CMOS反相器原理圖版圖的仿真設(shè)計.doc

集成電路專業(yè)學(xué)年論文論文題目：CMOS反相器原理圖版圖設(shè)計與仿真學(xué) 院：電子工程學(xué)院年 級：2008級專 業(yè)：集成電路設(shè)計與集成系統(tǒng)姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 2011年 7月 8日摘要門電路是構(gòu)成各種復(fù)雜數(shù)字電路的基本邏輯單元，掌握各種門電路的邏輯功能和電氣特性，對于正確使用數(shù)字集成電路是十分必要的。MOS門電路：以MOS管作為開關(guān)元件構(gòu)成的門電路。 MOS門電路，尤其是CMOS門電路具有制造工藝簡單、集成度高、抗干擾能力強、功耗低、價格便宜等優(yōu)點，得到了十分迅速的發(fā)展。所謂CMOS (Complementary MOS)，是在集成電路設(shè)計中，同時采用兩種MOS器件：NMOS和PMOS，并通常配對出現(xiàn)的一種電路結(jié)構(gòu)。CMOS電路及其技術(shù)已成為當(dāng)今集成電路,尤其是大規(guī)模電路、超大規(guī)模集成電路的主流技術(shù)。反相器是數(shù)字電路中的一種基本功能模塊。將兩個串行反相器的輸出作為一位寄存器的輸入就構(gòu)成了鎖存器。鎖存器、數(shù)據(jù)選擇器、譯碼器和狀態(tài)機等精密數(shù)字符件都需要使用基本反相器。因此此次針對CMOS反相器原理圖、版圖設(shè)計與仿真 也是很有必要的自己學(xué)會了Tanner EDA 軟件的使用。也進(jìn)一步了解了CMOS反相器直流特性瞬態(tài)特性和版圖的繪制。關(guān)鍵詞CMOS;反相器;Tanner EDA;設(shè)計;仿真;版圖;Abstract The complex digital circuits are constituted by the basic gate circuits,and the Gate circuits is the logic cells.Grasp at various kinds of logic gates functions and electrical characteristics for the proper use of digital integrated circuits is essential. MOS gate1: The MOS tube as a switching element constitute the gate. MOS gate, especially a CMOS gate with simple manufacturing process, high integration, anti-interference ability, low power consumption, cheap, etc., has been very rapid development. The so-called CMOS (Complementary MOS), is in IC Design, while using two MOS devices: NMOS and PMOS, and the emergence of a circuit is usually paired structure. CMOS circuits and technology has become todays integrated circuits, especially large-scale circuits, VLSI mainstream technology. Inverter is a basic digital circuit modules. The two serial output of the inverter as a register input to constitute a latch. Latch, data selectors, decoders and state machines and other precision parts are required to use a few characters in the basic inverter. Therefore, the schematic for the CMOS inverter layout design and simulation is necessary to learn their own Tanner EDA software. Further understanding of the transient characteristics of CMOS inverter DC characteristics and layout drawing.Key wordsCMOS; inverter; TannerEDA; design; simulation; territory;III目錄摘要IAbstractII前言3第一章 使用S-Edit編輯設(shè)計CMOS反相器原理圖41.1繪制CMOS反相器原理圖41.1.1進(jìn)入S-Edit建立新文件41.1.2環(huán)境設(shè)置環(huán)境設(shè)置41.1.3編輯模塊并瀏覽組件庫51.1.4從組件庫引用模塊51.1.5編輯反相器61.1.6加入輸入輸出端口71.1.7 反相器的輸出成果71.2反相器瞬態(tài)分析81.2.1進(jìn)入S-Edit編輯文件81.2.2輸出成Spice文件81.2.3加載包含文件91.2.4插入分析設(shè)定和輸出設(shè)定命令101.2.5進(jìn)行模擬111.3反相器直流分析121.3.1 進(jìn)入S-Edit121.3.2 加入工作電源和輸入直流信號121.3.3 編輯直流電壓源131.3.4 輸出spice文件131.3.5分析設(shè)定和輸出設(shè)定141.3.6進(jìn)行模擬151.3.7結(jié)果分析16第二章 使用S-Edit編輯設(shè)計CMOS反相器原理圖172.1繪制反相器版圖的前期設(shè)置工作172.1.1 打開L-Edit軟件新建版圖文件172.1.2 取代設(shè)定172.1.3編輯組件172.1.4設(shè)計環(huán)境設(shè)定172.2繪制反相器182.2.1 編輯PMOS182.2.2 編輯NMOS182.2.3 其他部分202.3使用T-Spice進(jìn)行版圖設(shè)計仿真21結(jié)論22參考文獻(xiàn)23CMOS反相器原理圖版圖設(shè)計與仿真前言CMOS結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是電路的靜態(tài)功耗非常小，電路結(jié)構(gòu)簡單規(guī)則，使得它可以用于大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路。為了能在同一硅材料(Wafer)上制作兩種不同類型的MOS器件，必須構(gòu)造兩種不同類型的襯底。在P型硅襯底上專門制作一塊N型區(qū)域(n阱)，作為PMOS的襯底。為防止源/漏區(qū)與襯底出現(xiàn)正偏置，通常P型襯底應(yīng)接電路中最低的電位，N型襯底應(yīng)接電路中最高的電位。為保證電位接觸的良好，在接觸點采用重?fù)诫s結(jié)構(gòu)。下面簡短介紹一下CMOS反相器工作原理2（如圖1）： 圖1 cmos反相器工作原理當(dāng)Ui=UIH = VDD,VTN導(dǎo)通,VTP截止,Uo =Uol0V當(dāng)Ui= UIL=0V時,VTN截止,VTP導(dǎo)通,UO = UOHVDD 還有就是CMOS電路的優(yōu)點3: （1）微功耗。CMOS電路靜態(tài)電流很小，約為納安數(shù)量級。（2）抗干擾能力很強。輸入噪聲容限可達(dá)到VDD/2。（3）電源電壓范圍寬。多數(shù)CMOS電路可在318V的電源電壓范圍內(nèi)正常工作。（4）輸入阻抗高。（5）負(fù)載能力強。CMOS電路可以帶50個同類門以上。（6）邏輯擺幅大（低電平0V，高電平VDD ）。第一章 使用S-Edit編輯設(shè)計CMOS反相器原理圖1.1 繪制CMOS反相器原理圖在此次實例設(shè)計中采用Tanner EDA 軟件中的S-Edit組件設(shè)計CMOS反相器的原理圖，進(jìn)而掌握S-Edit的基本功能和使用方法。操作流程如下:進(jìn)入S-Edit建立新文件環(huán)境設(shè)置編輯模塊引用模塊編輯反相器加入輸入輸出完成反相器電路。1.1.1進(jìn)入S-Edit建立新文件打開S-Edit程序，并將新文件另存以合適的文件名存儲在一定的文件夾下：在自己的計算機上一定的位置處打開S-Edit程序。在本例中在S-Edit文件夾中新建立“inv”文件夾，并將新文件以文件名“inv”存與此文件夾中。如圖1-1所示。圖 1-1 另存新文件為inv.sdb1.1.2環(huán)境設(shè)置環(huán)境設(shè)置S-Edit默認(rèn)的工作環(huán)境是黑底白線，但可以按照用戶的喜好自行設(shè)定。即選擇Setup-Colors命令，打開Colors對話框，可分別設(shè)置背景色、前景色、選取顏色、柵格顏色、原點顏色和可更換顏色等。如圖圖 1-2所示。圖 1-2 設(shè)定顏色1.1.3編輯模塊并瀏覽組件庫S-Edit編輯方式是以模塊為單位而不是以文件為單位，一個文件中可以包含多個模塊，而每一個模塊則表示一種基本組件或者一種電路。每次打開一個新文件時便自動打開一個模塊并命名為“Module0”；也可以重命名模塊名。方法是選擇Module-Rename 命令，在彈出的對話框中的New Name 中輸入符合實際電路的名稱，如“inv” 即可,之后單擊OK按鈕就可以。S-Edit本身附有4個組件庫，它們分別是scmos.sdb , spice.sdb , pages.sdb和element.sdb ?？梢砸闷渲械哪K，默認(rèn)時有spice.sdb和element.sdb兩個組件庫，也可以添加其他的兩個組件庫。1.1.4從組件庫引用模塊編輯反相器電路會用到NMOS,PMOS,Vdd,Gnd這四個模塊。引用的方法是在Symobl Brower 對話框中選取spice組件庫，在其內(nèi)含的模塊列表中以次找到所需模塊，并放在編輯界面中。結(jié)果如圖 1-3所示。圖 1-3 Symbol Browser界面1.1.5編輯反相器按住Alt鍵拖動鼠標(biāo)，可移動選中對象。移動各個對象到合適位置后，選擇原理圖工具條中的連線按鈕連接各個對象節(jié)點以組建成反相器。注意，各節(jié)點上小圓圈消失即代表連線成功；若3個以上的節(jié)點連在一起則會出現(xiàn)實心圓圈。編輯后反相器結(jié)果圖4如圖1-4所示。圖 1-4 編輯反相器并連線1.1.6加入輸入輸出端口利用輸入輸出按鈕表明此反相器的輸入輸出信號的位置和名字，方法如下：選擇輸入端口按鈕，再到工作區(qū)用鼠標(biāo)左鍵選擇要連接的端點，在彈出的Edit Selected Port 對話框中的Name 文本框中輸入名字，如“IN”，單擊OK按鈕即可。如圖 1-5所示。同樣的方法也可加入輸出端口“OUT”。圖 1-5 加入輸入端口IN1.1.7反相器設(shè)計成果引入輸入輸出端口后完整的反相器電路圖如圖1-6所示。圖1-6 反相器電路圖1.2反相器瞬態(tài)分析在此次實例設(shè)計中采用軟件中的S-Edit組件設(shè)計CMOS反相器順?biāo)矔r仿真的原理圖5,進(jìn)一步掌握S-Edit的基本功能和使用方法;并使用T-Spice組件仿真。此次反相器瞬時分析仿真調(diào)用前面已經(jīng)設(shè)計完成的文件“inv”中的模塊“inv”并加入激勵源來完成。操作流程如下：進(jìn)入S-Edit建立反相器仿真電路-生成Spice文件-在T-Spice環(huán)境下插入仿真命令并仿真-查看與分析仿真結(jié)果。1.2.1進(jìn)入S-Edit編輯文件打開S-Edit程序，設(shè)置環(huán)境，打開inv.sdb文件對其修改加入5v直流電源和一個方波信號源，編輯好后如圖1-7.圖1-7 瞬態(tài)仿真原理圖1.2.2輸出成Spice文件要想將設(shè)計好的電路借助T-Spice軟件仿真其特性，需先將電路圖轉(zhuǎn)換成Spice格式。較簡便的方法是單擊命令工具條上的啟動T-Spice按鈕，則會自動輸出成Spice格式文件并打開T-Spice軟件。結(jié)果如圖1-8所示。圖1-8 輸出成Spice格式文件1.2.3加載包含文件由于不同的流程有不同的特性，所以在仿真之前，必須引入MOS組件的模型文件，以供T-Spice模擬用。本設(shè)計中引用1.25um的CMOS組件模型文件“m12_125.md”，即在Spice文件的主程序之前插入文件“m12_125.md”。簡便的方法是單擊T-Spice軟件的命令菜單欄中的”插入命令” (Insert Commend）按鈕，在彈出的對話框中選擇Include file項。最后在彈出的對話框中瀏覽添加文件“m12_125.md”到Include file文本框中，如圖1-9所示。之后單擊Insert Commend按鈕即可。此時在Spice文件中會出現(xiàn)命令行“.include D: ml2_125.md”。圖1-9 包含文件命令窗口1.2.4插入分析設(shè)定和輸出設(shè)定命令和5）方法類似，還需要在Spice文件中的結(jié)尾插入分析和輸出設(shè)定的命令。即在命令工具對話框中選擇Analysis項中的瞬時分析選項Transient，并設(shè)定模擬時間間隔為1ns，總仿真時間為400ns，如圖示1-10示。此時在Spice文件中會出現(xiàn)命令行“.tran 1n 400n”。 在命令工具對話框中選擇Output項中的Transient results選項，在List Of Plot框中分別添加要觀察的節(jié)點電壓。此次設(shè)計中主要觀察輸入節(jié)點IN和輸出接點OUT的電壓，則可以在Plot type下拉列表中選擇Vlotage選項，在Node Name 文本框中輸入IN（區(qū)分大小寫），單擊Add按鈕，就將節(jié)點IN加入到了觀察節(jié)點列表中。同理將節(jié)點OUT加入到了觀察節(jié)點列表中，如圖示1-11示。最后單擊Insert Commend按鈕即可。此時在Spice文件中會出現(xiàn)命令行“.print tran v(IN) v(OUT)”。進(jìn)行過各種設(shè)定后，Spice文件如圖1-12出在文件中新加入了如下命令行：.include D: ml2_125.md;.tran 1n 400n; .print tran v(IN) v(OUT)。圖1-10 添加分析設(shè)定命令行設(shè)定欄目圖1-11 添加輸出設(shè)定命令行的設(shè)定細(xì)則圖1-12 設(shè)定后Spice文件1.2.5進(jìn)行模擬單擊命令工具欄中的“開始”按鈕，打開Run Simulation對話框，如圖示十二所示，選中Showing during單選按鈕，再單擊Start Simulation按鈕，則會出現(xiàn)模擬狀態(tài)窗口，并自動打開W-Edit窗口，以便觀察模擬波形如圖1-13.圖1-13 瞬態(tài)分析結(jié)果圖1.3反相器直流分析此次設(shè)計主要完成在T-Spice軟件中的反相器的直流傳輸特性仿真與分析。操作流程如下：進(jìn)入S-Edit-建立反相器直流傳輸仿真電路-生成Spice文件-在T-Spice環(huán)境下插入仿真命令并仿真-查看與分析仿真結(jié)果。1.3.1進(jìn)入S-Edit打開S-Edit程序，設(shè)定環(huán)境，打開inv模塊：以上各步驟和瞬態(tài)分析中的前兩步驟類似，在此從略。1.3.2加入工作電源和輸入直流信號由于設(shè)計是用來進(jìn)行反相器的直流分析，所以要加入兩個直流電壓源。方法和“反相器瞬時分析”中的步驟 如圖1-14所示圖1-14 直流分析原理圖1.3.3編輯直流電壓源由于再該模塊中有兩個直流電源符號，所以為了區(qū)分它們，可以編輯它們，改變其屬性。即選擇待編輯對象-單擊工具命令欄中的Edit Object按鈕，在彈出的對話框中進(jìn)行電壓源屬性的編輯。分別將Vdd與Gnd之間的電壓源和IN與Gnd之間的電壓源更名為vvdd和vin，并將vin的電壓設(shè)定為1.0V。如下圖1-15 和1-16所示。圖1-15 修改電壓源vvdd的屬性圖：1-16 修改電壓源vin屬性1.3.4 輸出spice文件輸出成Spice文件，包含文件“ml2_125.md”： 以上兩步和“反相器瞬時分析”中兩步驟類似，在此從略。添加文件后的Spice稍后給出。1.3.5 分析設(shè)定和輸出設(shè)定由于進(jìn)行反相器的直流分析，模擬其轉(zhuǎn)換曲線，所以模擬輸入電壓vin從0V到5V變化（以0.02線性增加），輸出電壓相對于輸入電壓的變化。即在文件結(jié)尾插入命令“.dc lin param vin 0 5.0 0.02”.其設(shè)置如下: Insert Commend - Analysis- DC transfer Sweep-Sweep1,在打開的對話框中的Sweep type下拉列表中選擇Liner項，在Paramemter type下拉框中選擇Source項，在name文本框中輸入“v3”，在Start和Stop中分別輸入0和5.0，在Increment中輸入0.02，之后先單擊Accept按鈕，在單擊Insert Commend按鈕即可。如圖1-17所示。輸出設(shè)定與瞬態(tài)分析相同，不在多做介紹。最后網(wǎng)表如圖1-18所示。圖1-17 分析設(shè)定細(xì)則圖1-18 最后的直流分析網(wǎng)表1.3.6 進(jìn)行模擬此步驟和“反相器瞬時分析”中的相同，在此從略，如圖1-19。圖1-19 直流傳輸特性波形圖1.3.7 結(jié)果分析有上圖可以看出隨著輸入信號的增大，反相器的工作狀態(tài)可以分為5個階段來描述。即輸入等于輸出、輸出緩慢減小（速率加快）、輸出急劇下降、輸出再減?。ㄋ俾首兟┖洼敵鰩缀鯙榱阄鍌€階段，與理論分析一致，分別對應(yīng)N管截止，P管飽和導(dǎo)通階段，N管飽和導(dǎo)通，P管非飽和導(dǎo)通階段，N管、P管都飽和導(dǎo)通階段，N管非飽和導(dǎo)通，P管飽和導(dǎo)通階段，N管N管非飽和導(dǎo)通，P管截止階段。所以此次設(shè)計是正確的。第二章使用S-Edit編輯設(shè)計CMOS反相器原理圖本章采用TannerEDA軟件的L-Edit模塊繪制CMOS反相器的版圖并對其仿真6。2.1繪制反相器版圖的前期設(shè)置工作2.1.1 打開L-Edit軟件新建版圖文件打開L-Edit程序，并將新文件另存以合適的文件名存儲在一定的文件夾下：在自己的計算機上一定的位置處打開L-Edit程序，此時L-Edit自動將工作文件命名為Layout1.sdb并顯示在窗口的標(biāo)題欄上。而在本例中則在L-Edit文件夾中建立“inv”文件夾，并將新文件以文件名“inv”存與此文件夾中。如圖2-1所示。圖：2-1 打開L-Edit，并另存文件為inv2.1.2取代設(shè)定選擇File-Replace Setup命令，在彈出的對話框中單擊瀏覽按鈕，按照路徑.SamplesSPRexample1lights.tdb找到“l(fā)ights.tdb”文件，單擊OK即可。此時可將lights.tdb文件的設(shè)定選擇性的應(yīng)用到目前編輯的文件中。2.1.3編輯組件L-Edit編輯方式是以組件（Cell）為單位而不是以文件為單位，一個文件中可以包含多個組件，而每一個組件則表示一種說明或者一種電路版圖。每次打開一個新文件時便自動打開一個組件并命名為“Cell0”；也可以重命名組件名。方法是選擇Cell-Rename 命令，在彈出的對話框中的Rename cell as文本框中輸入符合實際電路的名稱，如本設(shè)計中采用組件名“inv” 即可,之后單擊OK按鈕。如圖2-2所示。圖2-2 重命名組件為inv2.1.4設(shè)計環(huán)境設(shè)定繪制布局圖必須要有確實的大小，因此要繪圖前先要確認(rèn)或設(shè)定坐標(biāo)與實際長度的關(guān)系。選擇Setup-Design命令，打開Set Design對話框，在Technology選項卡中出現(xiàn)使用技術(shù)的名稱、單位與設(shè)定。本設(shè)計中的技術(shù)單位是Lambda。而Lambda單位與內(nèi)部單位Internal Unit的關(guān)系可在Technology Setup選項組中設(shè)定。此次設(shè)計設(shè)定1個Lambda為1000個Internal Unit，也設(shè)定1個Lambda等于1個Micron。接著選擇Grid選項卡，其中包括使用格點顯示設(shè)定、鼠標(biāo)停格設(shè)定與坐標(biāo)單位設(shè)定。此次設(shè)計設(shè)定1個顯示的格點等于1個坐標(biāo)單元，設(shè)定當(dāng)格點距離小于8個像素時不顯示；設(shè)定鼠標(biāo)光標(biāo)顯示為Smooth類型，設(shè)定鼠標(biāo)鎖定的格點為0.5個坐標(biāo)單位；設(shè)定1個坐標(biāo)單位為1000個內(nèi)部單位。2.2 繪制反相器2.2.1編輯PMOS按照N Well層、P Select層、Active層、Ploy層、Mental1層、Active contact層的流程編輯PMOS組件7。其中，N Well層寬為24個格點、高為15個格點，P Select層寬為18個格點、高為10個格點，Active層寬為14個格點、高為5個格點，Ploy層寬為2個格點、高為20個格點，Mental1層寬為4個格點、高為4個格點，Active contact層寬為2個格點、高為2個格點。在設(shè)計各個圖層時，一定要配合設(shè)計規(guī)則檢查（DRC），參照設(shè)計規(guī)則反復(fù)修改對象。這樣才可以高效的設(shè)計出符合規(guī)則的版圖。PMOS組件的編輯結(jié)果如圖2-3所示。圖2-3 PMOS組件結(jié)果圖2.2.2編輯NMOS按照N Select層、Active層、Ploy層、Mental1層、Active contact層的流程編輯NMOS組件8。其中，N Select層寬為18個格點、高為9個格點，Active層寬為14個格點、高為5個格點，Ploy層寬為2個格點、高為9個格點，Mental1層寬為4個格點、高為4個格點，Active contact層寬為2個格點、高為2個格點。NMOS組件的編輯結(jié)果如圖2-4所示。圖2-4 NMOS組件結(jié)果圖2.2.3 其他部分由于L-EDIT軟件默認(rèn)是使用P型襯底，所以要在P管加上N阱做襯底。兩個管子?xùn)艠O相連打孔并外接出去連接輸入端in，源漏相連外接至out。不再多說我的最終的版圖文件還有版圖的尺寸都做了標(biāo)注并做了最終的DRC 9驗證沒有錯誤如圖2-5.圖2-5 生成的版圖和DRC截圖2.3使用T-Spice進(jìn)行版圖設(shè)計仿真繪制完版圖后要對版圖文件像spice文件轉(zhuǎn)換的操作10：在L-Edit中選擇tools-extract點擊run。打開T-Spice程序，打開反相器版圖的Spice文件“inv.spc”并按照如下流程在Spice文件中插入命令11：加載包含文件-Vdd電源電壓值設(shè)定-輸入信號A設(shè)定-分析設(shè)定-輸出設(shè)定-進(jìn)行模擬。設(shè)定后在文件中加入如下命令行：.include D: ml2_125.md，vvdd Vdd GND 5，va A GND PULSE (0 5 50n 5n 5n 50n 100n)，.tran/op 1n 400n method=bdf，.print tran v(A) v(OUT)12。設(shè)定后的結(jié)果如圖2-6所示。單擊仿真按鈕進(jìn)行仿真，自動彈出的仿真波形如圖2-7所示。圖2-6 轉(zhuǎn)換后并添加完激勵的網(wǎng)表 圖2-7 反相器版圖的仿真結(jié)果結(jié)論通過CMOS反相器的仿真讓我對MOS管的原理原理有了進(jìn)一步的理解。通過這次是實踐行動讓我對Tanner EDA 軟件的各各模塊的操作也變得更加熟練。以前就會使用T-Spice直接寫網(wǎng)表然后添加激勵進(jìn)行仿真，現(xiàn)在我明白了可以由電路圖直接向spice網(wǎng)表進(jìn)行轉(zhuǎn)化，比如有一個很大的電路圖可能有幾十個或者上百個管子或器件要是直接寫網(wǎng)表是不現(xiàn)實的因為節(jié)點太多工程師很容易寫錯，要是能夠由電路原理圖直接向網(wǎng)表轉(zhuǎn)化就會方便的很多，既節(jié)省了時間也避免了不必要的的錯誤。網(wǎng)表轉(zhuǎn)化完畢還要對電路包含頭文件或者庫文件還要進(jìn)行加載激勵，完后就基本上可以仿真了，波形出來以后我們可以檢測其的正確性，以進(jìn)行下一步的工作。在本文