第三讲集成电路版图电路分析与编辑

1集成电路课程设计第三讲李福乐[e-mail]本讲内容•版图电路分析（以COMPASS自带的1.2umCMOS标准单元库为例）–开关与反相器–基本逻辑单元–触发器单元•版图编辑起步–UNIX基本命令–开始一个新的设计版图电路分析•芯片的解剖分析电原理图schematic版图layout芯片die解剖照相拼图电路提取分析与仿真复合版图电路图器件尺寸设计规则正确？画版图目的：1）仿制2）学习版图电路分析•培养从版图提取电路的能力•学习版图设计的方法和技巧•复习和巩固基本的数字单元电路设计电路提取功能分析电路图器件尺寸单元库版图MOS开关和反相器•MOS开关和反相器是MOS数字电路的最基本单元，理解和掌握它们的工作原理和电路特性，有助于分析更复杂的标准单元的版图和电路。MOS开关和反相器•MOS开关–功能：当Vc控制开关导通时,将Vin端的信息传送到Vout端;当Vc控制开关关闭时,将Vin端和Vout端隔离.–分类:N沟开关、P沟开关、CMOS开关VinVoutCKVinCKVoutVinVoutCKCK2MOS开关和反相器•MOS开关–传输特性•N沟开关：传输高电平有阈值损失，导通电阻变化大•P沟开关：传输低电平有阈值损失，导通电阻变化大•CMOS开关：N沟和P沟互补，无阈值损失，近似线性电阻MOS开关和反相器•MOS开关–开关逻辑•N沟开关：Y=C•D+C•U•P沟开关：Y=C•D+C•UDYCDCYMOS开关和反相器•MOS开关–开关逻辑•N沟开关串联：•P沟开关串联：DC1YC2M1M2DYCMeffDYC1C2M1M2DCYMeffY=C1·C2·D+C1·C2·UY=(C1+C2)·D+(C1+C2)·UC=C1+C2C=C1·C2MOS开关和反相器•MOS开关–开关逻辑•N沟开关并联：•P沟开关并联：DYCMeffDCYMeffY=(C1+C2)·D+(C1+C2)·UY=C1·C2·D+C1·C2·UC=C1+C2C=C1·C2DYC1C2M1M2C1C2DYM1M2MOS开关和反相器•MOS开关–开关逻辑•N沟开关连线•P沟连线•P沟-N沟连线BY=A·C1+B·C2+(C1+C2)·UY=A·C1+B·C2+C1·C2·UY=A·C1+B·C2+C1·C2·U约束条件：同时只有一个开关导通；可扩展到n个开关连线MOS开关和反相器•MOS开关–开关逻辑•CMOS反相器可以看成是两个开关的连线逻辑•满足同时只有一个开关导通的约束条件CYVDDY=1·C+0·C+(C·C)·U=C3MOS开关和反相器•MOS反相器–功能：逻辑求反,即输出是输入的逻辑反信号–逻辑表达式及符号DY=YDMOS开关和反相器•MOS反相器–反相器的特性指标：•输出高电平•输出低电平•静态功耗:输入为静止态时的功耗•阈值电平:输出电平转换时所对应的输入电平•直流传输特性:Vo~Vin特性•瞬态特性:电平转换时对负载电容的充放电速度MOS开关和反相器•MOS反相器–分类•静态和动态•无比与有比（略）(a)(a)采样保持采样保持(b)(b)预充求值预充求值CMOSCMOS静态反相器静态反相器CMOSCMOS动态反相器动态反相器VDDCDYCLVDDDCCY信号用电源电压维持VDDDVDDDY信号用电容上的电荷维持MOS开关和反相器•MOS反相器–设计准则：上升时间和下降时间相等设计要求：设计要求：frtt=如果：如果：TPTNVV−=则：NPPNWWμμ=VDDDYCLMOS开关和反相器•CMOS互补反相器–特性指标•输出高电平:VDD•输出低电平:0•静态功耗:≈0•充放电特性:tr≈tf•阈值电平:≈VDD/2直流传输特性功能上对WP/WN无要求，是一种无比反相器；但要达到上述充放电和阈值电平特性，WP/WN需满足上一页的要求MOS开关和反相器Vout•CMOS反相器版图实例–注意–多个反相器串联，前后管子尺寸之比•延时最小1:2~3•功耗最小1:2~105.2≅NPWW4基本逻辑单元•CMOS基本逻辑单元是由MOS开关（传输门）和反相器组合发展而成的电路,在这里，给出版图，从中提取电路，分析其逻辑功能，以及版图设计的特点基本逻辑单元•单元一版图PdiffNdiffMetal2Metal1ViaPoly1ContactPwellNwell这些层的定义适用于后面所有单元基本逻辑单元•单元一（与非门）–提取出来的电路–逻辑符号–逻辑功能–真值表vdda1a2zna1a2zn011101110100zna2a1zn=a1•a2基本逻辑单元•单元二版图去铝2基本逻辑单元•单元二（或非门）–提取出来的电路–逻辑符号–逻辑功能–真值表zn=a1+a2vdda1a2zna1a2zn011001010100zna2a1基本逻辑单元•单元三版图5基本逻辑单元•单元三（与门）–提取出来的电路–逻辑符号–逻辑功能–真值表z=a1•a2vdda1a2za1a2z111001010000za2a1a1a2znz基本逻辑单元•单元四版图去铝2基本逻辑单元•单元四（或门）–提取出来的电路–逻辑符号–逻辑功能–真值表z=a1+a2vdda1a2za1a2z111101110000za2a1a1a2zzn基本逻辑单元•单元五版图基本逻辑单元•单元五（同或）–提取出来的电路–逻辑符号–逻辑功能–真值表a1a2znzn=a1•a2+a1•a2=a1a2111001010100zna2a1vdda2a1a1a2a1a2zn1zn基本逻辑单元•单元六版图6基本逻辑单元•单元六（异或）–提取出来的电路–逻辑符号–逻辑功能–真值表a1a2zzna1a2z21aaz⊕=011101110000za2a1基本逻辑单元•单元七版图基本逻辑单元•单元七版图去铝2基本逻辑单元•单元七（2-4译码）–提取出来的电路–逻辑功能：2-4译码–真值表a1a0z0nz1nz2nz3n011111101101110110111000z3nz2nz1nz0na0a1基本逻辑单元•单元八版图基本逻辑单元•单元八（带使能端的反相器）–提取出来的电路–逻辑符号–逻辑功能–真值表znioevddioeznUoeioezn⋅+⋅=高阻态任意0011101znioe7基本逻辑单元•带使能端反相器的作用–简单反相器的缺陷–多个门的输出同时送入母线时，需要有使能控制，每个时刻，最多有一个门的使能有效，如果没有一个使能有效，则母线高阻‘0’‘1’母线基本逻辑单元•单元九版图基本逻辑单元•单元九（二选一）–提取出来的电路–逻辑功能–真值表01isisz⋅+⋅=vddi1snsi0snszi11i00zsi1i0sz作业1•提取电路•分析逻辑关系作业2•提取电路•分析逻辑关系•单元十版图触发器单元8触发器单元•单元十（D触发器）–提取出来的电路–逻辑功能：当时钟信号为高时，q=d；当时钟信号为低时，保存信息–真值表vddccndqncnceqcnc保持0d1qedecncqqn作业3•提取电路•分析逻辑关系版图编辑起步UNIX基本命令•AboutSystem–login,logout,exit–passwd,date,hostid,hostname–whoami,man•Aboutprocess–ps,killUNIX基本命令•AboutEnviroment–umask022,source,alias,unalias,set,unset–.cshrc•AboutDirectoryandfiles–cd,ls,mkdir,pwd,rm–r,rm,mv,chmod–cp,grep,find,vi•AboutNetwork–ftp开始一个新的设计•准备工作–帐号分配•lifl1~lifl50–如何连到EDA服务器？•东主楼微所EDA机房，统一上机见通知•校园网内远程登录，见‘使用exceed的简要说明’9开始一个新的设计•准备工作–修改密码passwd–建工作目录mkdirproject–上传工艺文件tf_un.tf,display.drf•微机：开始Æ运行ÆcmdÆcd存放文件的目录•ftpserverip输入帐号和密码•bin•cd~/project•putfilename•Bye–或直接用FTP软件登录上传开始一个新的设计•准备工作–进入工作目录cdproject–用instdir查cadence安装目录cds_install_dircpcds_install_dir/cdsuser/.cdsinit~/project/.–启动Cadence工具icfb&CIW(CommandInterpreterWindow)Cadence工具的集中控制窗口输入域命令提示行鼠标按纽提示输出域菜单栏Log文件窗口号开始一个新的设计•准备工作–由technologyfile生成technologylibrary：csmc06•点击FileÆnewÆlibrary弹出newlibrary窗口•在name框键csmc06，右边选compileanewtechfile•在弹出的窗口中输入techfilename:tf_un–建新的designlibrary：lab•点击FileÆnewÆlibrary弹出newlibrary窗口•在name框键lab，右边选attachtoanexistingtechfile•在弹出的窗口中选工艺库:csmc06–在lab下建立一个cellview：inv:layout•点击FileÆnewÆcellview弹出createnewfile窗口•Libraryname:lab;cellname:inv;tool:选virtuosoLSW(LayerSelectionWindow)主要是配合Edit使用设定可显示于CIW上的层设定LSW上所选层的颜色目前选用的层工艺库名字所有层都显示allvisible除选中层外其余皆不显示novisible所有层都可选用allselectable除选中层外其余皆不选用noselectable设定instance,pin是否可编辑鼠标的位置与上一点的相对位置目前的command放大缩小的快速图示修改、移动及复制的快速图示量尺寸的快速图示这些是编辑时的快速图示，也可以使用hotkey，在编辑时可以配合shift做加选及ctrl做少选Layouteditorwindow菜单项10开启DisplayOptions来设定Grid。一般Grid的设法为所有layoutrules里的最小单位，在此设为0.05。若Grid没有设好，则在画layout时将会有很多的困扰，更严重可能会有error的情况，所以每次开始画layout时请务必先做设定。SetGrid开始一个新的设计•版图编辑操作–选取版图的层–矩形(recangle)、线(path)–标尺(ruler)的使用–图形尺寸调整(stretch)–图形的移动和旋转–图形的复制，删除–图形属性修改开始一个新的设计•版图编辑操作–图形的合并(merge)–加contact（四种，三种接触孔，一种过孔）–定义multipath–加Pin–调用已画单元(cell)–注意热键的使用–注意ESC和F3键的使用开始一个新的设计•Dracula设计规则检查(DRC)–在project目录下建一个专用于检查的子目录•cd~/project•mkdirverify–上传DRC文件drc至~/project/verify目录下•微机：开始Æ运行ÆcmdÆcd存放drc的目录•ftpserverip输入帐号和密码•bin•cd~/project/verify•putdrc•bye–或直接用FTP软件登录上传开始一个新的设计•Dracula设计规则检查(DRC)–在layouteditor窗口，将编辑的layout另存为lab:drclvs:layout–导出GDSII文件•CIW窗口，点击FileÆExportÆstream…弹出streamout窗口•点击librarybrowser，选择lab:drclvs:layout