CMOS三態(tài)門集成電路課程設計

1集成電路課程設計前言集成電路在當今社會中發(fā)揮著越來越重要的作用。也越來越成為衡量一個國家高科技技術水平的重要指標。作為一門重要的課程，集成電路課程設計是電子科學與技術專業(yè)要求的實踐課程，主要目的是使學生熟悉集成電路制造技術、半導體器件原理和集成電路分析與設計基礎。提高學生綜合運用已掌握的知識，利用相關軟件，進行集成電路芯片的能力。集成電路設計主要包括以下幾個方面。系統設計電路設計及模擬版圖設計版圖驗證等正向設計方法。1. 設計需求分析1.1設計內容及其性能指標要求器件名稱：CMOS三態(tài)門器件要求電路性能指標：（1） 輸出高電平時，|I OH|20A，V OH，min =5V；（2） 輸出底電平時，|I OL|4mA，V OL，man =0V；（3） 輸出級充放電時間t r=tf ，t pd25ns；（4） 工作電源5V，常溫工作，工作頻率f work=100HZ，最大功耗P max150mW。1.2設計指標1. 獨立完成設計三態(tài)門芯片的全過程；2. 設計時使用的工藝及設計規(guī)則： MOSIS:mhp_n12；3. 根據所用的工藝，選取合理的模型庫；4. 選用以lambda()為單位的設計規(guī)則；5. 全手工、層次化設計版圖；6. 達到設計要各項指標要求。22. 設計實現2.1 三態(tài)門芯片簡介所謂三態(tài)門（TG）就是一種傳輸模擬信號的模擬開關。CMOS三態(tài)門門由一個P 溝 道和一個N溝道增強型MOSFET并聯而成，如下圖所示。它的管腳圖如圖1所示，其邏輯真值表如表1所示：三態(tài)門原理圖圖1 三態(tài)門芯片管腳圖表1 三態(tài)門真值表EN A Y1 0 01 1 10 Z Z30 Z Z從圖1可以看出三態(tài)門芯片是一個反相器與一組互補的增強型場效應管組成，而反相器也可以由一組互補的增強型場效應管構成。因此，本電路的重點是增強型場效應管的使用。從真值表我們可以看出EN為使能端。當其為1時，輸出等于輸入，當其為0時，輸出為高阻態(tài)。2.2 電路工作原理TP和TN 是結構 對稱的器件， 它們的漏極和源極是可互 換的。設它們的開啟電壓|VT|=2V且輸入模擬信號的變化范圍為-5V到+5V 。為 使襯底與漏源 極之間的PN結任何時刻都不致正偏，故TP 的襯底接+5V電壓，而TN的襯底接-5V電壓。兩管的柵極由互 補的信號電壓（+5V和-5V）來控制，分別用C和 !C表示。傳輸門的工作情況如下：當C端接低電壓-5V時TN的柵壓 即為-5V，vI取-5V到+5V 范圍內 的任意值時 ，TN均不導通。同時 、TP 的柵壓為+5V，TP亦不導通?？梢?，當C端接低 電壓時，開關是斷開的。 為使開關接通，可將C端接高電壓+5V。此時TN的柵壓為+5V ，vI在-5V到+3V 的范 圍內，TN導 通。同時TP的棚壓為-5V，vI 在-3V到+5V 的范 圍內TP將導通。由上分析可知，當vI+3V時，僅有TP導通當vI 在-3V到+3V 的范 圍內，TN和 TP兩管均導通。進一步分析還可看到，一管導通4的程度愈深，另一管的導通程度則相應地減小。換句話說，當一管的導通電阻減小，則另一管的導通電阻就增加。由于兩管系并聯運行，可近似地認為開關的導通電阻近似為一常數。這是CMOS傳輸出門的優(yōu)點。在正常工作時，模擬開關的導通電阻值約為數百歐，當它與輸入阻抗為兆歐級的運放串接時，可以忽略不計。2.3 電路設計本次設計采用的是m12_20的模型庫參數進行各級電路的尺寸計算，其參數如下：NMOS: ox=3.98.8510 12 F/m n=605.31210 4 /Vstox=3951010 m Vtn=0.81056VPMOS: ox=3.98.8510 12 F/m p=21910 4 /Vstox=3951010 m Vtp=0.971428V2.2.1 反相器電路設計根據要求反相器電路等效電路圖如圖3所示，輸入Vi為前一級的輸出，可認為是理想的輸出，即V IL=Vss, VIH=VDD。圖3 反相器電路（1） 反相器N管（W/L）N的計算當輸入為高電平時，輸出為低電平，N管導通，工作在線性區(qū)，要求|I OL|4mA，V OL，man =0.4V，根據NMOS管理想電流分方程分段表達式：5= 22因此，()= 410 339510 83.98.8510 14605.312(5 0.81056)0.4 (0.4)22 則， ()=48(2) 反相器P管（W/L）P的計算當輸入為低電平時，輸出為高電平，P管導通，工作在線性區(qū)。同時要求N管和P管的充放電時間t r=tf ，分別求出這兩個條件下的（W/L） P，min 極限值，然后取大者。1. 以|I OH|20A，V OH，min =4.4V為條件計算（W/L） P，min 極限值：用PMOS管的理想電流方程分段表達式：= ( |)( ) ( )22 因此()= 2010 639510 83.98.8510 14219(5 0.971428)(5 4.4) (5 4.4)22 則，()=12. N管和P管的充放電時間tr和tf表達式分別為 dtntndtnddtnnoxLf VVVWCt 2019l1.0226 dtptpdtpddtppoxLr VVVWtCt 2019ln1.022計算得出：()=7.1410 3則（W/L）P=140取其中的大值作為輸出級P管的尺寸，則（W/L）P=1402.2.2傳輸門MOS的尺寸計算內部邏輯門的電路如圖5所示。根據截止延遲時間t pLH和導通延遲時間t pHL的要求，在最壞情況下，必須保證等效N管、P管的等效電阻與內部基本反相器的相同，這樣三輸入與非門就相當于內部基本反相器了。因此，N管的尺寸放大3倍，而P管尺寸不變，即：圖5 傳輸門代入反相器的尺寸得，傳輸門的尺寸為：， 內 部 反 相 器， 與 非 門 ， 內 部 反 相 器， 與 非 門 PP3LWLNN7（ ） ,內部 邏輯門 =3（ ） ,內部反相器 =6（ ） ,內部 邏輯門 =（ ） ,內部反相器 =6至此，完成了全部器件的尺寸計算，匯總列出各級N管和P管的尺寸如下：反相器：（） =44 =88（） =6 =12（） ，提拉管 =1 ,提拉管 =6傳輸門：（ ） ,內部反相器 =2 =4（ ） ,內部反相器 =6 =122.3 延遲估算估算功耗時功耗仿真如下圖。8圖113. 繪圖仿真軟件和版圖設計軟件介紹3.1 orcad簡介ORCAD CapQure是一款基于Windows 操作環(huán)境下的電路設計工具。利用CapQure軟件，能夠實現繪制電路原理圖以及為制作PCB和可編 程的邏輯設計提供連續(xù)性的仿真信息。OrCAD CapQure作為行業(yè)標準的PCB原理圖輸入方式，是 當今世界最流行的原理圖輸入工具之一，具有簡單直觀的用戶設計界面。OrCAD CapQure CIS具有功能強大的元件信息系統，可以在線和集中管理元件 數據庫，從而大幅提升電路設計的效率。OrCAD CapQure提供了完整的、可調整的原理圖設計方法，能夠有效應用于PCB的設計創(chuàng)建、管理和重用。將原理圖設計技術和PCB布局布 線技術相結合，OrCAD能夠幫助設計師從一開始就抓住設計意圖。不管是用于設計模擬電路、復雜的PCB、FPGA和CPLD、PCB改版的原理圖修改，還是用于設計層次模塊，OrCAD CapQure都能為設計師提供快速的設計輸入工具。此外，OrCAD CapQure原理圖輸入技術讓設計師可以隨時輸入、修改和檢驗PCB設計。3.1.1 orcad原理圖設計步驟1.在菜單開始欄找到cadence。點擊，展開。選擇orcad capQure cis,打開。2.新建工程。3.在會原理圖界面繪制元器件。4添加相應元器件的元件庫。93.1.2orcad原理圖仿真步 驟1.創(chuàng)建仿真文件Pspice-new simulation profile 2設置仿真參數雙擊xxx.bias 文件3開始仿真點擊 圖標4觀察仿真結果。 4.電路模擬仿真電路模擬需要在原理圖中加入激勵源，并且必須使用可以仿真的元器件繪制仿真原理圖。在模擬時進行直流掃描分析，然后就可得出功耗。把電路圖轉為SPICE文件，加入電路特性分析指令和控制語句，即可對電路進行仿真。圖12 電路模擬原理圖4.1 直流分析10Ven由0V變化到8V的過程中，反相器輸出端波形在2.5V處出現急劇下降的情況。因此可以