CMOS反相器电路设计

1论文题目：CMOS反相器电路设计、仿真及版图设计学生姓名：欧阳倩学号：20131060189专业：通信工程任课教师：梁竹关2摘要：本文着重介绍了LTspice和LASI软件的相关设计原理和简单的设计操作，对此，我首先将从电路的工作原理方面介绍CMOS4反相器的结构、特性及其电路工作原理。了解其工作原理是进行仿真和版图设计的基础。然后我选择利用LTspice来进行CMOS反相器的设计仿真以此来证实其设计正确性，之后采用LASI画出符合工业设计的CMOS反相器的版图。通过本次设计实验可以更加了解CMOS4反相器的工作原理，并掌握了CMOS4反相器的基本设计方法。关键词：CMOS反相器LTspiceLASI版图设计封装测试3目录第一章引言............................................................................................4第二章CMOS反相器...........................................................................42.1CMOS反相器的结构原理..............................................................42.2CMOS反相器的特性分析..............................................................5第三章CMOS反相器的电路仿真.......................................................83.1CMOS反相器的电路图设计..........................................................93.2CMOS反相器的仿真及结果分析................................................11第四章CMOS反相器的版图设计.....................................................12结束语.......................................................................................................20参考文献..................................................................................................214引言现在是一个电子信息高速发展得时代，电子产品无处不在，我们也越来越离不开各式各样的电子产品，集成电路作为电子产品的核心同样也受到了重视，电子设计也是当今社会的一大焦点问题，怎样才能设计出集性能、高效、便捷、低价为一体的电路器件又是当下人们急需解决的任务，因此培养集成设计人才也是众多高校重视的任务。以MOS管作为开关元件的门电路称为MOS门电路。由于MOS型集成门电路具有制造工艺简单、集成度高、功耗小以及抗干扰能力强等优点，因此它在数字集成电路产品中占据相当大的比例。与TTL门电路相比，MOS门电路的速度较低。MOS门电路有三种类型：使用P沟道管的PMOS电路、使用N沟道管的NMOS电路和同时使用PMOS和NMOS管的CMOS电路。其中CMOS性能更优，因此CMOS门电路是应用较为普遍的逻辑电路之一。利用CMOS逻辑电路就可以设计出各种功能的逻辑电路，与非门就是其中比较简单的一种。集成电路设计主要有电路设计和版图设计两个主要内容。对于如此复杂高要求的工艺技术，我们在此只简单使用LTspice来设计仿真CMOS反相器，。经过仿真，此设计的CMOS反相器的功能得以实现，实现输入与输出的反向功能，并验证其设计正确性，然后利用LASI来画出CMOS反相器的版图，同时在版图设计时采用结构化和层次化的设计思想，从而简化版图的设计。利用Lasi软件，可以充分认识到，CMOS4反相器的构造，可以增加对其的了解，并且可以进一步完善对CMOS4反相器参数的设计。最终利用现在已有的规则对设计的版图进行检测，看其是否满足现有的基本规则，经过检测，此次设计基本满足设计规则。由于是初学者，对相关知识缺乏足够的认识，希望能通过这次的设计实验能够学会集成电路设计的相关知识，并且能够基本掌握相关设计烦躁==仿真软件的使用，出错在所难免，希望老师可以提出批评及建议。第二章CMOS反相器2.1CMOS反相器的结构两个MOS管的开启电压VGS(th)P0，VGS(th)N0，通常为了保证正常工作，要求VDD|VGS(th)P|+VGS(th)N。若输入vI为低电平(如0V)，则负载管导通，输入管截止，输出电压接近VDD。若输入vI为高电平(如VDD)，则输入管导通，负载管截止，输出电压接近0V。综上所述，当vI为低电平时vo为高电平；vI为高电平时vo为低电平，电路实现了非逻辑运算，是非门——反相器。5图一反相器CMOS反相器由一个P沟道增强型MOS管和一个N沟道增强型MOS管串联组成。通常P沟道管作为负载管，N沟道管作为输入管。这种配置可以大幅降低功耗，因为在两种逻辑状态中，两个晶体管中的一个总是截止的。处理速率也能得到很好的提高，因为与NMOS型和PMOS型反相器相比，CMOS反相器的电阻相对较低。图二逻辑符号图三CMOS反相器工作原理图电路图工作原理当Ui=UIH=VDD,VTN导通,VTP截止,Uo=Uol≈0V当Ui=UIL=0V时,VTN截止,VTP导通,UO=UOH≈VDD2.2、COMS反相器的特性CMOS反相器特点：vIN作为PMOS和NMOS的共栅极；vOUT作为共漏极；图四说明例图vDD作为PMOS的源极和体端；GND作为NMOS的源极和体端；2.2CMOS反相器的特性分析①电压传输特性和电流传输特性(1)CMOS反相器的电压传输特性曲线可分为五个工作区。6图五CMOS反相器电压传输特性工作区Ⅰ：由于输入管截止，故vO=VDD，处于稳定关态。工作区Ⅲ：PMOS和NMOS均处于饱和状态，特性曲线急剧变化，vI值等于阈值电压Vth。工作区Ⅴ：负载管截止，输入管处于非饱和状态，所以vO≈0V，处于稳定的开态。(2)CMOS反相器的电流传输特性曲线，只在工作区Ⅲ时，由于负载管和输入管都处于饱和导通状态，会产生一个较大的电流。其余情况下，电流都极小。图六CMOS反相器电流传输特性②输入特性与输出特性（1）输入特性为了保护栅极和衬底之间的栅氧化层不被击穿，CMOS输入端都加有保护电路。由于二极管的钳位作用，使得MOS管在正或负尖峰脉冲作用下不易发生损坏。考7虑输入保护电路后，CMOS反相器的输入特性如图七所示：图七CMOS反相器输入特性（2）输出特性a.低电平输出特性当输入vI为高电平时，负载管截止，输入管导通，负载电流IOL灌入输入管，如图八所示。灌入的电流就是N沟道管的iDS，输出特性曲线如图九所示。输出电阻的大小与vGSN(vI)有关，vI越大，输出电阻越小，反相器带负载能力越强。图八输出低电平等效电路图九输出低电平时特性b.高电平输出特性当输入vI为低电平时，负载管导通，输入管截止，负载电流是拉电流，如图十所示。输出电压VOH=VDD-vSDP，拉电流IOH即为iSDP，输出特性曲线如图十一所示。由曲线可见，|vGSP|越大，负载电流的增加使VOH下降越小，带拉电流负载能力就越强。③电源特性CMOS反相器的电源特性包含工作时的静态功耗和动态功耗。静态功耗非常小，通常可忽略不计。CMOS反相器的功耗主要取决于动态功耗，尤其是在工作频率较高时，动态vO=VOLVDDTNRLvI=VDDTPIOLvOVi－VOL(vDSN)vI(vGSN)(iDSN)IOLVOHVDDTNRLvI=0TPIOH图十输出高电平等效电路图十一输出高电平时特性vSDOIOHvGSVD8功耗比静态功耗大得多。当CMOS反相器工作在第Ⅲ工作区时，将产生瞬时大电流，从而产生瞬时导通功耗PT。此外，动态功耗还包括在状态发生变化时，对负载电容充、放电所消耗的功耗。第三章CMOS反相器的电路仿真3.1CMOS反相器的电路图设计第一步：首先利用LTspice进行电路图设计的仿真，步骤如下：1、添加pmos(nmos管同理)：注意:其中，mos管的初始方向都是同向的，所以PMOS要旋转＋倒置，其中CTRL+R的功能是旋转，而ctrl+E的功能是镜像的作用。如图所示：92、设置两mos管的参数：将鼠标移至PMOS或者NMOS管上，待出现手指图案时就点击鼠标右键，则会出现MOS管的设置窗口，本文将参数均设置为0.12u。3、在电路输入界面中的EDIT下拉菜单中找到DrawWire或点击工具栏图标，可以实现原件互连。而后，鼠标放置在线的终端，单击鼠标右键，选择LabelNet，设置相应的标签或者点击工具栏图标可放置地线，点击工具栏图标可以添加并设置输入/输出口。布线后结果如图：添加其他器件及连接线，完成图：图4.4104、封装：5、接入信号源电路做好后，在电路输入端加激励信号源，才能观察到电路的反应如何。接入信号源的步骤如下：第一步，在元器件库中找到独立电压源Voltage；第二步，双击Voltage，让它进入画图界面；第三步，拖动Voltage图标，移到电路输入端；第四步，右击Voltage图标，对它进行设置。在弹出的的窗口中选择PULSE，它的PULSE参数分别为（05v0.5ms1n1n1s2s10）,这些参数表示为（低电平脉冲大小延时上升沿时间下降沿时间脉冲宽度脉冲周期仿真周期个数），如图：116、仿真设置在运行仿真命令之前，首先必须设置仿真类型。在电路原理图输入窗口中，找到Simulate选项，单击它，选中EditSimulationCmd。对CMOS反相器运行Transient仿真，进行功能和时序分析。在EditSimulationCmd选中Transient，然后在出现的对话框中进行设置，Transient仿真设置后得到的结果如图所示。3.2、CMOS反相管的结果分析12设置完成后，单击工具栏图标即可进行仿真，仿真结果如图所示：第四章CMOS反相器的版图设计1、画PMOS和NMOS的有源区（勾选参数如下图红框内）2、画NMOS的N-select（勾选参数如下图红框内）133、画PMOS的P-select（勾选参数如下图红框内）4、画PMOS的N阱（勾选参数如下图红框内）145、画接触孔（勾选参数如下图红框内）156、画多晶硅栅极（勾选参数如下图红框内）7、画两个MOS管漏极的金属层连线（勾选参数如下图红框内）168、画NMOS地线9、画NMOS管的存底有源区（勾选参数如下图红框内）10、画NMOS管存底的P掺杂（勾选参数如下图红框内）1711、给NMOS管存底打金属孔（勾选参数如下图红框内）12、把NMOS管的源极与存底相连（勾选参数如下图红框内）1813、画PMOS管的N阱、N掺杂存底（勾选参数如下图红框内）14、如图把PMOS的存底与源极相连（勾选参数如下图红框内）1915、在多晶硅栅极上引出电源输入端16、标注文字2017、drc检查通过五、结束语此次试验首先通过LTspiceIV软件，我们看到的是芯片内部电路的工作情况，真实的感受到了芯片内部电路的实际运行情况。其次，通过Lasi软件对CMOS4路数据选择器的最底层物质进行设计，这样加深了学者对反相器的基本构成物质结构的学习，使学者在学习CMOS4路数据选择器的过程中更加清楚其工作的原理。，只有知道最底层的结构，才可能改变某些参数，使之达到最优的运行状态。通过本次实验，更加清晰的了解和认识了集成电路设计的每个环节，对于以后学习的巩固和优化都有很大的帮助，这样的实验学习远比浅显的书面学习要生动有21趣、并且让人印象深刻，学习兴趣大。六、参考文献