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1《集成电路原理与设计》实验指导书河北工业大学信息工程学院集成电路原理与设计课程组2007年8月2前言随着微电子的迅速发展，集成电路作为微电子的核心已经发展到65nm技术，单个芯片上能够集成多达七十亿个元器件，半导体技术正在进入将整个系统整合在单一晶片上的时代。目前各种电子产品的极大丰富使得集成电路的设计和制造成为研究的重点，因此了解集成电路的原理与设计也就成为大学生学习的关键。集成电路原理与设计课程主要介绍双极性集成电路（包括TTL电路、ECL电路、I2L电路）和MOS集成电路（包括NMOS、PMOS、CMOS）的组成特点、工作原理以及逻辑扩展方面的知识，借助计算机辅助设计软件，并遵循各项流程规则及参数规定进行仿真练习。TannerToolsPro提供完整的集成电路设计环境，可在PC机上运行，能够帮助学生进入VLSI设计领域。它从电路图设计、电路分析与仿真到电路布局环境一应俱全。学生通过仿真实验能够进一步深化对集成电路原理、半导体工艺等方面知识的理解和掌握，将电子科学与技术专业的基础知识融会贯通。3目录实验一使用S—Edit设计简单逻辑电路----------------------------------------------------------------4实验二简单逻辑电路的瞬时分析和直流分析----------------------------------------------------------10实验三全加器电路设计与瞬时分析----------------------------------------------------------------------23实验四四位加法器电路设计与仿真----------------------------------------------------------------------28实验五使用L—Edit画PMOS布局图-------------------------------------------------------------------33实验六使用L—Edit画反相器布局图------------------------------------------------------------------43实验七四位加法器标准原件自动配置与绕线--------------------------------------------------------554实验一使用S—Edit设计简单逻辑电路（2学时）一、实验目的1.熟悉S—Edit电路图编辑环境2.熟悉S—Edit中模块的编辑和引用3.掌握S—Edit菜单中各项的意义和使用方法4.掌握反相器和与非门两种电路图的编辑方法二、实验内容实验内容包括两个部分，首先利用S—Edit编辑反相器和与非门。操作流程：进入S—Edit——建立新文件——环境设置——引用模块——建立反相器电路与符号——新增模块——建立与非门电路与符号。三、实验仪器、设备1．主要设备是电脑2．软件环境：TannerPro11.1四、实验原理本实验中共包含六个模块，包括Vdd，Gnd，MOSFET_N，MOSFET_P，inv与Nand2，其中包括Vdd，Gnd，MOSFET_N，MOSFET_P模块是在利用SymbolBrowser功能时，从元件库复制过来的。在模块inv中引用到包括Vdd，Gnd，MOSFET_N，MOSFET_P这四个模块，模块Nand2中也引用到包括Vdd，Gnd，MOSFET_N，MOSFET_P这四个模块。各模块的内容可以选择Module——Open命令打开并进行修改。Wire（联机）按钮是用在电路设计模式中各元件之间的信号连接。要注意，元件符号节点以外的部分无法连接成功；Line按钮是画直线的工具，可以用来在符号模式中绘制电路符号，但不可以在电路设计模式中进行电路之间的联机操作。MOSFET_N模块与MOSFET_P模块特性各模块特性代表意义说明5模块特性SPICEOUTPUT说明五、实验步骤（一）使用S-Edit编辑反相器(1)打开s-Edit程序：执行..\Tanner\S-Edit目录下的sedit.exe文件，或选择“开始”---“程序”---TannerEDA---S-Edit---S-Edit命令，即可打开S-Edit程序，S-Edit会自动将工作文件命名为“FileO.sdb”并显示在窗口的标题栏上。(2)另存新文件：选择File---SaveAs命令，打开“另存为”对话框，在“保存在”下拉列表中选择保存的路径，在“文件名”文本框中输入新文件的名称，如Ex2。(3)环境设置：S-Edit默认的工作环境是黑底白线，但可按照用户的爱好来自定义颜色，例如，可将背景颜色换成白色，而将电路线条颜色换成黑色。选择Setup---Colors命令，打开Color对话框，可分别设置背景色(BackgroundColor)、前景色(ForegroundColor)、选取的颜色(SelectionColor)、栅格颜色(GridColor)与原点的颜色(OriginColor)。用鼠标来选择颜色的部分，即可更换颜色，将各颜色设置为图1.3所示的状态，则画面背景变成白色。(4)编辑模块：S-Edit编辑方式是以模块(Module)为单位而不是以文件(File)为单位，每一个文件可以有多个模块，而每一个模块则表示一种基本组件或一种电路，故一个文件内可能包含多种组件或多个电路。每次打开新文件时便自动打开一个模块并将之命名为“Module0”。(5)浏览组件库：S-Edit本身附有4个组件库，它们分别是在..\Tanner\S-Edit\library目录的scmos.sdb,spice.sdb,pages.sdb与element.sdb。若要引入这些组件库中的模块，可以选择Module---SymbolBrowser命令，打开SymbolBrowser对话框，单击AddLibrary按钮，可加入要使用的组件库，本范例中加入了scmos,spice,pages与element组件库在Library列表中，如图1.1所示。(6)从组件库引用模块：编辑反相器电路会利用到NMOS,PMOS,Vdd与Gnd这4个模块，所以要从组件库中复制NMOS,PMOS,Vdd与Gnd这4个模块到Exl文件，并在Module0中编辑画面引用。其方法为:选择Module---SymbolBrowser命令，打开SymbolBrowser对话框，在Library列表框中选取spice组件库，其内含模块出现在Modules列表框中，在Modules列表框中选取MOSFET_N选项(NMOS)，单击Place按钮及Close按钮，则在Module0编辑窗口内将出现MOSFET_N的符号。以同样操作选出MOSFET_P选项(PMOS)后单击Place按钮，先不要单击Close按钮，再选出Vdd与Gnd符号并在每次选择后分别单击Place按钮，最后单击Close按钮则出现如图1.2所示的界面。(7)编辑反相器：按住Alt键拖动鼠标，可移动各对象。注意，MOSFET_N与MOSFET_P选项分别有4个节点，Vdd与Gnd选项分别有一个节点。将4个对象摆放成如图1.3所示的位置，注意，在两对象相连接处，各节点上小圆圈消失即代表连接成功。(8)加入联机：将4个对象排列好后再利用左边的联机按钮，完成各端点的信号连接，注意控制鼠标键可将联机转向，按鼠标右键可终止联机。当联机与组件节点正确相接时，节点上小圆圈同样会消失，但若有3个以上的联机或组件节点接在一起时，则会出现实心圆圈，如图1.4所示。6图1.1浏览组件库图1.2引用模块图1.3编辑反相器图1.4加入联机(9)加入输入端口与输出端口：利用S-Edit提供的输入端口按钮与输出端口按钮，标明此反相器的输入输出信号的位置与名称，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，打开EditSelectedPort对话框，在Name文本框输入“IN”，单击OK按钮。再选择输出端口按钮，到工作区用鼠标7左键选择要连的端点，在打开的对话框的Name文本框中输入“OUT”单击OK按钮。若输入端口或输出端口未与所要连接的端点相接，则可利用移动功能将IN输入端口移至反相器输入端，将OUT输出端口接至反相器输出端，或利用联机功能将节点连接在一起，如图1.5所示。图1.5编辑输入端口与输出端口的结果(10)建立反相器符号：在此步骤之前是电路设计模式，S-Edit中的模块，除了可以建立设计电路的窗口外，还可以建立该电路符号的窗口，选择View---SymbolMode命令，如图1.6所示，即切换至符号模式。选择了三角形工具后，按鼠标左键可画三角形的端点，按鼠标右键可画出三角形的终点，接着利用圆形工具画出圆形:，最后利用直线工具画出直线，如图1.7所示。图1.6切换至符号模式图1.7建立反相器符号(11)加入输入端口与输出端口：利用S-Edit提供的输入端口按钮与输出端口按钮，标明此反相器符号的输入输出信号的位置与名称，具体操作同步骤(10)，结果如图1.8所示。注意，符号的输入输出端口的名称要与电路输入输出端口的名称相同，大小写亦需一致。(12)更改模块名称：要将原来的模块名称Module0换成符合实际电路特性的名称，要选择Module---Rename命令，打开ModuleRename对话框，在其中的Newmodule抧ame文本框中输入“inv”,之后单击OK按钮，即可完成反相器模块的S-Edit设计。图1.8加入输入端口与输出端口(13)反相器设计成果：观看最后反相器设计成果，可分别选择View---SchematicMode与View-SymbolMode命令切换电路设计模式和符号模式两个窗口，或者选择View-ChangeMode命令来轮流在电路设计模式和符号模式这两个窗口之间进行切换。8(14)模块输出格式：S-Edit可将模块的内容输出成几种文字形式，具体操作是选择File---Export命令，打开ExportNetlist对话框，在其中的SelectExportDataType下拉列表中可以看到有6种输出格式。（15）输出成SPICE文件：将设计好的S-Edit电路图输出成SPICE格式，可借助于T-Spice分析与模拟此设计电路的性质，可选择File---Export命令输出，或单击S-Edit右上方按钮，会自动输出成SPICE文件并打开T-Spice与转出文件。但此反相器的SPICE文件必须加入电源与其他设置，才能以T-Spice进行分析，这在后面的章节将详细说明。（二）使用S-Edit编辑与非门用S-Edit编辑与非门的详细步骤如下。（1）新增模块：回到S-Edit的Exl.sdb文件，新增一个模块，选择Module---New命令，打开CreateNewModule对话框，如图1.19所示，在其中的ModuleName文本框中输入“Nand2”，单击OK按钮，即可完成新增模块的操作。（2）引用模块：选择Module---Instance命令，打开InstanceModule对话框，在Files下拉列表中选择Ex1选项，在SelectModuleToInstance列表框中可以看到共有5个模块供引用，分别选取Vdd,Gnd，MOSFET_N与MOSFET_P选项，单击OK按钮。由于引用的符号出现在编辑画面相同的地方，可按住Alt键来用鼠标拖动来将4个符号分开。复制并旋转：在Nand2的编辑窗口中选择MOSFET_P选项，使之成为红色的选取状态，再选择Edit---Duplicate命令复制出MOSFET_P符号，再选择Edit---Flip---Horizontal命令水平翻转MOSFET_P符号，然后复制一个MOSFET_N符号。（3）加入联机：将6个对象排列好后再利用左边联机按钮，完成各端点的信号连接，注意，控制鼠标左键可将联机转向，按鼠标右键