全定制施密特觸發(fā)器

1、成 績(jī) 評(píng) 定 表學(xué)生姓名班級(jí)學(xué)號(hào)專 業(yè)課程設(shè)計(jì)題目評(píng)語(yǔ)組長(zhǎng)簽字：成績(jī)?nèi)掌?20 年 月 日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué) 院專 業(yè)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)生姓名班級(jí)學(xué)號(hào)課程設(shè)計(jì)題目施密特觸發(fā)器設(shè)計(jì) 實(shí)踐教學(xué)要求與任務(wù):完成施密特觸發(fā)器電路設(shè)計(jì)。 （1）電路面積最優(yōu)； （2）注意設(shè)計(jì)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)； （3）回差不限； （4）輸出狀態(tài)切換時(shí)間0.1ns； （5）采用gpdk0.18 通用工藝模型庫(kù)； （6）完成全部流程：設(shè)計(jì)規(guī)范文檔、原理圖輸入、功能仿真、基本單元版圖、整體版圖、物理驗(yàn)證等。 工作計(jì)劃與進(jìn)度安排:第 1-2 天：講解題目，準(zhǔn)備參考資料，檢查、調(diào)試實(shí)驗(yàn)軟硬件，進(jìn)入設(shè)計(jì)環(huán)境，開始 設(shè)計(jì)方案和驗(yàn)證方案的準(zhǔn)

2、備； 第3 天：完成設(shè)計(jì)與驗(yàn)證方案，經(jīng)指導(dǎo)老師驗(yàn)收后進(jìn)入模塊電路設(shè)計(jì)； 第4-5 天：完成電路設(shè)計(jì)，并完成功能仿真； 第 6 天：?jiǎn)卧鎴D設(shè)計(jì)并物理驗(yàn)證 ； 第7-8 天：布局布線，完成版圖； 第9 天：物理驗(yàn)證、后仿真，修改設(shè)計(jì)； 第10 天：整理設(shè)計(jì)資料，驗(yàn)收合格后進(jìn)行答辯。 指導(dǎo)教師： 201 年 月 日專業(yè)負(fù)責(zé)人：201 年 月 日學(xué)院教學(xué)副院長(zhǎng)：201 年 月 日II摘 要施密特觸發(fā)器（Schmitt Trigger）是脈沖波形變換中經(jīng)常使用的一種電路。利用它所具有的電位觸發(fā)特性，可以進(jìn)行脈沖整形，把邊沿不夠規(guī)則的脈沖整形為邊沿陡峭的矩形脈沖；通過(guò)它可以進(jìn)行波形變換，把正弦波變換成矩

3、形波；另一個(gè)重要用途就是進(jìn)行信號(hào)幅度鑒別，只要信號(hào)幅度達(dá)到某一設(shè)定值，觸發(fā)器就翻轉(zhuǎn)。本次課程設(shè)計(jì)是在cadence公司的全定制平臺(tái)IC5141下，完成了施密特觸發(fā)器的全定制電路設(shè)計(jì)。根據(jù)施密特觸發(fā)器在性能上的特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)要求，采用180nmpdk工藝庫(kù)并用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)施密特觸發(fā)器的關(guān)鍵是反饋電路的構(gòu)建，最簡(jiǎn)單的方法是采用電阻反饋的方式。首先，根據(jù)電路圖進(jìn)行原理圖的繪制，然后進(jìn)行電路測(cè)試。在版圖部分要對(duì)N管和P管進(jìn)行例化。最后，進(jìn)行DRC和LVS驗(yàn)證。IC5141工具主要包括集成平臺(tái)design frame work II、原理圖編輯工具virtuoso schematic edito

4、r、仿真工具spectre、版圖編輯工具virtuoso layout editor、以及物理驗(yàn)證工具diva。關(guān)鍵字：施密特觸發(fā)器；全定制；物理驗(yàn)證； 目 錄1 電路設(shè)計(jì)11.1 原理分析11.2 施密特觸發(fā)器電路12 施密特原理圖輸入32.1 建立設(shè)計(jì)庫(kù)32.2 電路原理圖輸入43電路仿真與分析53.1 創(chuàng)建symbol53.2 創(chuàng)建仿真電路圖53.3 電路仿真與分析64 電路版圖設(shè)計(jì)94.1 建立pCell庫(kù)版圖94.2 pCell庫(kù)器件參數(shù)化114.3 器件板圖繪制145物理驗(yàn)證175.1 設(shè)計(jì)規(guī)則檢查DRC175.2 LVS檢查17結(jié) 論21參考文獻(xiàn)22IV1 電路設(shè)計(jì)1.1 原理分

5、析施密特觸發(fā)器是一種特殊的門電路，與普通的門電路不同，施密特觸發(fā)器有兩個(gè)閾值電壓，分別稱為正向閾值電壓和負(fù)向閾值電壓。在輸入信號(hào)從低電平上升到高電平的過(guò)程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為正向閾值電壓VT+，在輸入信號(hào)從高電平下降到低電平的過(guò)程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為負(fù)向閾值電壓VT-。正向閾值電壓與負(fù)向閾值電壓之差稱為回差電壓 VT。1.2 施密特觸發(fā)器電路將兩級(jí)反相器串接起,同時(shí)通過(guò)分壓電阻把輸出端的電壓反饋到輸入端，就構(gòu)成了圖1-1(a)所示的施密特觸發(fā)器電路。其中G1、G2是CMOS電路，它們的閾值電壓VTH=0.5VDD，且R1”Wire(narrow)”或點(diǎn)擊工具欄中的放

6、置細(xì)線或用快捷鍵w，便可以將已經(jīng)放置好的元件連接起來(lái)。4）添加輸入輸出端口：完成連線后直接添加pin完成原理圖輸入。選擇“Add”-“Pin”或點(diǎn)擊工具欄中的放置端口或用快捷鍵P均可，彈出pin選項(xiàng)表，填好端口名，并使之與端口方向（分別為input和output）的選項(xiàng)一致，即可完成輸入輸出端口的添加。5）檢查與保存。選擇“Design”-“Check and Save”，如果電路圖有繪制問(wèn)題，會(huì)報(bào)告出錯(cuò)。至此我們就完成了整體電路圖繪制。整體原理圖如圖2.2所示：圖2.2 施密特觸發(fā)器原理圖3電路仿真與分析3.1 創(chuàng)建symbol完成原理圖之后，為便于進(jìn)行仿真，需要進(jìn)行symbol的創(chuàng)建。（1

7、） 生成符號(hào)圖：在原理圖編輯窗口，點(diǎn)擊菜單項(xiàng)DesignCreate Cellview From Cellview，出現(xiàn)symbol生成選項(xiàng)表(圖3.1上部分)，點(diǎn)擊OK按鈕出現(xiàn)圖3.1下部分。圖3.1 symbol 生成選項(xiàng)表在的表項(xiàng)中只采用默認(rèn)值，直接點(diǎn)擊OK按鈕，即可看到symbol編輯窗口。3.2 創(chuàng)建仿真電路圖完成電路原理圖的輸入之后，為了對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真和性能分析，需要建立一個(gè)仿真平臺(tái)，將電源、各種激勵(lì)信號(hào)輸入待測(cè)的電路inv，然后采用仿真器進(jìn)行分析。1）建立設(shè)計(jì)原理圖：在命令解釋器窗口CIW中選菜單項(xiàng)FileNewCellview ,出現(xiàn)“Create New File”對(duì)話框，填

8、寫、選擇相應(yīng)的選項(xiàng)，點(diǎn)擊OK按鈕，進(jìn)入原理圖編輯器virtuoso schematic editor界面。（同前述電路原理圖輸入時(shí)的操作一樣）。2）例化并添加器件：在原理圖編輯器中選擇菜單項(xiàng)AddInstance（或者按快捷鍵i，或者點(diǎn)擊編輯器左側(cè)的工具欄Instance按鈕均可）出現(xiàn)例化選項(xiàng)表。分別添加vdd和gnd(注意這里采用的是analogLib庫(kù)中的元件)。添加負(fù)載電容，設(shè)置電源vdc和輸入信號(hào)。3）器件互聯(lián)：連線這里不詳述，操作同電路原理圖輸入。最后得到的仿真電路圖如圖3.2所示一致。圖3.2 施密特觸發(fā)器仿真電路圖3.3 電路仿真與分析對(duì)于ic5141模擬設(shè)計(jì)環(huán)境ADE來(lái)說(shuō)，默認(rèn)

9、的仿真器是spectre，這里直接采用spectre對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真和分析。（1） 啟動(dòng)模擬設(shè)計(jì)環(huán)境ADE（Analog Design Environment）：在圖3.2的窗口中選擇菜單項(xiàng)ToolsAnalog Environment，隨即啟動(dòng)ADE。窗口如圖3.3所示。所示我們的電路仿真與分析就要在該平臺(tái)下進(jìn)行。圖3.3 ADE啟動(dòng)界面（2） 添加模型與仿真文件：在圖3.3的界面中，選擇菜單項(xiàng)SetupModel Libraries，進(jìn)入ModelSetup Library窗口。然后點(diǎn)擊右下角的Browse按鈕，進(jìn)入模型庫(kù)的選擇，如下圖3.4所示。點(diǎn)擊OK按鈕選中模型文件gpdk.scs，窗

10、口回到Model Library Setup界面。在Section(opt)下的框中填入stat，點(diǎn)擊Add按鈕添加模型文件。最后點(diǎn)擊OK選中模型文件并退出。選定模型后，還需要設(shè)置仿真文件。選擇菜單選項(xiàng)SetupSimulation Files，彈窗口中填入仿真文件的路徑，點(diǎn)擊OK完成設(shè)置。圖3.4 仿真分析模型選擇（3）設(shè)置分析類型：根據(jù)不同的需要，可以對(duì)電路進(jìn)行不同類型的分析。在此選擇瞬態(tài)（transient）分析。在ADE界面中，選擇菜單項(xiàng)AnalysesChoose，選擇仿真參數(shù)和類型，分析時(shí)間相對(duì)于激勵(lì)適當(dāng)即可。（4）信號(hào)分析輸出捕捉：這里選擇需要查看的信號(hào)。在ADE界面中，選擇菜單

11、項(xiàng)OutputTo be plottedSelect On Schematic，此時(shí)invTest的原理圖窗口變成活躍的，直接用鼠標(biāo)點(diǎn)擊需要查看的信號(hào)即可。這里選擇inv的輸入和輸出信號(hào)線，可以看見(jiàn)這兩個(gè)信號(hào)線的顏色發(fā)生了變化，表示被選中。（5）運(yùn)行仿真與波形查看：選中信號(hào)后回到ADE窗口，此時(shí)的窗口內(nèi)容如下圖3.5所示。圖3.5 完成設(shè)置的ADE選擇菜單項(xiàng)SimulationNetlist and run（或相應(yīng)工具欄按鈕），運(yùn)行仿真，直接點(diǎn)擊OK關(guān)閉彈出的歡迎頁(yè)（Welcome to spectre）。隨即出現(xiàn)仿真文字輸出和波形輸出。波形如圖3.6所示：圖3.6 施密特觸發(fā)器輸出波形4 電

12、路版圖設(shè)計(jì)本課程設(shè)計(jì)采用工具軟件為cadence平臺(tái)ic5.1.41，主要為Virtuoso，用于原理圖、版圖輸入，DIVA用于提取、DRC、LVS。這里首先建立一個(gè)基本器件版圖庫(kù)，再將器件加上參數(shù)，使之成為參數(shù)化單元庫(kù)（Parameterized Cell）。然后在參數(shù)化器件基礎(chǔ)上，繪制設(shè)計(jì)的版圖。最后對(duì)設(shè)計(jì)版圖進(jìn)行版圖提取、DRC/LVS驗(yàn)證。4.1 建立pCell庫(kù)版圖軟件工具啟動(dòng)后，關(guān)閉“whats new”窗口，新建參數(shù)化器件庫(kù)pCell。在CIW（Command Interpreter Window）界面選擇菜單項(xiàng)FileNewLibrary，彈出如下圖4.1所示窗口。圖4.1 新

13、建設(shè)計(jì)庫(kù)1）完成建庫(kù)后就可以在該設(shè)計(jì)庫(kù)pCell中設(shè)計(jì)器件。在CIW界面選擇菜單項(xiàng)FileNew Cellview，彈出窗口，按照要求填寫與選擇，點(diǎn)擊按鈕OK完成mypmos器件文件創(chuàng)建。隨后出現(xiàn)的界面就是版圖編輯器窗口。2）N阱繪制：回到編輯窗口中，選擇菜單項(xiàng)CreateRectangle（或工具欄Rectangle，或快捷鍵r），直接點(diǎn)擊Hide按鈕隱藏彈出窗口。在編輯窗口移動(dòng)鼠標(biāo)，查看窗口菜單項(xiàng)上方的坐標(biāo)顯示，在位置（0，0）單擊鼠標(biāo)，向右上方拉伸至（2.78，1.6）再次單擊，完成N阱繪制。3）在LSW界面點(diǎn)擊下方Nimp條形欄，選中Nimp作為當(dāng)前繪圖層。回到編輯窗口中，仍采用Rec

14、tangle形狀進(jìn)行繪制。用同樣方法繪制Pimp，此時(shí)完成注入?yún)^(qū)（Nimp、Pimp）的繪制。4）然后要進(jìn)行Poly層制作。在LSW窗口選中Poly，回到編輯窗口中，選擇菜單項(xiàng)CreatePath（或工具欄Path，或快捷鍵p），出現(xiàn)彈出窗口，寬度Width項(xiàng)填入0.18，即可進(jìn)行Poly的繪制。5）最后應(yīng)該繪制的是，Oxide、 兩處 Metal1、三處Cont。注意相應(yīng)的坐標(biāo)，切勿出錯(cuò)。最后得到完整的PMOS繪圖如下圖4.2所示：圖4.2 PMOS版圖在版圖編輯窗口，選中菜單項(xiàng)DesignSave As，將當(dāng)前設(shè)計(jì)mypmos的PMOS版圖另存于同一庫(kù)中，并命名mynmos。然后選中菜單項(xiàng)

15、WindowClose，關(guān)閉mypmos。再在CIW窗口選中菜單項(xiàng)FileOpen，以編輯方式打開mynmos版圖。在版圖編輯器中，刪去mynmos的Nwell圖層；在保持幾何尺寸不變的條件下，將原來(lái)Pimp圖層改成Nimp， 將原來(lái)Nimp改為Pimp；其余的圖層保持不變。這樣就得到了一個(gè)NMOS的版圖，如下圖4.3所示：圖4.3 NMOS版圖4.2 pCell庫(kù)器件參數(shù)化 1）長(zhǎng)度length和寬度width設(shè)置參數(shù)：這里對(duì)MOS器件所設(shè)的參數(shù)為管子長(zhǎng)度length和寬度width。首先在CIW中選菜單項(xiàng)FileOpen，以編輯方式打開mypmos版圖，開始進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。在版圖編輯器窗口，

16、選菜單項(xiàng)ToolsPcell，則在編輯器中多出一菜單項(xiàng)Pcell。先進(jìn)行寬度參數(shù)設(shè)定。選菜單項(xiàng)PcellStretch in Y啟動(dòng)命令，然后移動(dòng)鼠標(biāo)在點(diǎn)（-0.15，0.8）附近單擊一下，會(huì)看到一條以單擊點(diǎn)為起點(diǎn)的水平直線，向右拉伸，穿過(guò)三個(gè)cont，在點(diǎn)（3，0.8）附近雙擊鼠標(biāo)（仍可用Backspace取消前一單擊點(diǎn)），出現(xiàn)彈出Y向拉伸參數(shù)窗口，并參照?qǐng)D示填寫、選擇相關(guān)內(nèi)容，點(diǎn)擊按鈕OK完成設(shè)定。2）編譯：設(shè)定width參數(shù)后，要進(jìn)行編譯：Pcell CompileTo Pcell，在彈出窗口中選擇transistor，并按鈕OK完成設(shè)置（只在第一次編譯中出現(xiàn)）。編譯完后就要實(shí)際驗(yàn)證一下

17、。在CIW窗口，選擇菜單FileNewCellview，任意命名一個(gè)cell（單元），比如pcellTest，主要用來(lái)測(cè)試剛剛編譯過(guò)的pcell。在pcellTest的版圖編輯界面，例化pCell庫(kù)中的pmos版圖，彈出窗口如下圖4.4，可見(jiàn)width參數(shù)項(xiàng)。圖4.4 width參數(shù)變化對(duì)參數(shù)width分別給以不同的數(shù)值，這里是0.6和1.2，查看例化結(jié)果。從下圖4.5 width參數(shù)變化見(jiàn)cont的尺寸發(fā)生變化，這是不希望的。 圖4.5 參數(shù)設(shè)定 尺寸問(wèn)題的變化是這樣解決的，在mypmos版圖編輯界面，執(zhí)行菜單命令Pcell RepetitionRepeat in Y，然后在窗口中用鼠標(biāo)分別

18、單擊三個(gè)cont，三個(gè)cont隨即高亮表示被選中。若有別的圖層被選中，可按住鍵盤的Ctrl鍵再在多余的圖層單擊鼠標(biāo)左鍵即可。單擊選中三個(gè)cont之后按鍵盤Enter鍵，或者選中最后一個(gè)cont時(shí)雙擊鼠標(biāo)，就會(huì)出現(xiàn)如圖4.6所示的表單項(xiàng)。完成這個(gè)參數(shù)設(shè)置之后點(diǎn)擊OK按鈕。先編譯，再查看總結(jié)。圖4.6 Y向重復(fù)選項(xiàng)參數(shù)同樣要進(jìn)行例化驗(yàn)證，將參數(shù)width分別設(shè)為默認(rèn)值和1。至此，參數(shù)width設(shè)置完成，下面來(lái)進(jìn)行參數(shù)length的設(shè)置。在版圖編輯窗口，執(zhí)行菜單命令Pcell Stretch in X，移動(dòng)鼠標(biāo)至點(diǎn)（1.59，1.8）附近單擊，垂直垂直拉伸至點(diǎn)（1.59，-0.2）附近雙擊，會(huì)有窗口

19、彈出，如圖4.7所示。圖4.7 X向伸展和length參數(shù)設(shè)置 照上圖填寫、選擇之后按OK鍵。然后進(jìn)行編譯、查看參數(shù)總結(jié)，如圖4.8所示。圖4.8 參數(shù)總結(jié) 圖4.9是將參數(shù)length分別設(shè)為默認(rèn)值和0.36的例化結(jié)果。圖4.9 length參數(shù)例化驗(yàn)證PMOS管的兩個(gè)參數(shù)width和length已經(jīng)設(shè)置完成，可以正常使用了。和PMOS的參數(shù)化一樣，NMOS做法步驟完全一樣。至此，pCell庫(kù)中的兩個(gè)單元（cell）pmos和nmos版圖已經(jīng)參數(shù)化完成，擁有長(zhǎng)度length和寬度width兩個(gè)參數(shù)，并且cont在寬度方向上隨width參數(shù)改變而重復(fù)，這些在設(shè)計(jì)中都可以直接使用。注意在今后的設(shè)

20、計(jì)當(dāng)中，應(yīng)盡量使用廠商提供的pdk中的參數(shù)化器件。下面就利用pCell庫(kù)中的參數(shù)化單元進(jìn)行電路版圖制。4.3 器件板圖繪制要求為設(shè)計(jì)單獨(dú)建一個(gè)庫(kù)，例示中命名為mylib。操作同前述所有的建庫(kù)操作一樣。在設(shè)計(jì)庫(kù)mylib中創(chuàng)建cell，使用菜單命令FileNewCellview，彈出如下窗口，填寫、選擇完成點(diǎn)擊OK按鈕，進(jìn)入名為sub 單元（cell）的版圖編輯界面。1）PMOS和NMOS的例化：在版圖編輯界面中，直接按下鍵盤中i鍵，彈出例化cell的窗口，如下圖填寫、選擇，完成例化PMOS單元，如圖4.10所示。圖4.10 PMOS的表單與擺放當(dāng)點(diǎn)擊Hide按鈕后，Create Instanc

21、e窗口消失，在版圖編輯窗口出現(xiàn)一個(gè)隨鼠標(biāo)移動(dòng)的PMOS管。同樣例化一個(gè)NMOS管，見(jiàn)下圖4.11。圖4.11 NMOS的表單與擺放 2）反相器版圖的繪制：反相器由一個(gè)PMOS管和NMOS管構(gòu)成，先擺放PMOS管和NMOS，在用Metal1和Poly進(jìn)行連接，接口pin用Metal1連接出來(lái)即可。反相器版圖如圖4.12所示。圖4.12 反相器版圖對(duì)例化的PMOS、NMOS及反相器進(jìn)行調(diào)用，在新的版圖編輯窗口將調(diào)用的元件按電路原理圖擺放，計(jì)算好個(gè)器件之間的最小尺寸，以達(dá)到面積的優(yōu)化。施密特觸發(fā)器的版圖如圖4.13所示。圖4.13 施密特觸發(fā)器版圖5物理驗(yàn)證5.1 設(shè)計(jì)規(guī)則檢查DRC設(shè)計(jì)規(guī)則是集成電

22、路版圖各種幾何圖形尺寸的規(guī)范，DRC是在產(chǎn)生掩模圖形之前，按照設(shè)計(jì)規(guī)則對(duì)版圖幾何圖形的寬度、間距及層與層之間的相對(duì)位置等進(jìn)行檢查，以確保設(shè)計(jì)的版圖沒(méi)有違反預(yù)定的設(shè)計(jì)規(guī)則，能在特定的集成電路制造工藝下流片成功，并且具有較高的成品率。不同的集成電路工藝都具有與之對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)則，因此設(shè)計(jì)規(guī)則檢查與集成電路的工藝有關(guān)。一般情況下，手動(dòng)繪制版圖過(guò)程中，每完成一部分都要進(jìn)行DRC檢查。在版圖編輯界面，執(zhí)行菜單命令VerifyDRC，啟動(dòng)DIVA，彈出DRC窗口，如下圖5.1所示。圖5.1啟動(dòng)窗口與報(bào)告由圖5.1中的檢測(cè)報(bào)告可知，本次設(shè)計(jì)順利的通過(guò)了DRC檢測(cè)，完全滿足幾何尺寸方面的要求。5.2 LVS檢查

23、LVS有好幾個(gè)對(duì)比的對(duì)象，但通常是指版圖的提取與電路原理圖之間的對(duì)比，因此這兩個(gè)文件是一定要具備。首先進(jìn)行版圖的提取。在inv 單元版圖編輯窗口執(zhí)行菜單命令VerifyExtract命令進(jìn)行版圖提取，出現(xiàn)如圖5.2的界面，直接點(diǎn)擊OK按鈕就可以完成提取，保存在當(dāng)前庫(kù)。圖5.2版圖提取表項(xiàng)留意CIW中的提取提示。為避免版圖之間混淆，可以關(guān)閉sub 單元版圖編輯窗口，然后再在CIW窗口打開提取的版圖。FileOpen，出現(xiàn)如圖5.3所示的窗口，打開提取的版圖進(jìn)行LVS檢查。圖5.3 打開提取版圖原理圖就是前面仿真的電路圖，一并打開。在提取的版圖窗口執(zhí)行菜單命令VerifyLVS，出現(xiàn)如圖5.4所示的界面。 圖5.4 LVS表項(xiàng)在schematic或extracted項(xiàng)下可以采用browse按鈕選擇對(duì)應(yīng)的單元和視圖，或者點(diǎn)擊各自對(duì)應(yīng)的按鈕“Sel by Cursor”，然后再去點(diǎn)擊