三輸入與門集成電路設計

1、院課程設計三輸入與門設計學生姓名： 學 院： 專業(yè)班級： 專業(yè)課程： 集成電路設計基礎 指導教師： 年 月 日目 錄一、概述2二、設計要求3三、設計原理3四、設計思路44.1非門電路44.2三輸入與非門電路4五、三輸入與門電路設計65.1原理圖設計65.2仿真分析6六、版圖設計86.1 PMOS管版圖設計86.2 NMOS管版圖設計106.3與門版圖設計11七、LVS比對15八、心得體會16參考文獻17一、概述隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，人們生活水平不斷提高，使得科學技術(shù)已融入到社會生活中每一個方面。而對于現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)和信息社會的基礎來講，集成電路是改造和提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)。隨著全球信息化、

2、網(wǎng)絡化和知識經(jīng)濟浪潮的到來，集成電路產(chǎn)業(yè)的地位越來越重要，它已成為事關(guān)國民經(jīng)濟、國防建設、人民生活和信息安全的基礎性、戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。 集成電路有兩種。一種是模擬集成電路。另一種是數(shù)字集成電路。從制造工藝上可以將目前使用的數(shù)字集成電路分為雙極型、單極型和混合型三種。而在數(shù)字集成電路中應用最廣泛的就是CMOS集成電路，CMOS集成電路出現(xiàn)于20世紀60年代后期，隨著其制造工藝的不斷進步，CMOS電路逐漸成為當前集成電路的主流產(chǎn)品。本文便是討論的CMOS與門電路的設計仿真及版圖等的設計。版圖(Layout)是集成電路設計者將設計并模擬優(yōu)化后的電路轉(zhuǎn)化成的一系列幾何圖形，包含了集成電路尺寸大小

3、、各層拓撲定義等有關(guān)器件的所有物理信息。集成電路制造廠家根據(jù) 版圖 來制造掩膜。版圖的設計有特定的規(guī)則，這些規(guī)則是集成電路制造廠家根據(jù)自己的工藝特點而制定的。不同的工藝，有不同的設計規(guī)則。設計者只有得到了廠家提供的規(guī)則以后，才能開始設計。版圖在設計的過程中要進行定期的檢查，避免錯誤的積累而導致難以修改。很多集成電路的設計軟件都有設計版圖的功能，L-Edit軟件的的版圖設計軟件幫助設計者在圖形方式下繪制版圖。 對于復雜的版圖設計，一般把版圖設計分成若干個子步驟進行： （1）劃分 為了將處理問題的規(guī)?？s小，通常把整個電路劃分成若干個模塊。 （2）版圖 規(guī)劃和布局是為了每個模塊和整個芯片選擇一個好的

4、布圖方案。 （3）布線 完成模塊間的互連，并進一步優(yōu)化布線結(jié)果。 （4）壓縮 是布線完成后的優(yōu)化處理過程，他試圖進一步減小芯片的面積。二、設計要求1、要求：用MOS器件來設計三輸入與門電路。2、內(nèi)容：用Tanner13.0軟件進行電路原理圖的繪制，并進行瞬態(tài)分析。3、用L-Edit軟件進行電路版圖的制作及進行LVS匹配度的檢查。三、設計原理三輸入與門有三個輸入端A、B和C以及一個輸出端F，只有當A端、B端和C端同時為高電平時輸出才為高電平，否則輸出都為低電平，即F=ABC。與門的真值表如表1所示。表1 與門真值表 ABCF 00000010 010001101000101011001111由于

5、此次是用CMOS管構(gòu)建的三輸入與門，而CMOS管的基本門電路有非門、與非門、或非門等，所以要想實現(xiàn)用CMOS管搭建出三輸入與門電路，由關(guān)系式F=（ABC) ')'可知可以用一個三輸入與非門和一個反相器連接，這樣就可以實現(xiàn)一個三輸入與門的電路。本次設計就是用一個三輸入與非門加一個反相器從而實現(xiàn)了三輸入與門的功能。四、設計思路4.1非門電路CMOS非門即反相器是由一個N管和一個P管組成的，P管源極接Vdd，N管源極接GND，若輸入IN為低電平，則P管導通，N管截止，輸出OUT為高電平。若輸入IN為高電平，則N管導通，P管截止，輸出OUT為低電平。從而該電路實現(xiàn)了非的邏輯運算，構(gòu)成了

6、CMOS反相器。CMOS反相器的電路圖如圖1所示。圖1 CMOS反相器電路圖還有就是CMOS電路的優(yōu)點:       （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 ）。4.2三輸入與非門電路三輸入CMOS與非門電路，其

7、中包括三個串聯(lián)的N溝道增強型MOS管和三個并聯(lián)的P溝道增強型MOS管。每個輸入端連到一個N溝道和一個P溝道MOS管的柵極。當輸入端A、B、C中只要有一個為低電平時，就會使與它相連的NMOS管截止，與它相連的PMOS管導通，輸出為高電平；僅當A、B、C全為高電平時，才會使三個串聯(lián)的NMOS管都導通，使三個并聯(lián)的PMOS管都截止，輸出為低電平。設計電路圖如下圖2所示。圖2 CMOS與非門電路  如上圖2中所示，設CMOS管的輸出高電平為“1”，低電平為“0”，圖中三個串聯(lián)的NMOS管，三個并聯(lián)的PMOS管，每個輸入端（A、B或C）都直接連到配對的NMOS管（驅(qū)動管）和PMOS（負載管）的

8、柵極。當三個輸入中有一個或一個以上為低電平“0”時，與低電平相連接的NMOS管仍截止，而PMOS管導通，使輸出F為高電平，只有當三個輸入端同時為高電平“1”時，PMOS管均導通，NMOS管都截止，輸出F為低電平。 由以上分析可知，該電路實現(xiàn)了邏輯與非功能，即F=（ABC) '。五、三輸入與門電路設計5.1原理圖設計首先打開Tanner軟件選擇其中的S-Edit子軟件，進行原理圖的設計。進入工作界面之后在菜單欄中選擇File按鈕然后選擇New選項下面的子選項Designer來建立新的工程，點擊OK之后就能進入工作界面，點擊菜單欄中的ADD按鈕選擇調(diào)出元件庫，然后點擊加載需要用到

9、的一些元件庫,之后就可以進行原理圖的設計。最后畫好的電路原理圖如下圖3中所示。圖3 三輸入與門電路原理圖5.2仿真分析電路原理圖畫好之后接下來便是仿真分析了，Tanner軟件提供了交流分析等幾種分析模式。然而本次我們做的是門電路，輸入輸出信號都是電平信號，研究的是輸入輸出信號隨時間的變化關(guān)系，所以只需要做瞬態(tài)分析就行了。首先在已經(jīng)設計好的原理圖中添加必要的電源、電平信號，其次要進行比要的參數(shù)設置，具體如圖4、5中所示。圖4 參數(shù)設置圖5 參數(shù)設置參數(shù)設置完成后就可以進行原理圖的瞬時分析，分析結(jié)果如圖6所示。圖6 瞬時分析六、版圖設計6.1 PMOS管版圖設計由于L-Edit軟件在進行電路版圖設

10、計之前首先得進行元器件版圖的設計，而在本次電路中用到的元器件有PMOS管和NMOS管，所以在畫與門版圖之前首先要先繪制好PMOS管和NMOS管的版圖。（1）打開L-Edit程序：L-Edit會自動將工作文件命名為Layout1.tdb并顯示在窗口的標題欄上。（2）另存為新文件：選擇執(zhí)行File/Save As子命令，打開“另存為”對話框，在“保存在”下拉列表框中選擇存貯目錄，在“文件名”文本框中輸入新文件名稱。（3）替換設置信息：用于將已有的設計文件的設定（如格點、圖層等） 應用于當前的文件中。選擇執(zhí)行File/Replace Setup子命令打開對話框，單擊“From File”欄填充框的右

11、側(cè)的Browser按鈕，選擇X: Ledit1.1SamplesSPRexample1lights.tdb文件，如下圖7所示，單擊OK就將lights.tdb文件中的格點、圖層等設定應用在當前文件中。圖7 替換設置信息窗口設置好這些之后其它的都選擇系統(tǒng)默認的值就行，然后就可以開始元件版圖的繪制了。首先繪制PMOS管的N Well層，在Layers面板的下拉列表中選取N Well選項，再從Drawing工具欄中選擇按鈕，在Cell0編輯窗口畫出橫向24格縱向15格的方形即為N Well，如圖8中所示。圖8 L-Edit工作窗口 畫好N Well層之后然后再繼續(xù)按照規(guī)則一步步繪制好Active層、

12、P Select層、Ploy層、Active Contact層、Metal1層等，每設計好一層并將其擺放到規(guī)定的位置，然后進行一次DRC檢查，確認是否有錯誤，一切都無誤之后就能保存了，制作好的PMOS版圖如圖9中所示。圖9 PMOS管版圖6.2 NMOS管版圖設計在PMOS管設計好并保存之后就能開始繪制NMOS管的版圖了，新建NMOS單元：選擇Cell/New命令，打開Create New Cell對話框，在其中的New cell name欄中輸入nmos，單擊OK按鈕。繪制NMOS單元：根據(jù)繪制PMOS單元的過程，依次繪制Active圖層、N Select圖層、Ploy圖層、Active C

13、ontact圖層與Metal1圖層，完成后的NMOS單元如圖10中所示。其中，Active寬度為14個柵格，高為5個柵格；Ploy寬為2個柵格，高為9個柵格；N Select寬為18個柵格，高為9個柵格；兩個Active Contact的寬和高皆為2個柵格；兩個Metal1的寬和高皆為4個柵格。圖10 NMOS管版圖6.3與門版圖設計 在前兩步中分別已經(jīng)做好了PMOS管和NMOS管的版圖設計，接下來就能開始進行與門版圖的搭建和連線了。啟動L-Edit程序，將文件另存為EX2，將文件lights.tdb應用在當前的文件中，設定坐標和柵格。復制單元：執(zhí)行Cell/Copy命令，打開Select C

14、ell to Copy對話框，將Ex1.tdb中的nmos單元和pmos單元復制到Ex2.tdb文件中。引用nmos和pmos單元：執(zhí)行Cell/Instance命令，打開Select Cell toInstance對話框，選擇nmos單元單擊OK按鈕，可以在編輯畫面出現(xiàn)一個nmos單元；再選擇pmos單元單擊OK，在編輯畫面多出一個與nmos重疊的pmos單元，可以用Alt鍵加鼠標拖曳的方法分開pmos和nmos，如圖11中所示。圖11 元件引用由于本次繪制與門電路需要用到4個PMOS管和4個NMOS管，所以上步中的引用pmos和nmos單元分別需要進行四次，然后再進行元器件之間的電路連接。

15、連接pmos和nmos的漏極：由于反相器pmos和nmos的漏極是相連的，可利用Metal1將nmos與pmos的右邊擴散區(qū)有接觸點處相連接，繪制出Metal1寬為4個柵格、高為11個柵格，進行電氣檢查，沒有錯誤，如圖12中所示。圖12 版圖DRC檢查按照電路原理圖一步一步將所有的線路都連接好，然后再標出Vdd、GND節(jié)點以及輸入輸出端口A、B、C、F等節(jié)點。例如標注Vdd和GND節(jié)點的方法是單擊插入節(jié)點圖標，再到繪圖窗口中用鼠標左鍵拖曳出一個與上方電源線重疊的寬為39柵格、高為5個柵格的方格后，將自動出現(xiàn)Edit Object(s)對話框，在“On”框的下拉列表中選擇Metal1，如圖13中

16、所示。在Port name欄內(nèi)鍵入Vdd，在Text Alignment選項中選擇文字相對于框的位置的右邊。然后單擊“確定”按鈕。用同樣的方式標出GND、A、B、C以及F。圖13 輸入輸出節(jié)點設置放好上面的所有節(jié)點標號之后最整個三輸入與門電路的版圖就算做好了，接下來再進行單元名稱的修改。執(zhí)行Cell/Rename Cell命令，打開Rename Cell Cell0對話窗口，將cell名修改為yumen。最后畫好的完整版圖如下圖14中所示。圖14 三輸入與門電路版圖對版圖進行界面觀察，結(jié)果如圖15所示。圖15 版圖界面觀察版圖整體繪制完成后進行版圖的仿真，具體參數(shù)設置如圖16、17所示。圖16 參數(shù)設置圖17 參數(shù)設置版圖仿真結(jié)果如圖18所示。圖18 版圖仿真結(jié)果七、LVS比對原理圖與版圖的仿真結(jié)束后進行LVS匹配度的檢查，生成的網(wǎng)表文件結(jié)果如圖19、20所示，匹配結(jié)果如圖21所示。圖19原理圖生成的網(wǎng)表文件圖20 版圖生成的網(wǎng)表文件圖21 LVS匹配結(jié)果八、心得體會此次課程設計在老師的悉心指導，同學們的熱情幫助下，我已圓滿完成了本次課程設計的要求。從課題選擇到具體構(gòu)思和