CMOS反相器原理图版图的仿真设计学年

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1、集成电路专业学年论文论文题目：CMOS反相器原理图版图设计与仿真摘要门电路是构成各种复杂数字电路的基本逻辑单元,掌握各种门电路的逻辑功能和电气特性,对于正确使用数字集成电路是十分必要的。MOS门电路：以MOS管作为开关元件构成的门电路。 MOS门电路,尤其是CMOS门电路具有制造工艺简单、集成度高、抗干扰能力强、功耗低、价格便宜等优点,得到了十分迅速的发展。所谓CMOS ,是在集成电路设计中,同时采用两种MOS器件：NMOS和PMOS,并通常配对出现的一种电路结构。CMOS电路及其技术已成为当今集成电路,尤其是大规模电路、超大规模集成电路的主流技术。反相器是数字电路中的一种基本功能模块。将两个

2、串行反相器的输出作为一位寄存器的输入就构成了锁存器。锁存器、数据选择器、译码器和状态机等精密数字符件都需要使用基本反相器。因此此次针对CMOS反相器原理图、版图设计与仿真 也是很有必要的自己学会了Tanner EDA 软件的使用。也进一步了解了CMOS反相器直流特性瞬态特性和版图的绘制。关键词CMOS;反相器;Tanner EDA;设计;仿真;版图;AbstractThe complex digital circuits are constituted by the basic gate circuits,and the Gate circuits is the logic cells.Gra

3、sp 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-i

4、nterference ability, low power consumption, cheap, etc., has been very rapid development. The so-called CMOS , 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,

5、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

6、 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.KeywordsCMOS; inverter; TannerEDA; de

7、sign; simulation; territory;23 / 26目录摘要IAbstractII前言3第一章 使用S-Edit编辑设计CMOS反相器原理图41.1绘制CMOS反相器原理图41.1.1进入S-Edit建立新文件41.1.2环境设置环境设置41.1.3编辑模块并浏览组件库51.1.4从组件库引用模块51.1.5编辑反相器61.1.6加入输入输出端口71.1.7 反相器的输出成果71.2反相器瞬态分析81.2.1进入S-Edit编辑文件81.2.2输出成Spice文件81.2.3加载包含文件91.2.4插入分析设定和输出设定命令101.2.5进行模拟111.3反相器直流分析121

8、.3.1进入S-Edit121.3.2加入工作电源和输入直流信号121.3.3 编辑直流电压源131.3.4输出spice文件131.3.5分析设定和输出设定141.3.6进行模拟151.3.7结果分析16第二章使用S-Edit编辑设计CMOS反相器原理图172.1绘制反相器版图的前期设置工作172.1.1打开L-Edit软件新建版图文件172.1.2取代设定172.1.3编辑组件172.1.4设计环境设定172.2绘制反相器182.2.1编辑PMOS182.2.2编辑NMOS182.2.3其他部分202.3使用T-Spice进行版图设计仿真21结论22参考文献23前言CMOS结构的主要优点是

9、电路的静态功耗非常小,电路结构简单规则,使得它可以用于大规模集成电路、超大规模集成电路。为了能在同一硅材料上制作两种不同类型的MOS器件,必须构造两种不同类型的衬底。在P型硅衬底上专门制作一块N型区域,作为PMOS的衬底。为防止源/漏区与衬底出现正偏置,通常P型衬底应接电路中最低的电位,N型衬底应接电路中最高的电位。为保证电位接触的良好,在接触点采用重掺杂结构。下面简短介绍一下CMOS反相器工作原理2如图1：图1 cmos反相器工作原理当Ui=UIH = VDD,VTN导通,VTP截止,Uo =Uol0V当Ui= UIL=0V时,VTN截止,VTP导通,UO = UOHVDD 还有就是CMOS

10、电路的优点3:1微功耗。CMOS电路静态电流很小,约为纳安数量级。2抗干扰能力很强。输入噪声容限可达到VDD/2。3电源电压围宽。多数CMOS电路可在318V的电源电压围正常工作。4输入阻抗高。5负载能力强。CMOS电路可以带50个同类门以上。6逻辑摆幅大低电平0V,高电平VDD 。第一章 使用S-Edit编辑设计CMOS反相器原理图1.1 绘制CMOS反相器原理图在此次实例设计中采用Tanner EDA 软件中的S-Edit组件设计CMOS反相器的原理图,进而掌握S-Edit的基本功能和使用方法。操作流程如下:进入S-Edit建立新文件环境设置编辑模块引用模块编辑反相器加入输入输出完成反相器

11、电路。1.1.1进入S-Edit建立新文件打开S-Edit程序,并将新文件另存以合适的文件名存储在一定的文件夹下：在自己的计算机上一定的位置处打开S-Edit程序。在本例中在S-Edit文件夹中新建立inv文件夹,并将新文件以文件名inv存与此文件夹中。如图1-1所示。图 1-1 另存新文件为inv.sdb1.1.2环境设置环境设置S-Edit默认的工作环境是黑底白线,但可以按照用户的喜好自行设定。即选择Setup-Colors命令,打开Colors对话框,可分别设置背景色、前景色、选取颜色、栅格颜色、原点颜色和可更换颜色等。如图图 1-2所示。图 1-2 设定颜色1.1.3编辑模块并浏览组件

12、库S-Edit编辑方式是以模块为单位而不是以文件为单位,一个文件中可以包含多个模块,而每一个模块则表示一种基本组件或者一种电路。每次打开一个新文件时便自动打开一个模块并命名为Module0；也可以重命名模块名。方法是选择Module-Rename 命令,在弹出的对话框中的New Name 中输入符合实际电路的名称,如inv 即可,之后单击OK按钮就可以。S-Edit本身附有4个组件库,它们分别是scmos.sdb , spice.sdb , pages.sdb和element.sdb 。可以引用其中的模块,默认时有spice.sdb和element.sdb两个组件库,也可以添加其他的两个组件库

13、。1.1.4从组件库引用模块编辑反相器电路会用到NMOS,PMOS,Vdd,Gnd这四个模块。引用的方法是在Symobl Brower 对话框中选取spice组件库,在其含的模块列表中以次找到所需模块,并放在编辑界面中。结果如图 1-3所示。图 1-3 Symbol Browser界面1.1.5编辑反相器按住Alt键拖动鼠标,可移动选中对象。移动各个对象到合适位置后,选择原理图工具条中的连线按钮连接各个对象节点以组建成反相器。注意,各节点上小圆圈消失即代表连线成功；若3个以上的节点连在一起则会出现实心圆圈。编辑后反相器结果图4如图1-4所示。图 1-4 编辑反相器并连线1.1.6加入输入输出端

14、口利用输入输出按钮表明此反相器的输入输出信号的位置和名字,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,在弹出的Edit Selected Port 对话框中的Name 文本框中输入名字,如IN,单击OK按钮即可。如图 1-5所示。同样的方法也可加入输出端口OUT。图 1-5 加入输入端口IN1.1.7反相器设计成果引入输入输出端口后完整的反相器电路图如图1-6所示。图1-6 反相器电路图1.2反相器瞬态分析在此次实例设计中采用软件中的S-Edit组件设计CMOS反相器顺瞬时仿真的原理图5,进一步掌握S-Edit的基本功能和使用方法;并使用T-Spice组件仿真。此次反相器

15、瞬时分析仿真调用前面已经设计完成的文件inv中的模块inv并加入激励源来完成。操作流程如下：进入S-Edit建立反相器仿真电路-生成Spice文件-在T-Spice环境下插入仿真命令并仿真-查看与分析仿真结果。1.2.1进入S-Edit编辑文件打开S-Edit程序,设置环境,打开inv.sdb文件对其修改加入5v直流电源和一个方波信号源,编辑好后如图1-7.图1-7 瞬态仿真原理图1.2.2输出成Spice文件要想将设计好的电路借助T-Spice软件仿真其特性,需先将电路图转换成Spice格式。较简便的方法是单击命令工具条上的启动T-Spice按钮,则会自动输出成Spice格式文件并打开T-S

16、pice软件。结果如图1-8所示。图1-8 输出成Spice格式文件1.2.3加载包含文件由于不同的流程有不同的特性,所以在仿真之前,必须引入MOS组件的模型文件,以供T-Spice模拟用。本设计中引用1.25um的CMOS组件模型文件m12_125.md,即在Spice文件的主程序之前插入文件m12_125.md。简便的方法是单击T-Spice软件的命令菜单栏中的插入命令 Insert Commend按钮,在弹出的对话框中选择Include file项。最后在弹出的对话框中浏览添加文件m12_125.md到Include file文本框中,如图1-9所示。之后单击Insert Commend

17、按钮即可。此时在Spice文件中会出现命令行.include D: ml2_125.md。图1-9 包含文件命令窗口1.2.4插入分析设定和输出设定命令和5方法类似,还需要在Spice文件中的结尾插入分析和输出设定的命令。即在命令工具对话框中选择Analysis项中的瞬时分析选项Transient,并设定模拟时间间隔为1ns,总仿真时间为400ns,如图示1-10示。此时在Spice文件中会出现命令行.tran 1n 400n。在命令工具对话框中选择Output项中的Transient results选项,在List Of Plot框中分别添加要观察的节点电压。此次设计中主要观察输入节点IN和

18、输出接点OUT的电压,则可以在Plot type下拉列表中选择Vlotage选项,在Node Name 文本框中输入IN区分大小写,单击Add按钮,就将节点IN加入到了观察节点列表中。同理将节点OUT加入到了观察节点列表中,如图示1-11示。最后单击Insert Commend按钮即可。此时在Spice文件中会出现命令行.print tran v v。进行过各种设定后,Spice文件如图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 v。图1-10 添加分析设定命令行设定栏目图1-11 添加输出设定命

19、令行的设定细则图1-12 设定后Spice文件1.2.5进行模拟单击命令工具栏中的开始按钮,打开Run Simulation对话框,如图示十二所示,选中Showing during单选按钮,再单击Start Simulation按钮,则会出现模拟状态窗口,并自动打开W-Edit窗口,以便观察模拟波形如图1-13.图1-13 瞬态分析结果图1.3反相器直流分析此次设计主要完成在T-Spice软件中的反相器的直流传输特性仿真与分析。操作流程如下：进入S-Edit-建立反相器直流传输仿真电路-生成Spice文件-在T-Spice环境下插入仿真命令并仿真-查看与分析仿真结果。1.3.1进入S-Edit

20、打开S-Edit程序,设定环境,打开inv模块：以上各步骤和瞬态分析中的前两步骤类似,在此从略。1.3.2加入工作电源和输入直流信号由于设计是用来进行反相器的直流分析,所以要加入两个直流电压源。方法和反相器瞬时分析中的步骤 如图1-14所示图1-14 直流分析原理图1.3.3编辑直流电压源由于再该模块中有两个直流电源符号,所以为了区分它们,可以编辑它们,改变其属性。即选择待编辑对象-单击工具命令栏中的Edit Object按钮,在弹出的对话框中进行电压源属性的编辑。分别将Vdd与Gnd之间的电压源和IN与Gnd之间的电压源更名为vvdd和vin,并将vin的电压设定为1.0V。如下图1-15

21、和1-16所示。图1-15 修改电压源vvdd的属性图：1-16 修改电压源vin属性1.3.4输出spice文件输出成Spice文件,包含文件ml2_125.md： 以上两步和反相器瞬时分析中两步骤类似,在此从略。添加文件后的Spice稍后给出。1.3.5分析设定和输出设定由于进行反相器的直流分析,模拟其转换曲线,所以模拟输入电压vin从0V到5V变化以0.02线性增加,输出电压相对于输入电压的变化。即在文件结尾插入命令.dc lin param vin 0 5.0 0.02.其设置如下: Insert Commend-Analysis-DC transfer Sweep-Sweep1,在打

22、开的对话框中的Sweep type下拉列表中选择Liner项,在Paramemter type下拉框中选择Source项,在name文本框中输入v3,在Start和Stop中分别输入0和5.0,在Increment中输入0.02,之后先单击Accept按钮,在单击Insert Commend按钮即可。如图1-17所示。输出设定与瞬态分析相同,不在多做介绍。最后网表如图1-18所示。图1-17 分析设定细则图1-18 最后的直流分析网表1.3.6进行模拟此步骤和反相器瞬时分析中的相同,在此从略,如图1-19。图1-19 直流传输特性波形图1.3.7 结果分析有上图可以看出随着输入信号的增大,反相

23、器的工作状态可以分为5个阶段来描述。即输入等于输出、输出缓慢减小速率加快、输出急剧下降、输出再减小速率变慢和输出几乎为零五个阶段,与理论分析一致,分别对应N管截止,P管饱和导通阶段,N管饱和导通,P管非饱和导通阶段,N管、P管都饱和导通阶段,N管非饱和导通,P管饱和导通阶段,N管N管非饱和导通,P管截止阶段。所以此次设计是正确的。第二章使用S-Edit编辑设计CMOS反相器原理图本章采用TannerEDA软件的L-Edit模块绘制CMOS反相器的版图并对其仿真6。2.1绘制反相器版图的前期设置工作2.1.1 打开L-Edit软件新建版图文件打开L-Edit程序,并将新文件另存以合适的文件名存储

24、在一定的文件夹下：在自己的计算机上一定的位置处打开L-Edit程序,此时L-Edit自动将工作文件命名为Layout1.sdb并显示在窗口的标题栏上。而在本例中则在L-Edit文件夹中建立inv文件夹,并将新文件以文件名inv存与此文件夹中。如图2-1所示。图：2-1 打开L-Edit,并另存文件为inv2.1.2取代设定选择File-Replace Setup命令,在弹出的对话框中单击浏览按钮,按照路径.SamplesSPRexample1lights.tdb找到lights.tdb文件,单击OK即可。此时可将lights.tdb文件的设定选择性的应用到目前编辑的文件中。2.1.3编辑组件L

25、-Edit编辑方式是以组件Cell为单位而不是以文件为单位,一个文件中可以包含多个组件,而每一个组件则表示一种说明或者一种电路版图。每次打开一个新文件时便自动打开一个组件并命名为Cell0；也可以重命名组件名。方法是选择Cell-Rename 命令,在弹出的对话框中的Rename cell as文本框中输入符合实际电路的名称,如本设计中采用组件名inv 即可,之后单击OK按钮。如图2-2所示。图2-2 重命名组件为inv2.1.4设计环境设定绘制布局图必须要有确实的大小,因此要绘图前先要确认或设定坐标与实际长度的关系。选择Setup-Design命令,打开Set Design对话框,在Tech

26、nology选项卡中出现使用技术的名称、单位与设定。本设计中的技术单位是Lambda。而Lambda单位与部单位Internal Unit的关系可在Technology Setup选项组中设定。此次设计设定1个Lambda为1000个Internal Unit,也设定1个Lambda等于1个Micron。接着选择Grid选项卡,其中包括使用格点显示设定、鼠标停格设定与坐标单位设定。此次设计设定1个显示的格点等于1个坐标单元,设定当格点距离小于8个像素时不显示；设定鼠标光标显示为Smooth类型,设定鼠标锁定的格点为0.5个坐标单位；设定1个坐标单位为1000个部单位。2.2 绘制反相器2.2.

27、1编辑PMOS按照N Well层、P Select层、Active层、Ploy层、Mental1层、Active contact层的流程编辑PMOS组件7。其中,N Well层宽为24个格点、高为15个格点,P Select层宽为18个格点、高为10个格点,Active层宽为14个格点、高为5个格点,Ploy层宽为2个格点、高为20个格点,Mental1层宽为4个格点、高为4个格点,Active contact层宽为2个格点、高为2个格点。在设计各个图层时,一定要配合设计规则检查DRC,参照设计规则反复修改对象。这样才可以高效的设计出符合规则的版图。PMOS组件的编辑结果如图2-3所示。图2-

28、3 PMOS组件结果图2.2.2编辑NMOS按照N Select层、Active层、Ploy层、Mental1层、Active contact层的流程编辑NMOS组件8。其中,N Select层宽为18个格点、高为9个格点,Active层宽为14个格点、高为5个格点,Ploy层宽为2个格点、高为9个格点,Mental1层宽为4个格点、高为4个格点,Active contact层宽为2个格点、高为2个格点。NMOS组件的编辑结果如图2-4所示。图2-4 NMOS组件结果图2.2.3其他部分由于L-EDIT软件默认是使用P型衬底,所以要在P管加上N阱做衬底。两个管子栅极相连打孔并外接出去连接输入端

29、in,源漏相连外接至out。不再多说我的最终的版图文件还有版图的尺寸都做了标注并做了最终的DRC 9验证没有错误如图2-5.图2-5 生成的版图和DRC截图2.3使用T-Spice进行版图设计仿真绘制完版图后要对版图文件像spice文件转换的操作10：在L-Edit中选择tools-extract点击run。打开T-Spice程序,打开反相器版图的Spice文件inv.spc并按照如下流程在Spice文件中插入命令11：加载包含文件-Vdd电源电压值设定-输入信号A设定-分析设定-输出设定-进行模拟。设定后在文件中加入如下命令行：.include D: ml2_125.md,vvdd Vdd

30、GND 5,va A GND PULSE ,.tran/op 1n 400n method=bdf,.print tran v v12。设定后的结果如图2-6所示。单击仿真按钮进行仿真,自动弹出的仿真波形如图2-7所示。图2-6 转换后并添加完激励的网表图2-7 反相器版图的仿真结果结论通过CMOS反相器的仿真让我对MOS管的原理原理有了进一步的理解。通过这次是实践行动让我对Tanner EDA 软件的各各模块的操作也变得更加熟练。以前就会使用T-Spice直接写网表然后添加激励进行仿真,现在我明白了可以由电路图直接向spice网表进行转化,比如有一个很大的电路图可能有几十个或者上百个管子或器

31、件要是直接写网表是不现实的因为节点太多工程师很容易写错,要是能够由电路原理图直接向网表转化就会方便的很多,既节省了时间也避免了不必要的的错误。网表转化完毕还要对电路包含头文件或者库文件还要进行加载激励,完后就基本上可以仿真了,波形出来以后我们可以检测其的正确性,以进行下一步的工作。在本文的第一部分有瞬态分析和直流分析,也让我更加深刻的了解了反相器的瞬态特性和直流特性。在版图模块我更加的熟悉了版图的操作流程NMOS管和PMOS的画法,还有就是基于0.25微米工艺的管子尺寸了解。还有呢就是在L-EDIT模块里面画好的版图文件我们可以做DRC验证,验证过后还可以生成网表文件.spe文件,这样还可以在

32、T-Spice中对其进一步的验证进入激励通过仿真还可以再次观看其波形以确定其正确性。参考文献1微电子技术专业英语 主编：窦雁巍,邱成军,辉军 工业大学20XX P160-1732Digital Intergrated Circuits A Design Prespective. Jan M.Rabaey ,Anantha Changdrakasn,Borivoje Nikolic ：电子工业,2005P130-1333CMOS Analog Circuit Design. Phillip E Allen,Douglas R Holberg ：电子工业,2005P145-1484模拟电子技术基础

33、 童诗白 华成英 著 高等教育 20XX P156-1665廖裕评, 陆瑞强.Tanner Pro 集成电路设计与布局实战指导.: 科学, 20XX.P204-2336 周润德译.集成电路掩模设计M.清华大学出版,2006,1. P133-1557CMOS Circuit Design,Layout and Simulation R.Jacob Baker. Harry W.Li. David E.Boyce. P233-2578模拟集成电路设计与仿真何乐年,王忆：科学2008 P244-2699集成电路掩模设计:基础版图技术Christopher Saint,Judy Saint著.周润德,金申美译清华大学,20XXP156-17810COMS电路设计布局与仿真 贝克 著译者：中建机械工业20XX P128-14711IC Mask Design;EssentiaI Layout TechniquesChristopher saint/Judy saint 清华大学出版 20XX P173-20212The art of analog layout. Alan Hastings 电子工业 20XX P144-178