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文檔簡介
1、集成電路課程設計1. 目的與任務 本課程設計是集成電路分析與設計基礎的實踐課程,其主要目的是使學生在熟悉集成電路制造技術、半導體器件原理和集成電路分析與設計基礎上,訓練綜合運用已掌握的知識,利用相關軟件,初步熟悉和掌握集成電路芯片系統(tǒng)設計電路設計及模擬版圖設計版圖驗證等正向設計方法。2. 設計題目與要求2.1設計題目及其性能指標要求器件名稱:含兩個2-4譯碼器的74HC139芯片要求電路性能指標:(1) 可驅(qū)動10個LSTTL電路(相當于15pF電容負載);(2) 輸出高電平時,|IOH|20A,VOH,min=4.4V;(3) 輸出底電平時,|IOL|4mA,VOL,man=0.4V;(4)
2、 輸出級充放電時間tr=tf,tpd25ns;(5) 工作電源5V,常溫工作,工作頻率fwork=30MHz,總功耗Pmax150mW。2.2設計要求1. 獨立完成設計74HC139芯片的全過程;2. 設計時使用的工藝及設計規(guī)則: MOSIS:mhp_n12;3. 根據(jù)所用的工藝,選取合理的模型庫;4. 選用以lambda()為單位的設計規(guī)則;5. 全手工、層次化設計版圖;6. 達到指導書提出的設計指標要求。3. 設計方法與計算3.1 74HC139芯片簡介74HC139是包含兩個2線-4線譯碼器的高速CMOS數(shù)字電路集成芯片,能與TTL集成電路芯片兼容,它的管腳圖如圖1所示,其邏輯真值表如表
3、1所示:圖1 74HC139芯片管腳圖表1 74HC139真值表片選輸入數(shù)據(jù)輸出CsA1A0Y0Y1Y2Y30000111001101010110101111101××1111從圖1可以看出74HC139芯片是由兩片獨立的24譯碼器組成的,因此設計時只需分析其中一個24譯碼器即可,從真值表我們可以得出Cs為片選端,當其為0時,芯片正常工作,當其為1時,芯片封鎖。A1、A0為輸入端,Y0-Y3為輸出端,而且是低電平有效。24譯碼器的邏輯表達式,如下所示:74HC139的邏輯圖如圖2所示:圖2 74HC139邏輯圖3.2 電路設計本次設計采用的是m12_20的模型庫參數(shù)進行各級
4、電路的尺寸計算,其參數(shù)如下:NMOS: ox=3.9×8.85×1012F/m n=605.312×104/Vs tox=395×1010m Vtn=0.81056VPMOS: ox=3.9×8.85×1012F/m p=219×104/Vs tox=395×1010m Vtp=0.971428V3.2.1 輸出級電路設計根據(jù)要求輸出級電路等效電路圖如圖3所示,輸入Vi為前一級的輸出,可認為是理想的輸出,即VIL=Vss, VIH=VDD。圖3 輸出級電路(1) 輸出級N管(W/L)N的計算當輸入為高電平時,輸出為
5、低電平,N管導通,且工作在線性區(qū),而后級有較大的灌電流輸入,要求|IOL|4mA,VOL,man=0.4V,根據(jù)NMOS管理想電流分方程分段表達式: 因此, 則,(2) 輸出級P管(W/L)P的計算當輸入為低電平時,輸出為高電平,P管導通,且工作在線性區(qū)。同時要求N管和P管的充放電時間tr=tf,分別求出這兩個條件下的(W/L)P,min極限值,然后取大者。1. 以|IOH|20A,VOH,min=4.4V為條件計算(W/L)P,min極限值:用PMOS管的理想電流方程分段表達式: 因此, 則,2. N管和P管的充放電時間tr和tf表達式分別為 令tr=tf可以計算(W/l)p,min的值,計
6、算過程如下: 計算得出:則(W/L)P=140取其中的大值作為輸出級P管的尺寸,則(W/L)P=1403.2.2 內(nèi)部反相器中各MOS管的尺寸計算內(nèi)部基本反相器如圖4所示,它的N管和P管尺寸依據(jù)充放電時間tr和tf方程來求。關鍵點是先求出式中CL(即負載)。圖4 內(nèi)部反相器它的負載由以下三部分電容組成:本級漏極的PN結(jié)電容CPN;下級的柵電容Cg;連線雜散電容CS。 本級漏極的PN結(jié)電容CPN的計算 CPNCj×(Wb)+Cjsw×(2W+2b)其中Cj是每um2的結(jié)電容,Cjsw是每um的周界電容,b為有源區(qū)寬度,可從設計規(guī)則獲取。如若最小孔為2×2,孔與多晶硅
7、柵的最小間距為2,孔與有源區(qū)邊界的最小間距為2,則取b6。Cj和Cjsw可用相關公式計算,或從模型庫選取,或用經(jīng)驗數(shù)據(jù)。其中采用的模型庫參數(shù)如下所示: 總的漏極PN結(jié)電容應是N管和P管的總和,即: 注意:此處WN和WP都為國際單位 柵電容Cg的計算 CgCg,NCg,P(WNWP)L此處WN和WP為與本級漏極相連的下一級的N管和P管的柵極尺寸,近似取輸出級WN和WP的尺寸。將輸出級N管和P管的寬長比:(W/L)N=48和(W/L)P=140代入公式進行計算,根據(jù)設計規(guī)則,=0.6,L=2=1.2,代入得: 連線雜散電容CS CS一般CPNCg10CS,可忽略CS作用,因此可以得出:又因為: 令
8、,并把的值代入公式,根據(jù)2nS的條件,計算出WN和WP 的值。 即,使=2nS,即因此,所以,內(nèi)部反相器的尺寸為:3.2.3 內(nèi)部邏輯門MOS的尺寸計算內(nèi)部邏輯門的電路如圖5所示。根據(jù)截止延遲時間tpLH和導通延遲時間tpHL的要求,在最壞情況下,必須保證等效N管、P管的等效電阻與內(nèi)部基本反相器的相同,這樣三輸入與非門就相當于內(nèi)部基本反相器了。因此,N管的尺寸放大3倍,而P管尺寸不變,即:圖5 內(nèi)部邏輯門代入內(nèi)部反相器的尺寸得,內(nèi)部邏輯門的尺寸為: 3.2.4 輸入級設計由于本電路是與TTL兼容,TTL的輸入電平ViH可能為2.4V,如果按正常內(nèi)部反相器進行設計,則N1、P1構(gòu)成的CMOS將有
9、較大直流功耗。故采用如圖6所示的電路,通過正反饋的P2作為上提拉管,使ViH較快上升,減小功耗,加快翻轉(zhuǎn)速度。圖6 輸入級電路(1)輸入級提拉管P2的(W/L)P2的計算為了節(jié)省面積,同時又能使ViH較快上升,?。╓/L)P21。若取L=2,W=2,要特別注意版圖的畫法,不要違反設計幾何規(guī)則。為了方便畫版圖,此處的L允許取6。所以,(2)輸入級P1管(W/L)P1的計算此處P1管的尺寸取內(nèi)部反相器中P管的尺寸,則(3)輸出級N1管(W/L)N1的計算由于要與TTL電路兼容,而TTL的輸出電平在0.42.4V之間,因此要選取反相器的狀態(tài)轉(zhuǎn)變電平:又知:代入數(shù)據(jù)得:計算得到:又因為,所以,因此,3
10、.2.5緩沖級的設計(1)輸入緩沖級由74HC139的邏輯圖可知,在輸入級中有三個信號:Cs、A1、A0。其中Cs經(jīng)一級輸入反相器后,形成,用去驅(qū)動4個三輸入與非門,故需要緩沖級,使其驅(qū)動能力增加。同時為了用驅(qū)動,必須加入緩沖門。由于A1、A0以及各驅(qū)動內(nèi)部與非門2個,所以可以不用緩沖級。Cs的緩沖級設計過程如下:Cs的緩沖級與輸入級和內(nèi)部門的關系如圖7所示。圖中M1為輸入級,M2為內(nèi)部門,M3為緩沖級驅(qū)動門。M1的P管和N管的尺寸即為上述所述的。圖7 Cs的緩沖級輸入級CMOS反相器P1管和 N1管尺寸,M2的P管和N管的尺寸即為內(nèi)部基本反相器P1管和 N1管尺寸,M3的P管和N管的尺寸由級
11、間比值(相鄰級中MOS管寬度增加的倍數(shù))來確定。如果要求尺寸或功耗最佳,級間比值為210。具體可取。N為扇出系數(shù),它的定義是:在本例中,前級等效反相器柵的面積為M2的P管和N管的柵面積總和,下級柵的面積為4個三輸入與非門中與Cs相連的所有P管和N管的柵面積總和。因此,所以,(2)輸出緩沖級由于輸出級部分要驅(qū)動TTL電路,其尺寸較大,因而必須在與非門輸出與輸出級之間加入一級緩沖門M1,如圖8所示。將與非門M0等效為一個反相器,類似上述Cs的緩沖級設計,計算出M1的P管和N管的尺寸圖8 輸出緩沖級 同理,級間的扇出系數(shù)為:將內(nèi)部邏輯門等效為一個反相器,則其等效尺寸等于內(nèi)部反相器的尺寸,計算得出:所
12、以,3.2.6 輸入保護電路設計因為MOS器件的柵極有極高的絕緣電阻,當柵極處于浮置狀態(tài)時,由于某種原因(如觸摸),感應的電荷無法很快地泄放掉。而MOS器件的柵氧化層極薄,這些感應的電荷使得MOS器件的柵與襯底之間產(chǎn)生非常高的電場。該電場強度如果超過柵氧化層的擊穿極限,則將發(fā)生柵擊穿,使MOS器件失效,因此要設置保護電路。輸入保護電路有單二極管、電阻結(jié)構(gòu)和雙二極管、電阻結(jié)構(gòu)。圖9所示的為雙二極管、電阻結(jié)構(gòu)輸入保護電路。保護電路中的電阻可以是擴散電阻、多晶硅電阻或其他合金薄膜電阻,其典型值為300500。二極管的有效面積可取500m2,或用Shockley方程計算。輸入保護電路的版圖可按相關的版
13、圖設計要求自己設計,也可調(diào)用單元庫中的pad單元版圖。如果版圖設計中準備調(diào)用單元庫中的pad標準單元版圖,因其包含保持電路,就不必別外的保護電路設計。圖9 輸入保護電路至此,完成了全部器件的尺寸計算,匯總列出各級N管和P管的尺寸如下:輸入級: 內(nèi)部反相器: 輸入緩沖級: 內(nèi)部邏輯門: 輸出緩沖級: 輸出級: 3.3 功耗與延遲估算在估算延時、功耗時,從輸入到輸出選出一條級數(shù)最多的去路進行估算。在74HC139電路從輸入到輸出的所有各支路中,只有Cs端加入了緩沖級,其級數(shù)最多,延時與功耗最大,因此在估算74HC139芯片的延時、功耗時,就以Cs支路電路圖(如圖10所示)來簡化估算。圖103.3.
14、1 模型簡化由于在實際工作中,四個三輸入與非門中只有一個可被選通并工作,而另三個不工作,所以估算功耗時只估算上圖所示的支路即可。在Cs端經(jīng)三級反相器后,與四個三輸入與非門相連,但圖10所示的支路與另外不工作的三個三輸入與非門斷開了,所以用負載電容CL1來等效與另外三個不工作的三輸入與非門電路,而將工作的一個三輸入與非門的兩個輸入接高電平,只將Cs端信號加在反相器上。在X點之前的電路,由于A0,A1,Cs均為輸入級,雖然A0、A1比Cs少一個反相器,作為工程估算,可以認為三個輸入級是相同的,于是,估算功耗時對X點這前的部分只要計算Cs這一個支路,最后將結(jié)果乘以3倍就可以了。在X點之后的電路功耗,
15、則只計算一個支路。3.3.2 功耗估算CMOS電路的功耗中一般包括靜態(tài)功耗、瞬態(tài)功耗、交變功耗。由于CMOS電路忽略漏電,靜態(tài)功耗近似為0,工作頻率不高時,也可忽略交變功耗,則估算時只計算瞬態(tài)功耗PT即可。按下列公式計算瞬態(tài)功耗。其中:CPN為本級漏極PN結(jié)電容,按2.2.2相關公式計算Cg為與本級漏極相連的下一級柵電容,按2.2.2的Cg計算CS為從本級漏連接到下一級柵的連線雜散電容,其值較小,可忽略不計CL1為被斷開的三個三輸入與非門柵電容,按2.2.2的Cg計算CL為最后一級(即輸出級)的下一級柵電容,即負載電容15pFX前、X后表示Cs支路電路中X點之前或X點之后的所有器件因此,所以,
16、整個74HC139芯片的功耗為:3.3.3 延遲估算算出每一級等效反相器延遲時間,總的延遲時間為各級(共6級)延遲時間的總和。各級等效反相器延遲時間可用下式估算:各字母代表的意義如圖11所示。ttVoViVddVdd0t ftpLHtpHLt r0.5圖11由上面的計算可以看出,即最后一級(即輸出級)的下一級柵電容比起其它電容都大得多,在這里為了簡化運算,用最后一級功耗乘以級數(shù)進行估算,并假設每一級延遲都相同。所以,最后一級的延遲時間為:總延遲為: 因此該電路設計滿足設計要求。4. 電路模擬電路模擬中為了減小工作量,使用上述功耗與延遲估算部分用過的Cs支路電路圖。為了計算出功
17、耗,在兩個電源支路分別加入一個零值電壓源VI1和VI2,電壓值為零(如圖12所示),在模擬時進行直流掃描分析,然后就可得出功耗。圖12 電路模擬用Cs支路把此電路圖轉(zhuǎn)為SPICE文件,加入電路特性分析指令和控制語句,即可對電路進行仿真。采用前面所計算得到的各個器件的寬長比,進行第一次電路仿真,我發(fā)現(xiàn)有些仿真結(jié)果不是那么的理想,直流分析時的轉(zhuǎn)換電平Vs沒有達到1.4V,為了改變轉(zhuǎn)換電平,我對輸入級的尺寸進行適當?shù)匦薷?,使電路仿真符合設計要求。修改后的輸入級尺寸如下: 采用修改過的數(shù)據(jù),再一次進行電路仿真。 4.1 直流分析當Vcs由0.4V變化到2.4V的過程中,觀察波形得到閾值電壓(狀態(tài)轉(zhuǎn)變電
18、平)Vs。Vs的值應該為1.4V。直流分析的原理圖如圖13所示,其對應的SPICE文件如圖13所示,直流分析的輸入輸出電壓曲線如圖15所示。圖13 直流分析原理圖圖14 直流分析SPICE文件圖15 輸入輸出電壓曲線從圖15可以看出,轉(zhuǎn)變電平Vs大約在1.4V左右,符合設計要求。4.2 瞬態(tài)分析從波形中得到tPLH、tPHL、tr和tf,然后進行相關計算。瞬時分析的原理圖如圖16所示,其SPICE文件如圖17所示,仿真波形如圖18所示:圖16 瞬態(tài)分析原理圖圖17 瞬態(tài)分析SPICE文件圖18 瞬態(tài)分析波形圖從波形圖中得出:tr=3.5ns,tf=2.8ns,tpLH=2.8ns,tPHL=2
19、.1ns4.3 功耗分析對電壓源VI1和VI2進行直流掃描分析:“.dc lin source vI1 0 5 0.1 sweep lin source vI2 0 5 0.1 ”,輸出“.print dc p( VI1) p(VI2)”,從波形中得出p( VI1 )max和 p(VI2)max,總功耗:功耗分析的原理圖如圖19所示,其SPICE文件如圖20所示,功耗分析的波形如圖21所示:圖19 功耗分析原理圖圖20 功耗分析SPICE文件圖21 功耗分析波形圖從圖中可以看出 因此,滿足設計要求。5.版圖設計本次設計采用層次化,全手工設計版圖。所謂層次化設計版圖就是先設計單元版圖,由簡單的單
20、元版圖再組成較復雜的單元版圖,一層層設計,直至完成芯片的整體版圖。5.1 輸入級設計輸入級電路的版圖如圖22所示,由于提拉管的寬長比只有1,所以這里的多晶硅寬度采用6,而其它的MOS管的多晶硅均采用2。圖22 輸入級5.2 內(nèi)部反相器設計由于內(nèi)部反相器的NMOS尺寸比較小,將NMOS的源級和漏極的有源區(qū)擴大,保證能夠符合設計規(guī)則,其版圖如圖23所示。圖23 內(nèi)部反相器5.3 輸入緩沖級設計由于輸入緩沖級P管的尺寸比較的大,所以P管采用兩個PMOS并聯(lián)的方式進行設計,每個的寬長比都為9,其版圖如圖24所示圖24 輸入緩沖級5.4 內(nèi)部邏輯門設計內(nèi)部邏輯門是三輸入與非門,采用多條多晶硅進行設計,其
21、版圖如圖25所示圖25 內(nèi)部邏輯門5.5 輸出緩沖級設計由于輸出緩沖級P管的尺寸比較大,采用梳狀結(jié)構(gòu)進行設計,每個PMOS的寬長比為10,其版圖如圖26所示。圖26 輸出緩沖級5.6 輸出級設計從計算結(jié)果看出,輸出級的尺寸是各個單元電路里最大的,必須采用梳狀結(jié)構(gòu)進行設計,需要多個管進行并聯(lián)來實現(xiàn)較大的寬長比,其版圖如圖27所示。圖27 輸出級5.7 連接總電路圖每一級版圖都設計完成了,將各個級的版圖進行整合,連接成最終的電路圖,按照圖2所示的邏輯圖進行連接,得到最終的總電路版圖(見附錄)。得到電路版圖后,算是大部分工作完成了,但是總電路圖還需要加上焊盤,這里引入了PAD模塊焊盤,一方面作保護電
22、路使用,另一方面,則用來連接外部電路。5.8 版圖檢查5.8.1 版圖設計規(guī)則檢查(DRC)這一個操作與每一個子模塊的設計必須同步進行。做DRC檢查時應該分成小塊(單元)檢查。每一部分做成一個單元,每個單元進行DRC檢查。在全部通過后,將單元組合成電路,最終做一次全版圖的DRC,以確保全版圖正確??倛D的版圖設計規(guī)則檢查見圖28所示。圖28 總版圖DRC檢查由DRC檢查結(jié)果來看,總版圖符合其設計規(guī)則。5.8.2 電路網(wǎng)表匹配(LVS)檢查電路圖提取的網(wǎng)表文件(.sp)與版圖提取的網(wǎng)表文件(.spc),進行元件和節(jié)點的匹配檢查。如果匹配,表明版圖的連接及版圖中各管子的生成是正確的。因此,只要保證電
23、路圖是正確的,LVS檢查就可以驗證版圖的正確性。為了保證總電路圖的正確性,在每一級電路的設計過程中,我都進行了一次LVS檢查,在連完總電路版圖后,與總電路圖進行LVS檢查,看是否匹配,檢查結(jié)果如圖29所示圖29 LVS檢查5.8.3 版圖數(shù)據(jù)的提交所設計的版圖通過DRC和LVS的檢查,及ERC檢查(本次設計不做),然后轉(zhuǎn)換成制造掩膜用的碼流數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換成的碼流數(shù)據(jù)如圖30所示 圖30 版圖數(shù)據(jù)6. 總圖的整理到這里,原理圖以及版圖都設計完成了,對總的版圖和原理圖進行整理,見附錄A,附錄B7. 心得體會這次課程設計的主要內(nèi)容是集成電路芯片設計,歷時兩個星期,經(jīng)過這兩個星期的辛勞,收獲了兩個星期的成果。對于我來說,這個課程設計比起我以前所做的課程設計要專業(yè)得多,最初看到指導書時,面對那么多的公式,我有點不知所措,不知道怎么去設計一個74HC139芯片,我感到有點壓力。不過當我仔細地看著那份指導書時,我發(fā)現(xiàn)那些公式也并不是很難懂,其實那些公式都是上課時老師說過的,也是最基本的。于是我重獲信心,開始進行我的74HC139芯片設計。在第一個星期里,主要是進行芯片的尺寸計算,并進行電路仿真,經(jīng)過第一天的計算,我發(fā)現(xiàn)
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