能够进一步深化对集成电路原理、半导体工艺等方面知识的理解和掌握，将电子科学与技术专业的基础知识融会贯通。实验一 使用SEdit设计简单逻辑电路 -4实验二 简单逻辑电路的瞬时分析和直流分析-10实验三 全加器电路设计与瞬时分析-23实验四 四位加法器电路设计与仿真-28实验五 使用LEdit画PMOS布局图-33实验六 使用LEdit画反相器布局图-43实验七 四位加法器

3、标准原件自动配置与绕线-55实验一 使用SEdit设计简单逻辑电路（2学时）一、实验目的 1.熟悉SEdit电路图编辑环境2.熟悉SEdit中模块的编辑和引用3.掌握SEdit菜单中各项的意义和使用方法4.掌握反相器和与非门两种电路图的编辑方法二、实验内容 实验内容包括两个部分，首先利用SEdit编辑反相器和与非门。操作流程：进入SEdit建立新文件环境设置引用模块建立反相器电路与符号新增模块建立与非门电路与符号。三、实验仪器、设备 1主要设备是电脑2软件环境：Tanner Pro 11.1四、实验原理 本实验中共包含六个模块，包括Vdd，Gnd，MOSFET_N，MOSFET_P，inv与N

4、and2，其中包括Vdd，Gnd，MOSFET_N，MOSFET_P模块是在利用Symbol Browser功能时，从元件库复制过来的。在模块inv中引用到包括Vdd，Gnd，MOSFET_N，MOSFET_P这四个模块，模块Nand2中也引用到包括Vdd，Gnd，MOSFET_N，MOSFET_P这四个模块。各模块的内容可以选择ModuleOpen命令打开并进行修改。Wire（联机）按钮是用在电路设计模式中各元件之间的信号连接。要注意，元件符号节点以外的部分无法连接成功；Line按钮是画直线的工具，可以用来在符号模式中绘制电路符号，但不可以在电路设计模式中进行电路之间的联机操作。MOSFET

5、_N模块与MOSFET_P模块特性各模块特性代表意义说明模块特性 SPICE OUTPUT说明五、实验步骤 （一）使用S-Edit编辑反相器(1) 打开s-Edit程序：执行.Tanner S-Edit目录下的sedit.exe文件，或选 择“开始”-“程序”-Tanner EDA-S-Edit-S-Edit命令，即可打开S-Edit程序，S-Edit会自动将工作文件命名为“FileO.sdb”并显示在窗口的标题栏上。 (2)另存新文件：选择File-Save As命令，打开“另存为”对话框，在“保存在”下拉列表中选择保存的路径，在“文件名”文本框中输入新文件的名称，如Ex2。(3)环境设置：

6、S-Edit默认的工作环境是黑底白线，但可按照用户的爱好来自定义颜色，例如，可将背景颜色换成白色，而将电路线条颜色换成黑色。选择Setup-Colors命令，打开Color对话框，可分别设置背景色(Background Color)、前景色(Foreground Color)、选取的颜色(Selection Color)、栅格颜色(Grid Color)与原点的颜色(Origin Color)。用鼠标来选择颜色的部分，即可更换颜色，将各颜色设置为图1.3所示的状态，则画面背景变成白色。(4)编辑模块：S-Edit编辑方式是以模块(Module)为单位而不是以文件(File)为单位，每一个文件可

7、以有多个模块，而每一个模块则表示一种基本组件或一种电路，故一个文件内可能包含多种组件或多个电路。每次打开新文件时便自动打开一个模块并将之命名为“Module0”。 (5)浏览组件库：S-Edit本身附有4个组件库，它们分别是在.TannerS-Editlibrary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-Symbol Browser命令，打开Symbol Browser对话框，单击Add Library按钮，可加入要使用的组件库，本范例中加入了scmos, spice, pages与el

8、ement组件库在Library列表中，如图1.1所示。(6)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Exl文件，并在Module0中编辑画面引用。其方法为:选择Module- Symbol Browser命令，打开Symbol Browser对话框，在Library列表框中选取spice组件库，其内含模块出现在Modules列表框中，在Modules列表框中选取MOSFET_N选项(NMOS)，单击Place按钮及Close按钮，则在Module0编辑窗口内将出现MOSFE

9、T_N的符号。以同样操作选出MOSFET_P选项(PMOS)后单击Place按钮，先不要单击Close按钮，再选出Vdd与Gnd符号并在每次选择后分别单击Place按钮，最后单击Close按钮则出现如图1.2所示的界面。(7)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个对象摆放成如图1.3所示的位置，注意，在两对象相连接处，各节点上小圆圈消失即代表连接成功。(8)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。当联机与

10、组件节点正确相接时，节点上小圆圈同样会消失，但若有3个以上的联机或组件节点接在一起时，则会出现实心圆圈，如图1.4所示。图1.1浏览组件库图1.2 引用模块图1.3 编辑反相器 图1.4 加入联机(9)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，方法如下:选择输入端口按钮，再到工作区用鼠标左键选择要连接的端点，打开Edit Selected Port对话框，在Name文本框输入“IN”，单击OK按钮。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，在打开的对话框的Name文本框中输入“OUT”单击OK按钮。若输入端口或

11、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，或利用联机功能将节点连接在一起，如图1.5所示。图1.5 编辑输入端口与输出端口的结果(10) 建立反相器符号：在此步骤之前是电路设计模式，S-Edit中的模块，除了可以建立设计电路的窗口外，还可以建立该电路符号的窗口，选择View-Symbol Mode命令，如图1.6所示，即切换至符号模式。选择了三角形工具后，按鼠标左键可画三角形的端点，按鼠标右键可画出三角形的终点，接着利用圆形工具画出圆形:，最后利用直线工具画出直线，如图1.7所示。图1.6 切换至符号模式 图1.7 建立反

12、相器符号(11) 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，标明此反相器符号的输入输出信号的位置与名称，具体操作同步骤(10)，结果如图1.8所示。注意，符号的输入输出端口的名称要与电路输入输出端口的名称相同，大小写亦需一致。(12)更改模块名称：要将原来的模块名称Module0换成符合实际电路特性的名称，要选择Module-Rename 命令 ，打开Module Rename对话框，在其中的Newmodule抧ame文本框中输入“inv”, 之后单击OK按钮，即可完成反相器模块的S-Edit设计。图1.8加入输入端口与输出端口 (13)反相器设计成果： 观看最

13、后反相器设计成果，可分别选择View-Schematic Mode与View-Symbol Mode命令切换电路设计模式和符号模式两个窗口，或者选择View-ChangeMode命令来轮流在电路设计模式和符号模式这两个窗口之间进行切换。 (14)模块输出格式：S-Edit可将模块的内容输出成几种文字形式，具体操作是选择File-Export命令，打开Export Netlist对话框，在其中的Select Export Data Type下拉列表中可以看到有6种输出格式。（15）输出成SPICE文件：将设计好的S-Edit电路图输出成SPICE格式，可借助于T-Spice分析与模拟此设计电路的

14、性质，可选择File-Export命令输出，或单击S-Edit右上方按钮，会自动输出成SPICE文件并打开T-Spice与转出文件。但此反相器的SPICE文件必须加入电源与其他设置，才能以T-Spice进行分析，这在后面的章节将详细说明。（二）使用S-Edit编辑与非门用S-Edit编辑与非门的详细步骤如下。（1）新增模块：回到S-Edit的Exl.sdb文件，新增一个模块，选择Module-New命令，打开Create New Module对话框，如图1.19所示，在其中的Module Name文本框中输入“Nand2”，单击OK按钮，即可完成新增模块的操作。（2）引用模块：选择Module

15、-Instance命令，打开Instance Module对话框，在Files下拉列表中选择Ex1选项，在Select Module To Instance列表框中可以看到共有5个模块供引用，分别选取Vdd, Gnd，MOSFET_N与MOSFET_P选项，单击OK按钮。由于引用的符号出现在编辑画面相同的地方，可按住Alt键来用鼠标拖动来将4个符号分开。复制并旋转：在Nand2的编辑窗口中选择MOSFET_P选项，使之成为红色的选取状态，再选择Edit -Duplicate命令复制出MOSFET_P符号，再选择Edit-Flip-Horizontal命令水平翻转MOSFET_P符号，然后复制一

16、个MOSFET_N符号。（3） 加入联机：将6个对象排列好后再利用左边联机按钮，完成各端点的信号连接，注意，控制鼠标左键可将联机转向，按鼠标右键可终止联机。与非门联机部分完成界面如图1.9所示。（4） 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，标明此与非门的两个输入端口A与B，一个输出端口OUT，如图1.10所示。图1.9 加入联机 图1.10加入输入端口与输出端口(5) 建立与非门符号：S-Edit中的模块，除了可建立供设计电路的窗口外，还有可建立该电路符号的窗口，前面与非门电路设计是在电路设计模式中进行，其电路符号的建立必须切换至符号模式，其方法为选择Vie

17、w-Symbol Mode命令，即可切换至符号模式。改变栅格的设置可以利用多段直线画出弧线，栅格设置可选择Setup-Grid命令，打开Setup Grid Parameters对话框，设置Mouse Snap Grid文本框的值为“1”，其单位为InternalUnits，画出的弧形。再设置Mouse Snap Grid文本框的值为“8”，单位为Internal Units。再用直线来完成反极闸的符号，如图1.11所示。图1.11 绘制反极闸的符号(6) 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，标明此与非门符号的输入输出信号的位置与名称，具体的操作同步骤(5

18、)。注意，符号的输入与输出端口的名称要与电路的输入与输出端口的名称相同，大小写亦需一致。(7) 与非门设计成果：观看最后反相器设计成果，可切换电路设计模式与符号模式这两个窗口，并可选择View-Home命令或按Home键来观看全景。(8)输出成SPICE文件：将设计好的S-Edit电路图，输出成SPICE格式，可借助T-Spice软件分析与模拟此设计电路的性质，可由选择File-Export命令输出。或单击S-Edit右上方的按钮，会自动输出成SPICE文件并打开T-Spice软件与转出文件，如图1.12所示。 图1.12 打开SPICE文件但此与非门的SPICE文件必须加入电源与某他设置，才

19、能以T-Spice进行分析，这在后面的章节中将详细说明。六、实验报告要求 1.实验报告中要写明实验目的、实验内容和实验的过程；2.要分析每一步操作的意义和作用，并将实验的中间过程记录下来，将操作中的图片剪切到实验报告中，以便说明实验的过程。3.对实验中出现的故障，做好记录。分析故障原因，说明解决办法。七、实验注意事项1.S-Edit的各个菜单中的选项可以通过快捷按钮实现，注意这些按钮的使用方法。2.由于系统占用资源较大运行仿真结果可能较慢，要耐心等待。3.实验过程中，注意记录中间过程和结果，利用抓图软件将中间过程剪切下来以便详细记录实验过程。八、思考题 1.在文件中建立或非门（NOR）元件2.

20、在文件中建立异或门（XOR）元件实验二 简单逻辑电路的瞬时分析和直流分析（2学时）一、实验目的1.了解如何分析所绘制的电路图的功能能够达到原来预计的效果2.了解如何使用电路分析软件来验证电路的功能3.掌握电路分析中工作电压和输入信号的添加方法4.掌握电路分析中分析设定和输出设定的方法5.掌握从仿真分析结果中提取相应的参数和对结果进行分析归纳二、实验内容 实验内容包括反相器的瞬时分析和直流特性分析以及与非门的直流特性分析，反相器瞬时分析操作流程：以S-Edit编辑反相器模块输出成SPICE文件进入T-SPICE加载包含文件电源设定输入设定分析设定输出设定执行仿真显示结果。反相器直流特性操作流程：

21、以S-Edit编辑反相器模块输出成SPICE文件进入T-SPICE加载包含文件分析设定显示设定执行仿真显示结果。与非门直流分析操作流程：以S-Edit编辑与非门模块输出成SPICE文件进入T-SPICE加载包含文件电源设定输入设定分析设定显示设定执行仿真显示结果。三、实验仪器、设备 1主要设备是电脑2软件环境：Tanner Pro 11.1四、实验原理 T-Spice中各元件的代号五、实验步骤 （一）反相器瞬时分析(1) 打开S-Edit程序：依照第2章或第3章的方式打开S-Edit程序，S-Edit会自动将工作文件命名为“File0.sdb”并显示在窗口的标题栏上。(2）环境设定：S-Edi

22、t默认的工作环境是黑底白线，但可按照第2章的步骤依自己的喜好来定义颜色。(3) 另存新文件：选择File-Save As命令，打开“另存为”对话框，在“保存在”下拉列表中选择保存目录，在“.文件名”文本框中输入新文件的名称，如Ex3。由于在本实例中所使用的电路需要一个反相器及其电源，读者可自行绘制第2章的反相器电路，或按照如下的步骤从文件Ex2中复制反相器的模块到 Ex3文件，再打开加入电源进行适当的修改即可。 (4) 复制inv模块：要复制Ex2的inv模块到Ex3文件中，必须先打开第3章编辑的文件“Ex2.sdb ”。进行复制之前必须回到Ex3文件环境，方法为选择Module-Open命令

23、，打开Open Module对话框，在Files下拉列表中选择Ex3选项，单击OK按钮，回到Ex3环境，才能进行复制模块的操作。选择Module-Copy命令，打开Copy Module对话框，在Files下拉列表中选择Ex2选项，在Select Module To Copy列表框中选择inv选项，单击OK按钮，即完成将inv模块从Ex2文件中复制到Ex3文件的操作。(5) 打开inv模块：由于上一步骤复制模块的操作只是在Ex3文件中增加了inv模块(还有inv引用到的模块Vdd, Gnd，MOSFET_N与MOSFET_P )，而Ex3依旧在Module0模块的编辑环境下，所以要编辑inv模

24、块必须先选择Module-open命令，打开Open Module对话框，在Files下拉列表中选择Ex3选项，在Select Module To Open列表框中选择inv选项，单击OK按钮。(6) 加入工作电源：确定inv模块在电路设计模式，选择Module-Symbol Browser命令，打开Symbol Browser对话框，在Library列表框中选择spice组件库，其内含模块出现在Modules列表框中，其中有很多种电压源符号，选取直流电压源Source_v_dc作为此电路的工作电压源。直流电压源Source _v_dc符号有正(+)端与负(一)端。在inv模块编辑窗口中将直流

25、电压源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，可以连接成如图2.1或图2.2所示的画面，但我们将以图2.1的方式继续编辑。在图2.1中，虽将两个全域符号Vdd及两个Gnd符号分开放置，但两个分离的Vdd符号实际上是接到同一个节点，而两个Gnd符号也是共同接地。所以为了使外加电源与设计电路能清楚地分开，建议读者采用图2.2所示的电路图表示方法。图2.1 工作电源加入结果一 图2.2 工作电源加入结果二（7） 加入输入信号：选择Module-Symbol Browser命令，打开Symbol Browser对话框，在Libr

26、ary列表框中选取spice组件库，其内含模块出现在Modules列表框中，选取脉冲电压源.Source_v_pulse作为反相器输入信号，将脉冲电压源Source_v_pulse符号的(+)端接输入端口IN，将脉冲电压源Source_v_pulse符号的负(一)端接Gnd，则编辑完成画面如图2.3所示。图2.3 加入输入信号的结果（8) 更改模块名称：因在本实例中是利用反相器电路来学习使用T-Spice的瞬时分析功能，日后尚需将该电路应用在其他的分析之中，为避免文件混杂且便于日后分辨，故将原本的模块名称inv改成inv_tran。选择Module-Rename命令，打开Module Rena

27、me对话框，在New modules name文本框中输入“inv_tran”，单击OK按钮。(9) 输出成SPICE文件：要将设计好的S-Edit电路图借助T-Spice软件分析与模拟此电路的性质，需先将电路图转换成SPICE格式。要进行此操作，第一种方法是单击S-Edit右上方的按钮，则会自动输出成SPICE文件并打开T-Spice软件，第二种则可由选取窗口选单File-Export输出文件，再打开T-Spice程序其方法是可以执行在.TannerT-Spice70目录下的“wintsp32.exe”文件，或选择“开始”-“程序”-Tanner EDA-T-Spice Pro v7.0-T

28、-Spice命令即可打开T-Spice程序，再打开从Ex3的inv_tran模块输出的inv_tran.sp文件，结果如图2.4所示。(10) 加载包含文件：由于不同的流程有不同特性，在模拟之前，必须要引入MOS组件的模拟文件，此模拟文件内有包括电容电阻系数等数据，以供T-Spice模拟之用。本范例是引用1.25um的CMOS流程组件模型文件“m12_125.md”。将鼠标移至主要电路之前，选择Edit-Insert Command命令，打开T-Spice Command Tool对话框，在左边的列表中选择Files选项。此时在右边窗口将出现4个按钮，可直接单击Include按钮，也可展开左侧

29、列表中的Files选项，并选择Include file选项。图2.4 输出成SPICE文件 选择 Include file选项之后，此时单击Browse按钮在目录窗口中先找到.TnnnerTSpice70models目录，接着选取模型文件m12_125.md, 在Include file文本框中将出现.TannerTSpice70modelsml2_l25.md文件。再单击Insert Command按钮，则会出现默认的以红色字开头的“.include C:TannerTSpice70modelsm12_125.md”。(11) 分析设定：此范例为反相器的瞬时分析，必须下瞬时分析指令，将鼠标移

30、至文件尾，选择Edit-Insert Command命令。打开T-Spice Command Tool对话框，在左边的列表框中选择Analysis选项，右边出现8个选项，可直接选取瞬时分析按钮Transient,也可展开左边列表框中的Analysis选项，并选择其中的Transient选项。单击Transient按钮之后，在此将设定模式，并设定其时间间隔与分析时间范围，此处将模拟时间间隔设定为1ns，总模拟时间则为400ns。首先在Modes选项组中选中Standard (from DC op.point)单选按钮，在右边出现的Maximum Time文本框中输入“In”，在Simulation文本框中输入“400n”，在Methods选项组中选中Standard BDF单选按钮。单击Insert Command按钮后，则会出现默认的以红色字开头的“.tran/op 1n 400nmethod=bdf”，如图2.5所示。图2.5 瞬时分析设定结果（12） 输出设定：