模擬集成電路設計流程(中國科學技術大學)

1、2020/11/18,共88頁,1,Spectre/Virtuoso/Calibre 工具使用介紹,實驗地點: 信息科學實驗中心研究生實驗訓練基地 馮立松 汪瀚,2020/11/18,共88頁,2,模擬集成電路的設計流程,1.交互式電路圖輸入 2.電路仿真（spectre） 3.版圖設計 （virtuoso） 4.版圖的驗證（DRC LVS） （calibre） 5.寄生參數(shù)提?。╟alibre） 6.后仿真 （spectre） 7.流片（gdsii）,全定制,2020/11/18,共88頁,3,Cadence中Spectre的模擬仿真,1、設置登錄服務器，進入Cadence軟件包 2、建立可

2、進行SPECTRE模擬的單元文件 3、編輯可進行SPECTRE模擬的單元文件 4、模擬仿真的設置(重點) 5、模擬仿真結(jié)果的顯示以及處理 6、分模塊模擬(建立子模塊) 7、運算放大器仿真實例,2020/11/18,共88頁,4,一、設置登錄服務器,host: 19 port: 22 protocol: SSH username/password: 學號/密碼 command: Linux type 2 修改密碼 passwd 先輸入當前密碼， 再輸入兩遍新密碼， 注意密碼不會顯示出來,配置,用瀏覽器打開19/ganglia/ 查看機器負載

3、情況，盡量選擇負載輕的機器登陸。mgt和rack01不要選取。 登錄命令 ssh X c01n? (?為機器號) 第一次登陸服務器: cp /eva01/cdsmgr/shell/cshrc.iclab . source cshrc.iclab cp wanghan/CMOS/cds.lib . （ “.”指當前文件夾） cp /soft1/cdsmgr/cadence/IC5141/tools.Inx86 (接上行)/dfII/cdsuser/.cds init （設置Cadence快捷鍵） setdt ic setdt mmsim111 (spectre仿真時需要),2020/11/18,

4、共88頁,5,2020/11/18,共88頁,6,創(chuàng)建工作目錄work mkdir work 進入work文件夾（自己所有工作都在work里面） cd work 關聯(lián)工藝庫：cp uwb05/lsfeng/UWB_OFDM/cds.lib Icfb & (運行cadence),2020/11/18,共88頁,7,二、建立可進行SPECTRE模擬的單元文件,主窗口分為信息窗口CIW、命令行以及主菜單。信息窗口會給出一些系統(tǒng)信息（如出錯信息，程序運行情況等）。在命令行中可以輸入某些命令。,主菜單包括： 1、File菜單 2、Tools菜單 3、Options菜單,2020/11/18,共88頁,8

5、,工藝參數(shù),相關工藝參數(shù)可以在 ms018_v1p7_spe.mdl文件中查到： N18： Tox=3.87n (可由此算出Cox) vth0=0.39(無襯偏效應) u0=34m P18： Tox=3.74n Vth0=-0.402 u0=8.6m lambda的選取可以參照razavi書上的lambda與L成反比， 其中L0.5um時 lambdaN0.1,lmabdaP=0.2 模型中各工藝參數(shù)定義可參考bsimset.pdf文件。,Setup - model library,建立新庫、新單元以及新視圖,在CIW中，F(xiàn)ile-New-Library， 在彈出的“New Library”窗

6、口，Name欄中：mylib 選中右下方：Attach to an existing techfile 點擊OK，之后彈出圖2，選smic18mmrf，點擊ok 查看CIW窗口：Tools-Library Manager，在Library中應有mylib，單擊它。 在Library Manager 窗口，F(xiàn)ile-New-Cellview， 在彈出的“Create New File”窗口Cell Name欄中，opam Tool欄中，選Composer-Schematic OK ，彈出新的原理圖編輯窗口,Library,Cell,Schematic Symbol Layout Verilog,

7、（View）,2020/11/18,共88頁,10,Library,Cell以及View的關系,1、library(庫)的地位相當于文件夾，它用來存放一整個設計的所有數(shù)據(jù)，包括子單元（cell）以及子單元（cell）中的多種視圖（view）。新建庫時注意選擇鏈接所用工藝pdk的techfile。 2、Cell（單元）可以是一個簡單的單元，像一個與非門，也可以是比較復雜的單元（由symbol搭建而成）。 3、View則包含多種類型，常用的有schemetic，symbol，layout，calibre等等 ,新建Cellview要注意選擇View的類型。,2020/11/18,共88頁,11,添

8、加元件（實例instance）,在彈出的“Virtuoso Schematic Editing:”窗口中，左邊為工具欄，選instance 圖標（或i） 單擊“Add instance”窗口Library欄最右側(cè)Browser, 彈出“Library Browser-”窗口，Library選smic18mmrf，Cell選n18, View選symbol 在“Virtuoso Schematic Editing:”窗口, 鼠標左鍵單擊一次，間隔一定距離再單擊一次，這樣就增加了2個n18元件，鍵撤銷本次操作ESC 按照如上方法添加所需要的NMOS與PMOS以及電阻元件以及pin,2020/11/

9、18,共88頁,12,mos管的主要參數(shù),multiplier 表示幾個管子并聯(lián)數(shù) Length 表示溝道長度 ，設計時我們按照長溝道設計L取值1um Total Width 表示總的溝道寬度 Finger Width 表示一個finger的寬度 Fingers 表示finger的個數(shù) Total width finger witdth finger width 設計時 盡量使mos管接近方形，而不是長條形,2020/11/18,共88頁,13,編輯完成的電路圖,2020/11/18,共88頁,14,一些快捷鍵,以下是一些常用的快捷鍵： i 添加元件，即打開添加元件的窗口； 縮小兩倍； 擴大兩

10、倍； w 連線（細線）； f 全圖顯示； p 查看元件屬性； m 整體移動（帶連接關系）； shift+m 移動（不帶連接關系）。,2020/11/18,共88頁,15,生成symbol,進入“Virtuoso Schematic Editing：mylib nand2 schematic”窗口。 Design - Create Cellview-From Cellview 在Cellview From Cellview窗口，F(xiàn)rom View Name欄為：schematic，Tool / Data Type欄為Composer-Symbol。 OK,2020/11/18,共88頁,16,三

11、 編輯測試環(huán)境,新建1個cell名稱為： Opam_test 在新的原理圖窗口中調(diào)用opam的symbol 添加激勵元件 所有激勵元件都在 Analoglib庫中，在這里用到了電源源vdc 電流源idc 正弦源vsin 以及全局符號vdd，gnd 如右圖所示,2020/11/18,共88頁,17,四、模擬仿真的設置(重點),Composer-schamatic界面中的Tools Analog Environment項可以打開Analog Design Environment 窗口，如右圖所示。,2020/11/18,共88頁,18,Analog Design Simulation菜單介紹,Se

12、ssion菜單,Schematic Window Save State Load State Options Reset Quit,回到電路圖,保存當前所設定的模擬所用到的各種參數(shù),加載已經(jīng)保存的狀態(tài),一些顯示選項的設置,重置analog artist。相當于重新打開一個模擬窗口,退出,使用最多,2020/11/18,共88頁,19,Setup菜單,Setup菜單,Design Simulator/directory/host Temperature Model Library Environment,選擇所要模擬的線路圖,選擇模擬使用的模型一般有cdsSpice hspiceS spectr

13、e等,設置模擬時的溫度,設置庫文件的路徑和仿真方式，修改工藝角,設置仿真的環(huán)境 （后仿真時需設置）,2020/11/18,共88頁,20,Analyses菜單,選擇模擬類型。Spectre的分析有很多種，如右圖，最基本的有 tran（瞬態(tài)分析） dc（直流分析） ac（交流分析）。,2020/11/18,共88頁,21,tran（瞬態(tài)分析）,2020/11/18,共88頁,22,dc（直流分析）,dc（直流分析）可以在直流條件下對temperature，Design Variable，Component Parameter，Model Parameter進行掃描仿真,舉例:對溫度的掃描（測量溫

14、度系數(shù)） 電路隨電源電壓變化的變化曲線等,2020/11/18,共88頁,23,ac（交流分析）,ac（交流分析）是分析電路性能隨著運行頻率變化而變化的仿真。,既可以對頻率進行掃描也可以在某個頻率下進行對其它變量的掃描。,2020/11/18,共88頁,24,其它有關的菜單項,Outputs/Setup 當然我們需要輸出的有時不僅僅是電流、電壓，還有一些更高級的。比如說：帶寬、增益等需要計算的值，這時我們可以在Outputs/setup中設定其名稱和表達式。在運行模擬之后，這些輸出將會很直觀的顯示出來。 需要注意的是：表達式一般都是通過計算器（caculator）輸入的。Cadance自帶的計

15、算器功能強大，除了輸入一些普通表達式以外，還自帶有一些特殊表達式，如bandwidth、average等等。,2020/11/18,共88頁,25,Calculator的使用,Calculator是一個重要的數(shù)據(jù)處理工具，可以用來仿真電源抑制比，相位裕度，共模抑制比,2020/11/18,共88頁,26,其它有關的菜單項,Results菜單,2020/11/18,共88頁,27,模擬結(jié)果的顯示以及處理,在模擬有了結(jié)果之后，如果設定的output有plot屬性的話，系統(tǒng)會自動調(diào)出waveform窗口，并顯示outputs的波形，如左圖,2020/11/18,共88頁,28,運放直流工作點仿真（D

16、C分析）,放大器的正常工作需要一定的直流偏置 在交流（ac，tran）仿真之前，必須保證運放要有合適的靜態(tài)工作點 靜態(tài)工作點的設置需要手工計算與仿真迭代交互進行 構(gòu)成放大器的每一個管子都處在飽和區(qū)，是運放存在一個良好工作點的前提條件,2020/11/18,共88頁,29,運放小信號仿真示例,電源電壓Vdc=1.8V； 交流信號源acm=1 V； 負載電容Cload=5p F； 采用Spectre分析方式，選擇交流分析（ac），設置如下： Sweep Variable： Frequency Sweep Range ：1 Hz100M Hz 仿真完成后，點擊 Result - Direct Plo

17、t - AC Gain&Phase 查看運放的幅頻特性和相頻特性,2020/11/18,共88頁,30,仿真結(jié)果,該運放直流增益為80.9dB，單位增益帶寬為82M Hz， 相位裕度為67.32deg。,2020/11/18,共88頁,31,工藝角與溫度,上面運放的仿真實在tt（典型）27度下的仿真，但實際的工藝不一定是tt，使用溫度也不一定是室溫27度，所以要進行工藝角仿真 仿真不可能覆蓋所有的工藝偏差與溫度，所以需要選取一些典型值去驗證 溫度： 20 ，27， 105 （3種） 工藝偏差 ： tt ss ff fnsp fpsn （5種） 仿真要跑通這15種情況才能進行后端設計,2020/

18、11/18,共88頁,32,版圖設計,打開運放核心電路圖 單擊 Tools-Design Synthesis-Layout XL 選擇creat new ，可以彈出版圖編輯窗口 在版圖編輯窗口，單擊 Design-Gen from source 之后點擊ok，出現(xiàn)電路用到的所有smic18mmrf庫中元件（此時元件是無任何連接關系的）,2020/11/18,共88頁,33,版圖設計,2020/11/18,共88頁,34,版圖設計要點,版圖設計要按照一定的設計規(guī)則與電氣規(guī)則進行 ，這些規(guī)則文件可以在smic提供的pdk（process design kit）中查找到，最小線寬，最小間距，最小包圍，最小覆蓋。 僅僅滿足設計規(guī)則的走線，不是最佳的走線方式。在滿足設計規(guī)則的前提下，要保證每條金屬走線能夠承受相應的電流密度（防止由于老化而產(chǎn)生的電遷移現(xiàn)象），通常情況下為1um 可以承受1mA的電流 對于差分電路，要充分考慮版圖的對稱性與匹配,2020/11/18,共88頁,35,版圖設計要點,對于低