四輸入或非門的版圖設(shè)計

1、四輸入或非門課程設(shè)計學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目: 四輸入或非門的設(shè)計初始條件： 計算機、ORCAD軟件，L-EDIT軟件要求完成的主要任務(wù): （包括集成電路專項實踐工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、集成電路專項實踐工作量：1周2、技術(shù)要求：（1）學(xué)習(xí)ORCAD軟件，L-EDIT軟件。（2）設(shè)計一個四輸入或非門電路。 （3）利用ORCAD軟件，L-EDIT軟件對該電路進行系統(tǒng)設(shè)計、電路設(shè)計和版圖設(shè)計，并進行相應(yīng)的設(shè)計、模擬和仿真工作。3、查閱至少5篇參考文獻。按武漢理工大學(xué)課程設(shè)計工作規(guī)范要求撰寫設(shè)計報告書。全文用A4紙打印，圖紙應(yīng)符合繪圖規(guī)范。時間安

2、排：2015.6.19布置集成電路專項實踐任務(wù)、選題；講解集成電路專項實踐具體實施計劃與課程設(shè)計報告格式的要求；集成電路專項實踐答疑事項。2015.6.19-6.20學(xué)習(xí)ORCAD軟件，L-EDIT軟件，查閱相關(guān)資料，復(fù)習(xí)所設(shè)計內(nèi)容的基本理論知識。2015.6.21-6.25用ORCAD軟件設(shè)計四輸入或非門電路并進行仿真工作，再利用L-EDIT軟件繪制其版圖，完成集成電路專項實踐報告的撰寫。2015.6.26 提交集成電路專項實踐報告，進行答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目錄摘要IAbstractII1 緒論12 四輸入或非門22.1 四輸入或非門的電路結(jié)

3、構(gòu)22.2 四輸入或非門的電路設(shè)計與仿真32.2.1 ORCAD軟件介紹32.2.2 繪制電路圖32.2.3 電路仿真42.4 四輸入或非門的版圖繪制62.4.1 L-EDIT軟件介紹62.4.2 版圖繪制63 總結(jié)10參考文獻11摘要性能優(yōu)越的四輸入或非門是數(shù)字電路中很常見的一種邏輯電路，可廣泛應(yīng)用于算術(shù)邏輯單元等電路中。CMOS集成電路由于工藝技術(shù)的進步以及功耗低、穩(wěn)定性高、抗干擾性強、噪聲容限大、可適應(yīng)較寬的環(huán)境溫度和電源電壓等一系列的優(yōu)點，成為現(xiàn)在IC設(shè)計的主流技術(shù)。本文首先介紹了CMOS四輸入或非門電路，緊接著介紹了ORCAD軟件，并利用此軟件搭建了仿真電路圖，對電路進行了仿真分析。

4、最后介紹了L-EDIT軟件，并利用此軟件繪制了該電路的版圖。關(guān)鍵詞：四輸入或非門；ORCAD；L-EDIT；版圖AbstractThe superior performance of four input or gate, a logical circuit in digital circuits, is very common.It can be widely used in the arithmetic logic unit circuits. CMOS integrated circuits due to technology progress and low power consump

5、tion, high stability, strong anti interference, noise margin limit, can adapt to a wide ambient temperature and supply voltage and a series of advantages, become the mainstream technology of IC design now.In this paper, we first introduce the CMOS four-input NOR circuit, followed by the introduction

6、 of ORCAD software, and use the software to build the circuit simulation, the simulation of the circuit is analyzed. At the end of the paper, the L-EDIT software is introduced, and the layout of the circuit is drawn.Key words: four-input NOR gate; ORCAD; L-EDIT; layout1 緒論或非門是數(shù)字邏輯中實現(xiàn)邏輯或非的邏輯門。有多個輸入端、

7、1個輸出端，每增加一個輸入端只需增加一對CMOS管。若輸入中有高電平“1”，則輸出為低電平“0”；否則輸出為高電平“1”?；蚍情T在實際運用中相當(dāng)普遍，在集成電路設(shè)計中或非門與與非門也是主要的數(shù)字集成組成方法。CMOS集成電路采用場效應(yīng)管，且都是互補結(jié)構(gòu)，工作時兩個串聯(lián)的場效應(yīng)管總是處于一個管導(dǎo)通，另一個管截止的狀態(tài)，電路靜態(tài)功耗理論上為零。實際上，由于存在漏電流，CMOS電路尚有微量靜態(tài)功耗。單個門電路的功耗典型值僅為20mW，動態(tài)功耗（在1MHz工作頻率時）也僅為幾mW。CMOS集成電路供電簡單，供電電源體積小，基本上不需穩(wěn)壓。CMOS 集成電路由于工藝技術(shù)的進步以及功耗低、穩(wěn)定性高、抗干擾

8、性強、噪聲容限大、可等比例縮小、以及可適應(yīng)較寬的環(huán)境溫度和電源電壓等一系列優(yōu)點，成為現(xiàn)在 IC 設(shè)計的主流技術(shù)。在CMOS集成電路設(shè)計中，或非電路的設(shè)計與應(yīng)用是非常重要的。IC 設(shè)計者可以根據(jù)芯片的不同功能和要求采用各種不同結(jié)構(gòu)的或非電路，從而實現(xiàn)電路的最優(yōu)化設(shè)計5。CMOS或非門的版圖設(shè)計是集成電路設(shè)計中的一個重要單元，它的復(fù)雜度與功耗密切相關(guān)，越復(fù)雜功耗就越大。如何在保持高性能的情況下減小芯片面積和功耗，無疑是設(shè)計的關(guān)鍵，這要求設(shè)計者對芯片的重要部件進行各方面的優(yōu)化。Capture提供層次式電路和平坦式電路兩種原理圖繪制方式，設(shè)計師可以更快、更簡捷、更直觀地完成原理圖設(shè)計與繪制。L-Edi

9、t是Tanner公司的全定制版圖編輯工具。它具有速度快、功能強、使用方便和分層設(shè)計的特點。ORCAD軟件和L-EDIT軟件是IC設(shè)計和驗證的高性能軟件系統(tǒng)模塊，具有高效率，交互式等特點，強大而且完善的功能包括從IC設(shè)計到輸出，以及最后的加工服務(wù)，豐富完善的功能為每個IC設(shè)計者和生產(chǎn)商提供了快速、易用、精確的設(shè)計系統(tǒng)2。2 四輸入或非門2.1 四輸入或非門的電路結(jié)構(gòu)四輸入或非門是最常用的基本功能電路之一，廣泛應(yīng)用于數(shù)字邏輯電路電路設(shè)計中。在本次課程設(shè)計中，采用CMOS管實現(xiàn)或非邏輯結(jié)構(gòu)，CMOS邏輯門電路功耗極低，成本低，電源電壓范圍寬，邏輯度高，抗干擾能力強，輸入阻抗高，扇出能力強2。用N溝通

10、增強型場效應(yīng)管構(gòu)成的邏輯電路稱為NMOS電路；用P溝道場效應(yīng)管構(gòu)成的邏輯電路稱為PMOS電路；CMOS電路則是NMOS和PMOS的互補型電路。四輸入或非門真值表如表1。表1 四輸入或非門的真值表本次設(shè)計的四輸入或非門有8個MOS管組成，其中4個NMOS，4個PMOS，只要一個輸入端為高電平（假設(shè)B為高電平），則與B相連的PMOS截止，NMOS導(dǎo)通，形成該輸出Y到地的通路，阻斷VCC到Y(jié)的通路，形成一個截止PMOS（無窮大電阻）與導(dǎo)通NMOS（有限的下拉電阻）的分壓電路，因此輸出Y為低電平；若輸入均為低電平，則左右的NMOS都截止，PMOS都導(dǎo)通，形成VCC到Y(jié)的通路，因此輸出為高電平。原理圖如

11、圖1。圖1 四輸入或非門的原理圖2.2 四輸入或非門的電路設(shè)計與仿真2.2.1 ORCAD軟件介紹ORCAD 是一套在個人電腦的電子設(shè)計自動化套裝軟件，專門用來讓電子工程師設(shè)計電路圖及相關(guān)圖表，設(shè)計印刷電路板所用的印刷圖，及電路的模擬之用。ORCAD Capture CIS在原理圖輸入基礎(chǔ)上，加入了強大的元件信息系統(tǒng)，可用于創(chuàng)建、跟蹤和認(rèn)證元件，便于優(yōu)選庫和已有元件庫的重用。圖形化、平面化和層次化設(shè)計能力提高了原理圖設(shè)計效率，集中管理物料編號和器件信息，可進行數(shù)據(jù)流程、封裝以及互聯(lián)的在線設(shè)計規(guī)則檢查，這種簡單的原理圖輸入技術(shù)讓設(shè)計師能夠更好的發(fā)揮他們的創(chuàng)造力，專注于電路設(shè)計，而不是忙碌于工具層

12、面的操作6。2.2.2 繪制電路圖使用ORCAD軟件按照四輸入或非門的原理圖繪制電路，選擇合適的元件及端口，繪制的原理圖如圖2。在該電路中，PMOS和NMOS呈現(xiàn)對稱狀態(tài)，PMOS組成上拉通路，NMOS組成下拉通路。各個MOS管的狀態(tài)和輸出Y隨著輸入A、B、C、D的變化狀態(tài)如表3.1所示（“高”指高電平，“低”指低電平）。圖2 用ORCAD繪制的四輸入或非門的電路圖2.2.3 電路仿真為驗證此異或門的正確性，需要進行仿真以驗證它的正確性。查看電路圖中各偏置點電壓，電流和功耗情況如圖3所示。從圖3可以看出各個MOS管的導(dǎo)通電壓在nV級，截止電流僅為pA級，靜態(tài)功耗為在pW級以下，電路靜態(tài)功耗很小

13、4。各處的電壓、電流和功耗值均在正常范圍內(nèi)，單從偏置點情況來看，電路工作正常。圖3 各偏置點電壓，電流和功耗情況對原理圖進行仿真。給四輸入或非門的輸入端加入激勵信號。仿真中高電平為V1=5V，低電平為GND。進行仿真，輸出波形。波形圖如下圖4。圖4 四輸入或非門電路輸入輸出波形圖由圖4波形可以看出，激勵源的波形具有一般性，而且輸入A、B、C、D和輸出Y的波形圖滿足或非運算關(guān)系。2.4 四輸入或非門的版圖繪制2.4.1 L-EDIT軟件介紹L-EDIT是Tanner Tools Pro工具軟件中的一個軟件包，可以在同一窗口中進行版圖設(shè)計、設(shè)計規(guī)則檢查、網(wǎng)表提取、標(biāo)準(zhǔn)單元自動布局與布線等工作。L-

14、Edit對掩膜版層數(shù)、分層數(shù)和單元數(shù)沒有限制，基本圖形有矩形、多邊形、圓、線和標(biāo)注等，并可處理90°、45°和任意角；用戶可以設(shè)置調(diào)色板、線型、放大和縮??；輸入輸出有TDB、CIF和GDSII三種格式；可在繪圖機和普通打印機上實現(xiàn)輸出硬拷貝1。另外L-Edit將Tanner Tools中除NetTran、Gate Sim和LVS之外的其它所有功能集成在自己的環(huán)境中，包括SPR（自動布局布線）、DRC（版圖幾何規(guī)則檢查）、Extract（版圖參數(shù)提?。┖虲SV（Cross-Section Viewer，版圖橫截面觀察）等。2.4.2 版圖繪制根據(jù)本次CMOS異或門的設(shè)計任務(wù)，

15、可以進行分層次設(shè)計繪制版圖，需要先把NMOS管和PMOS管cell單元繪制出來，然后再把CMOS反相器和需要用到的派生CMOS結(jié)構(gòu)繪制出來，最后利用這些cell單元進行連接，把CMOS或非門的版圖畫出來，完成本次版圖設(shè)計任務(wù)4。在L-EDIT的使用中需要注意L-EDIT的編輯環(huán)境是預(yù)設(shè)在P型基板上的，故在P基板上繪制PMOS的第一步是作出N-well區(qū)，即需要預(yù)設(shè)N阱區(qū)3；各個圖層的繪制無先后順序；要及時進行DRC檢查以排除錯誤，繪制每一個圖層都要及時進行DRC檢查。PMOS器件的版圖如圖4所示。左為襯底版圖，右為源柵漏三極版圖。圖5 PMOS版圖NMOS器件的版圖如圖5所示。左為襯底版圖，右

16、為源柵漏三極版圖。圖6 NMOS版圖圖7 輸入端口版圖將NMOS、PMOS、襯底、輸入、輸出用金屬圖層鏈接起來，繪制出完整的版圖，如圖8。 圖8 四輸入或非門電路版圖將繪制的cell單元的版圖進行組合，并進行各層的最終連接，便可得到CMOS四輸入或非門的版圖，在各層的繪制過程中都可以對版圖進行截面觀察，全部完成后在版圖的部分的截圖如圖7和圖8所示。圖9 版圖截面圖上圖10 版圖截面圖下最后得到CMOS四輸入或非門的版圖，在各層的繪制過程中都要及時進行DRC檢查，以便及時檢測版圖是否符合幾何設(shè)計規(guī)則，最終的DRC檢查結(jié)果如圖11所示。圖11 DRC驗證結(jié)果由圖9可以看出，CMOS四輸入或非門版圖

17、無DRC錯誤。至此，便完成了CMOS四輸入或非門版圖的制作。3 總結(jié)通過本次專項實踐的學(xué)習(xí)，綜合運用所學(xué)的知識完成了設(shè)計任務(wù)。使我更進一步熟悉了專業(yè)知識，并深入掌握仿真方法和工具、同時為集成設(shè)計打基礎(chǔ)的實踐環(huán)節(jié)。進一步熟悉設(shè)計中使用的主流工具，學(xué)習(xí)了良好的技術(shù)文檔撰寫方法；了解版圖設(shè)計；加深綜合對所學(xué)課程基礎(chǔ)知識和基本理論的理解好掌握，培養(yǎng)了綜合運用所學(xué)知識，獨立分析和解決工程技術(shù)問題的能力；培養(yǎng)了在理論計算、制圖、運用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范、查閱設(shè)計手冊與資料以及應(yīng)用工具等方面的能力，逐步樹立正確的設(shè)計思想。在老師布置好題目后，我仔細(xì)進行設(shè)計，通過查閱各種參考書籍，最終把實驗做出來了，達(dá)到了老師對本實驗

18、的要求。在這次設(shè)計中我收獲頗豐，首先最直接的收獲就是我鞏固了超大規(guī)模集成電路設(shè)計課程所學(xué)的知識，把它運用到實踐中去，并且學(xué)到了許多在課本中所沒有的知識。通過查閱相關(guān)知識，進一步加深對集成電路設(shè)計流程的了解。其次，我們不管做什么都不能粗心，如若畫版圖之前為添加正確的設(shè)計規(guī)則，就可能找不到本次設(shè)計需要的圖層6，整個版圖就要被丟棄，在此過程中雖然浪費了不少時間，但這也讓我注意到實際做設(shè)計時應(yīng)該應(yīng)該注意的問題，意識到自己的不足，對學(xué)過的知識了解不夠深刻，掌握的不足夠。通過對典型IC集成電路的原理圖和版圖的繪制及仿真，對模擬電路的工作原理有了進一步的了解。再借助ORCAD軟件和L-EDIT模擬電路的原理圖繪制及其版圖生成，熟悉了計算機輔助技術(shù)在此方面的應(yīng)用，以增強計算機輔助電路模擬與設(shè)計的信心?？偟膩碚f，這次設(shè)計還算成功，也讓我明白了要把理論知識與實踐結(jié)合起來，從實踐中強化自己的理論，才能更好提高自己的實際動手能力和獨立思考能力。如果在設(shè)計過程中遇到問題時，我們要有耐心的查找錯誤，這也是學(xué)習(xí)的過程。參考文獻1 權(quán)海洋.超大規(guī)