针对IO的缓冲器版图设计

《集成电路版图设计》实验（二）：针对IO的缓冲器版图设计一．实验内容参考课程教学中互连部分的有关讲解，根据下图所示，假设输出负载为5PF，单位宽长比的PMOS等效电阻为31KΩ，单位宽长比的NMOS等效电阻为13KΩ；假设栅极和漏极单位面积（um2）电容值均为1fF，假设输入信号IN、EN是理想阶跃信号。与非门、或非门可直接调用LEDIT标准单元库，在此基础上，设计完成输出缓冲部分，要求从输入IN到OUT的传播延迟时间尽量短，可满足30MHz时钟频率对信号传输速度的要求（T=2Tp）。二．实验要求要求：实验报告要涵盖分析计算过程VDDInEnEnOut图1.常用于IO的三态缓冲器三、实验分析为了满足时钟频率对信号传输速度的要求，通过计算与非门和或非门的最坏延时，再用全局的时钟周期减去最坏的延时，就得到了反相器的应该满足的延时要求，可以得到反相器N管和P管宽度应该满足什么要求。标准与非门和或非门的电容、电阻可以通过已知条件算出。由于与非门、或非门可直接调用LEDIT标准单元库，所以本设计的关键在于后级反相器的设计上（通过调整反相器版图的宽长比等），以满足题目对电路延时的要求。由于输入信号IN和是理想的阶跃信号，所以输入的延时影响不用考虑。所以计算的重点在与非门和或非门的延时，以及输出级的延时。对于与非门，或非门的延时，由于调用的是标准单元，所以它的延时通过提取标准单元的尺寸进行估算，输出级的尺寸则根据延时的要求进行设计。四、分析计算计算过程：（1）全局延时要求为：30MHz的信号的周期为T=1/f=33ns；全局延时对Tp的取值要求，Tp1/2*T=16.7ns；（2）标准单元延时的计算：所用到的标准单元如下图所示：图2.与非门和或非门标准单元版图通过在ledit软件中使用尺子测量与非门和或非门的晶体管的尺寸，得到了L=2um，W=28um，漏极的长度为LD=6um。pmos和nmos采用的是等尺寸的。NMOS的电阻为：Rn=13kΩ/(w/l)n=13kΩ/14=0.93kΩPMOS的电阻为：Rp=31kΩ/(w/l)p=31kΩ/14=2.2kΩ栅极的寄生电容为Cg=2281fF=56fF漏极的寄生电容为Cd=6281fF=168fF分别计算与非门和或非门的上拉和下拉网络的延迟时间，以找到最坏路径的延时，将最坏延时确定这一级的延时。CL为后级pmos的栅极电容，由于栅极电容的量级一般在fF量级，从上面的结果知道，栅电容为56fF，对其延时影响有限，所以我们忽略栅电容的影响，只计算无负载延时。(3)计算与非门的无负载延时图三.与非门管级电路图1、与非门下拉网络的无负载延时,即C1通过一个MOS管放电加上C2通过两个MOS管的放电时间：TPHL=0.69*（0.93kΩ*168fF(0.93kΩ0.93kΩ)*168fF）=0.32ns2、与非门上拉网络的最坏延迟时间即单管导通的延时：TPLH=0.682.3kΩ168fF=0.256ns；所以比较可知与非门的最坏延时为下拉时间TPHL=0.32ns；（4）或非门的无负载延时图4.或非门的管级电路图1、或非门下拉网络的最大延迟即单管导通延迟：TPHL=0.69*0.93kΩ*168fF=0.108ns；2、或非门上拉网络的最大延迟：TPLH=0.69*（2.3kΩ168fF(2.3kΩ2.3kΩ)168fF）=0.765ns；所以比较可知或非门的最大延时TPLH=0.765ns。可见：与非门和或非门的最坏延时由或非门的上拉网络决定，其无负载的延时为0.765ns。实际中或非门的下级负载是反相器NMOS的栅极电容，从上面的结果知道，栅电容为56fF,可知栅极电容是比较小的，取一个适当的栅电容值100fF。(5)输出级的延时应该满足的数值当负载电容为100fF时的延时为：TP栅=0.69*（2*RP*Cg）=0.69*2*2.2*10^3*100*10^(-15)=0.304ns得到反相器前的最坏延迟为:tp=TPLH+TP栅=0.765ns+0.304ns=1.093ns所以输出级的延时应该小于16.7ns-1.093ns=15.607ns。(6)反相器尺寸的确定由于漏极电容的量级在fF量级，所以，输出的电容负载近似的认为仅有CL=5pf提供。1、设PMOS的栅宽为Wp，栅长由工艺决定2um，所以上拉网络延时应该满足的关系为：0.69*31kΩ/（WP/2）*5*10^(-12)F15.607ns得到：WP13.705um。2、设NMOS的栅宽为Wn，栅长由工艺决定2um，所以上拉网络延时应该满足的关系为：0.69*13kΩ/（Wn/2）*5*10^(-12)F15.607ns得到：WP5.747um。五、版图绘制的过程概述（1）计算后分析我们通过计算得到了输出端NMOS和PMOS的最小尺寸，分别为5.747um和13.705um，其对应的栅电容比标准与非门和或非门小很多，前面计算得知标准与非门的栅电容仅仅为栅电容为56fF,可知栅极电容是比较小的，因此我们在前面取的或非门的后级负载电容量100fF是满足设计要求的。通过上面计算可以知道，NMOS的尺寸只要大于5.747um，PMOS的尺寸只要大于13.705um就可以满足时钟频率对信号传输速度的要求。由于布线，设计规则的限制，导致版图面积会变大，所以N管有源区的面积可以绘制大一些也并不会增大整体版图面积。综合选定了反相器PMOS的的宽度为14um，反相器NMOS的尺寸为12um。（2）绘制版图的过程1、打开ledit软件，新建newlayout,通过file中的replacesetup选择lights.tdb文件，使用里面的参数设置来绘制版图。2、调用标准与非门和或非门，将两个门放置在同一高度。3、下面绘制反相器版图，根据前述的计算，在P衬底上绘制有源区，再画Nselect,将有源区包裹住，进行设计规则检查。4、在有源区上绘制1条多晶硅，宽度为最小尺寸，。需满足最小尺寸要求和伸展出有源区2um的距离。进行设计规则检查无误后，这样就形成了MOS管的源漏。4、绘制GND，反相器NMOS的源极通过metal1接地。需要满足金属包裹接触孔、接触孔离有源区的边界、接触孔离多晶的距离，金属的最小尺寸等设计规则。5、上述步骤将反相器的NMOS基本绘制完成。下面绘制PMOS，根据前面计算的尺寸，首先绘制Nwell，再在Nwell中绘制Pselect，然后再绘制Active层，之后绘制多晶硅，伸展出有源区2um的距离这样就形成了PMOS的源漏区，进行设计规则检查。6、绘制VDD。根据电路图知反向器PMOS的源极需要接电源，在有源区打接触孔，通过金属线连接至电源端。需要满足金属包裹接触孔、接触孔离有源区的边界、接触孔离多晶的距离，金属的最小尺寸等设计规则。7、上面的步骤基本完成了MOS管的绘制，之后就是连接和信号输入输出问题了。根据电路图，将与非门和或非门的一个输入连接，引入IN信号，与非门的另一个输入引入En信号，或非门的另一个输入引入En的反向信号。8、将或非门的输出通过Metal1→通孔→Metal2→通孔→Metal1→多晶硅接触→NMOS的栅极，最后进行设计规则检查。9、将与非门的输出通过Metal1→通孔→Metal2→通孔→Metal1→多晶硅接触→PMOS的栅极，最后进行设计规则检查。10、做NMOS和PMOS的衬底接触，进行设计规则检查。11、将反相器的NMOS和PMOS的漏极通过Metal1连接，在Metal1上打通孔连接Metal2将最终的输出引出，进行设计规则检查。综合布局布线，设计版图、输入输出如下图5所示。通过DRC检测没有错误。图5.IO的缓冲器版图（3）版图评价1、将与非门、或非门、反相器的PMOS都绘制在了一个Nwell中，避免了不同Nwell之间间距的设计规则要求，节省了版图的面积。2、版图的绘制都是一步一步按照设计规则卡出来的，使得有源区面积小，使用了最小尺寸的多晶硅和金属连线，减小寄生参数，降低RC延时。3、在版图面积已经确定的情况下，尽可能的加大了有源区的面积，改善了电路性能。4、在最小面积的有源区上，尽可能多的做了接触孔，减小接触电阻。5、通过使用Metal2，减小了布线间距，节省了面积。6、将nMOS管和pMOS管的多晶硅栅极对准，利于工艺上的加工，这样可以由最小长度的多晶硅线条组成栅极连线，这样做可以降低RC延时。六、总结这次版图设计我做的针对IO的缓冲器版图设计，明白了几成定阿鲁怎么对延时进行计算和分析，对所学的CMOS集成电路设计有一个更系统更全面的了解,通过两次L-edit软件的训练，进一步加深了L-edit软件的基本操作方法，进一步熟悉了版图的绘制步骤，并能够独立的运用该软件设计版图，灵活的根据要求绘制版图，我想这对我今后学习或者工作大有裨益，今后，我要更多的运用该软件，达到熟练掌握的目的，在我们锻炼动手能力的同时，学到更多的有关专业知识。感谢师兄师姐上机时的悉心指导，使我能够进一步完善所绘制的版图，学习到更多知识。