数字集成电路设计

1大连理工大学集成电路课程设计IntegratedCircuitDesignEDA报告姓名：学号：班级：专业：PC编号：_______________________________________________目录1．集成电路设计EDA软件入门.................................................................................................22．全定制设计CMOS反相器.....................................................................................................43．版图提取原理图.....................................................................................................................134．时钟发生器电路修改.............................................................................................................215．MUX4_1电路修改................................................................................................................24__________________________________________________姓名：PC机编号：指导教师：1．集成电路设计EDA软件入门1.1设计平台（1）硬件资源：服务器采用DellSC440型计算机，PD3.0处理器，2G内存；PC终端采用Dell320型计算机，PD3.0处理器，1G内存。（2）软件资源：MentorGraphics公司的系列IC设计软件。本课程涉及的软件介绍如下。ICstudio：集成电路设计环境，实现前端逻辑和后端版图之间的无缝交互设计；Design-ArchitectIC：原理图设计工具，实现原理图、符号图编辑及仿真环境设置；Eldo：高精度Spice晶体管级仿真器；EZwave：波形观察和处理工具；ICStation：版图编辑工具；CalibreDRC：设计规则检查（DRC）工具；CalibreLVS：版图与原理图对照（LVS）工具；CalibrexRC：全芯片寄生参数提取工具。1.2进入Linux系统步骤（1）开机，用上下键选择到Linux系统栏目，按enter键进入Linux5；（2）登录操作系统（用户名user111，无密码）；（3）打开桌面的“我的电脑”，熟悉Linux操作系统下的文件管理系统；（4）打开桌面的“系统终端”，掌握常用命令字；常用命令字：pwd（显示当前路径)，cd（改变当前路径到指定位置），ls（列出当前路径下的文件和文件夹），source（读取并执行指定文件中的命令）。1.3启动IC设计软件步骤（1）打开终端，输入“cd/home/user111”。（2）输入“sourcenfs.setup”从服务器下载mentor软件副本，该副本在用户注销/关机后自动清除。（3）输入“cd/home/EDA/mentor_setup”。（4）输入“sourceall.setup”向服务器申请license。（5）输入“/home/user111/mentor_work/201081391”，进入自己的目录（6）输入“icstudio”，打开软件。1.4软件使用入门操作步骤（注：仅需文字说明）（1）创建一个工程：在ICstudio中，FileNewProject；（2）在弹出对话框中给工程命名，定义工作路径。（3）点击OpenLocationMapEditor添加相应的库文件（4）点击OpenSettingsEditor添加相应的工程文件，包括DRC，LVS，PEX等规则文件。（5）创建一个电路图单元FileNewViewschematic（6）生成符号ToolsGenerateSymbol（7）创建测试平台FileNewViewschematic（8）SetUpandrunSimulation进入仿真模式，进行相应设置并仿真（9）ViewingWaveforms姓名：PC机编号：指导教师：（10）创建版图FileNewlayout（11）DRC设计规则验证（12）LVS电路与版图一致性验证（13）PEX寄生参数提取，并后仿。1.5小结通过本章学习，主要了解了在Linux系统下如何使用MentorGraphics进行集成电路设计，包括工程的建立和和相应库文件的导入以及自己工程文件的创建姓名：PC机编号：指导教师：2．全定制设计CMOS反相器2.1电路设计要求（1）电路功能：见下表。输入输出1001（2）改变晶体管尺寸，进行仿真对比。选择阈值电压Vm=VDD/2、延迟小（小于50ps）、翻转快（上升/下降时间小于50ps）、功耗低的电路完成版图设计。（3）工艺：采用mentor自带的0.13µm工艺库，p衬底n阱工艺。（4）电源电压1.2VDC。2.2原理图及符号图设计基于Design-ArchitectIC软件完成原理图和符号图的设计。原理图见图2.1。符号图见图2.2。命名为myinventer。由1个PMOS管和1个NMOS管组成。输入端为in，输出端为out。初始管子尺寸的确定：根据反相器电路原理，电路的延迟时间与宽长比的关系：''0.520.52[]/2().V().VllpnnDASTnppDASTpCCtWWkkLL为了减小延迟需要减小LC，增大()nWL和()PWL。工作原理：当输入为高电平时，P管截止，N管导通，输出低电平；当输入为低电平时，P管导通，N管截止，输出高电平。2.1反相器原理图图2.2符号图2.3仿真分析（1）仿真设置基于Design-ArchitectIC软件完成仿真测试电路的设计。反相器的延迟是在它驱动另一个相同的反相器作为负载的条件下测量的。因此仿真电路如图2.3所示。输入端命名in，驱动反相器输出端命名out，负载反相器输出端命名out1。姓名：PC机编号：指导教师：图2.3仿真测试电路为了验证电路功能，以及测量延迟和上升、下降时间，采用瞬态分析，在输入端IP施加脉冲电压源，输入脉冲上升、下降时间设为0；为了测阈值电压，对输入端IP进行直流电压扫描。网表及说明如下（*后面的汉语为说明）。________________________________________________________________________.include‘lib.eldo’TT*调用器件模型库：lib.eldo文件中的TT库.globalVDDGROUND*定义VDD和GROUND为全局变量*component*子电路描述.subcktinverterOUTIN*子电路模块inverter，端口为OUT和IN；M1OUTINVDDN$1pchw=0.15l=0.13m=1*晶体管M1，漏极接OUT、栅极接IN、源极接VDD、基极接N$1，器件模型pch，沟道宽0.15，沟道长0.13，倍增因子1；M2OUTINGROUNDN$3nchw=0.15l=0.13m=1.endsinverter*子电路模块定义结束*maincell*顶层电路描述INV1OPIPinverter*元件INV1，输出接OP，输入接IP，调用inverter子电路；V2VDDGROUNDDC1.2V*电源V2，正极接VDD，负极接GROUND，直流，电压1.2V；V1INGROUNDPULSE(0V1.2V00ns0ns20ns50ns)*电源V1，正极接IN，负极接GROUND，脉冲源（初始电压0V，脉冲电压1.2V，开始前的延迟时间0，上升时间0ns，下降时间0ns，脉宽20ns，周期50ns）；.tran100ps200ns*瞬态分析，时间步长100ps，终止时间200ns；.dcV201.2V0.1V*直流扫描，电源V2，0到1.2V扫描，步长0.1V；.end*网表结束（2）仿真波形与参数测量基于eldo软件完成仿真，并采用EZwave软件观察波形和测试参数。仿真得到波形如图2.4所示。观察波形，输入为高电平输出为低电平，输入为低电平输出为高电平，因此该电路实现了反相器功能。需考察的参数及其定义见表2.1。参数测量结果如图2.4-2.9所示。表2.1反相器主要性能参数说明符号名称定义tpLH上升延迟输入触发输出信号由低电平向高电平转换，测量输入信号50%VDD到输出上升沿的50%VDD的时间。tpHL下降延迟输入触发输出信号由高电平向低电平转换，测量输入信号50%VDD到输出下降沿的50%VDD的时间。tp传播延迟tp=(tpLH+tpHL)/2Vm阈值电压输入从0到VDD扫描时，源漏峰值电流对应的输入电压值，或输出电压与输入电压相等时的输入电压值。tr上升时间输出上升沿从10%VDD到90%VDD的时间。tf下降时间输出下降沿从90%VDD到10%VDD的时间。Imax短路电流反相器翻转时，pmos和nmos同时导通的瞬间峰值电流。姓名：PC机编号：指导教师：图2.4反相器波形图2.5反相器Vm及饱和电流图2.6反相器上升延时图2.7反相器下降延时姓名：PC机编号：指导教师：图2.8反相器上升时间图2.9反相器下降时间（4）阈值电压调节根据反相器电路原理，改变管子宽长比可以改变阈值电压，通过增大PMOS管的宽长比，就可以使阈值电压上升。选择3组Wp，分析增大pmos沟道宽对电路性能参数的影响。如表2.2所示。表2.2增大pmos沟道宽对反相器性能的影响序号管子尺寸(µm)L=0.13,Wn=0.15延迟(ps)开关门限Vm(V)上升时间tTLH(ps)下降时间tTHL(ps)短路电流Imax(µA)WpWp:WntpLHtpHLtpd10.32：121.17111.64616.4080.50043.10419.05914.04320.714：315.08920.32317.7060.55931.94432.88720.78431.122：312.51328.58420.5480.60025.10447.71926.174管子的尺寸是如何影响阈值电压、延迟、上升时间、下降时间和短路电流的？为什么？PMOS管子尺寸越大，表现为上拉能力强，阈值电压上升。由于管子增大，上拉电流也会增大，所以上升时间会减小，同时N管尺寸没变，相对下拉能力变弱，下降时间会增加，另外，管子尺寸会使得寄生电容增大，上升延时也会减小，下降延时会增大。同时由于上升下降时间差值增大，上下两管同时导通时间变长以及P管电阻的减小，短路电流更大。选择第3组尺寸，此时，阈值电压为0.600，延迟为20.548，上升时间为25.104，下降时间为47.719，短路电流为26.174uA，满足设计要求。因此，本次设计的管子尺寸为：(W/L)p=1.1µm/0.15µm；(W/L)n=0.15µm/0.13µm。（5）沟道宽度和长度对反相器的影响姓名：PC机编号：指导教师：选择3组Wn，分析增大nmos沟道宽度对电路性能参数的影响。如表2.3所示。同宽长比，选择3组不同沟道长L，分析增大管子尺寸对电路性能参数的影响。如表2.4所示。表2.3增大nmos沟道宽对反相器性能的影响序号管子尺寸(µm)L=0.13,Wp=1.1延迟(ps)阈值电压Vm(V)上升时间tTLH(ps)下降时间tTHL(ps)短路电流Imax(µA)Wn宽长比tpLHtpHLtpd10.1515：1312.51328.58420.5480.60025.10447.71926.17420.22