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1、北京工業(yè)大學(xué)集成電路板圖設(shè)計報告姓名:張靖維學(xué)號:120232242015年 6 月 1日目錄目錄11 緒論21.1 介紹21.1.1 集成電路的發(fā)展現(xiàn)狀21.1.2 集成電路設(shè)計流程及數(shù)字集成電路設(shè)計流程21.1.3 CAD發(fā)展現(xiàn)狀32 電路設(shè)計42.1 運算放大器電路42.1.1 工作原理42.1.2 電路設(shè)計42.2 D觸發(fā)器電路122.2.1 反相器122.2.2 傳輸門122.2.3 與非門132.2.4 D觸發(fā)器143 版圖設(shè)計153.1 運算放大器153.1.1 運算放大器版圖設(shè)計153.2 D觸發(fā)器163.2.1 反相器163.2.2 傳輸門163.2.3 與非門173.2.4

2、 D觸發(fā)器174 總結(jié)與體會181 緒論隨著晶體管的出現(xiàn),集成電路隨之產(chǎn)生,并極大地降低了電路的尺寸和成本。而由于追求集成度的提高,漸漸設(shè)計者不得不利用CAD工具設(shè)計集成電路的版圖,這樣大大提高了工作效率。在此單元中,我將介紹集成電路及CAD發(fā)展現(xiàn)狀,本次課設(shè)所用EDA工具的簡介以及集成電路設(shè)計流程等相關(guān)內(nèi)容。1.1 介紹1.1.1 集成電路的發(fā)展現(xiàn)狀2014年,在國家一系列政策密集出臺的環(huán)境下,在國內(nèi)市場強勁需求的推動下,我國集成電路產(chǎn)業(yè)整體保持平穩(wěn)較快增長,開始迎來發(fā)展的加速期。隨著產(chǎn)業(yè)投入加大、技術(shù)突破與規(guī)模積累,在可以預(yù)見的未來,集成電路產(chǎn)業(yè)將成為支撐自主可控信息產(chǎn)業(yè)的核心力量,成為推

3、動兩化深度融合的重要基礎(chǔ)。、1.1.2 集成電路設(shè)計流程及數(shù)字集成電路設(shè)計流程集成電路設(shè)計的流程一般先要進行軟硬件劃分,將設(shè)計基本分為兩部分:芯片硬件設(shè)計和軟件協(xié)同設(shè)計。 芯片硬件設(shè)計包括:功能設(shè)計階段,設(shè)計描述和行為級驗證,邏輯綜合,門級驗證(Gate-Level Netlist Verification),布局和布線。 模擬集成電路設(shè)計的一般過程:電路設(shè)計,依據(jù)電路功能完成電路的設(shè)計;.前仿真,電路功能的仿真,包括功耗,電流,電壓,溫度,壓擺幅,輸入輸出特性等參數(shù)的仿真;版圖設(shè)計(Layout),依據(jù)所設(shè)計的電路畫版圖;后仿真,對所畫的版圖進行仿真,并與前仿真比較,若達不到要求需修改或重新

4、設(shè)計版圖;后續(xù)處理,將版圖文件生成GDSII文件交予Foundry流片。數(shù)字集成電路設(shè)計流程 1. 設(shè)計 輸入電路圖或硬件描述語言 2. 邏輯綜合 處理硬件描述語言,產(chǎn)生電路網(wǎng)表 3. 系統(tǒng)劃分 將電路分成大小合適的塊 4. 功能仿真 5. 布圖規(guī)劃 芯片上安排各宏模塊的位置 6. 布局 安排宏模塊中標(biāo)準(zhǔn)單元的位置 7. 布線 宏模塊與單元之間的連接 8. 寄生參數(shù)提取 提取連線的電阻、電容 9. 版圖后仿真1.1.3 CAD發(fā)展現(xiàn)狀CAD/CAM技術(shù)20世紀(jì)50年代起源于美國,經(jīng)過近50年的發(fā)展,其技術(shù)和水平已經(jīng)到達了相當(dāng)成熟的階段。日本、法國、德國也相繼在機械制造、航空航天、汽車工業(yè)、建筑

5、化工等行業(yè)中廣泛使用CAD/CAM技術(shù)。CAD/CAM技術(shù)在發(fā)達國家已經(jīng)成為國民經(jīng)濟的重要支柱。 我國CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用起步于20世紀(jì)60年代末,經(jīng)過40多年的研究、開發(fā)與推廣應(yīng)用,CAD/CAM技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)各行各業(yè)。綜合來看,CAD/CAM技術(shù)的在國內(nèi)的應(yīng)用主要有以下幾個特點: (1) 起步晚、市場份額小我國 CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用從20世紀(jì)80年代開始,“七五”期間國家支持對24個重點機械產(chǎn)品進行了 CAD/CAM的開發(fā)研制工作,為我國 CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)。國家科委頒布實施的863計劃也大大促進了 CAD/CAM技術(shù)的研究和發(fā)展?!熬盼濉逼陂g國家科委又

6、頒發(fā)了19952000年我國 CAD/CAM應(yīng)用工程發(fā)展綱要,將推廣和應(yīng)用 CAD/CAM技術(shù)作為改造傳統(tǒng)企業(yè)的重要戰(zhàn)略措施。有些小企業(yè)由于經(jīng)濟實力不足、技術(shù)人才缺乏,CAD/CAM技術(shù)還不能夠完全應(yīng)用到生產(chǎn)實踐中。國內(nèi)研發(fā)的CAD/CAM軟件在包裝和功能上與發(fā)達國家還存在差距,市場份額小。 (2) 應(yīng)用范圍窄、層次淺CAD/CAM技術(shù)在企業(yè)中的應(yīng)用在CAD方面主要包括二維繪圖、三維造型、裝配造型、有限元分析和優(yōu)化設(shè)計等。其中CAD二維繪圖技術(shù)在企業(yè)應(yīng)用情況較好,這一方面得益于國家大力推進“甩圖板”工程,另一方面是由于二維繪圖技術(shù)解決的是所有企業(yè)的共性問題。三維造型軟件由于早期沒有推出微機版本

7、,需要在工作站環(huán)境中工作,投資較大,所以只有部分大企業(yè)有所應(yīng)用。在CAM方面,目前企業(yè)普遍應(yīng)用的只是數(shù)控程序編制,國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)開始廣泛使用華中數(shù)控系統(tǒng)、南京SKY系統(tǒng)、日本FUNUC系統(tǒng)、德國SIEMENS系統(tǒng)。而廣義的 CAM只有少數(shù)大型企業(yè)采用,中小企業(yè)極少應(yīng)用。 (3) 功能單一、經(jīng)濟效益不突CAD/CAM技術(shù)在企業(yè)中的應(yīng)用只是單元的智能技術(shù)應(yīng)用,是從企業(yè)生產(chǎn)的幾個側(cè)面來提高效率。功能分散的CAD/CAM技術(shù)其效果是有限的,只有將CAD、CAPP、CAM、PDM等技術(shù)集成在一起,綜合應(yīng)用在設(shè)計與制造生產(chǎn)的過程中 ,才能產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益。2 電路設(shè)計2.1 運算放大器電路 運算放大器是具

8、有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實際電路中,通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。它是一種帶有特殊耦合電路及反饋的放大器。其輸出信號可以是輸入信號加、減或微分、積分等數(shù)學(xué)運算的結(jié)果。2.1.1 工作原理 運放有兩個輸入端a(反相輸入端),b(同相輸入端)和一個輸出端o。也分別被稱為倒向輸入端非倒向輸入端和輸出端。當(dāng)電壓U-加在a端和公共端(公共端是電壓為零的點,它相當(dāng)于電路中的參考結(jié)點。)之間,且其實際方向從a 端高于公共端時,輸出電壓U實際方向則自公共端指向o端,即兩者的方向正好相反。當(dāng)輸入電壓U+加在b端和公共端之間,U與U+兩者的實際方向相對公共端恰好相同。為了區(qū)別起見,a端和b 端分別用&

9、quot;-"和"+"號標(biāo)出,但不要將它們誤認(rèn)為電壓參考方向的正負(fù)極性。電壓的正負(fù)極性應(yīng)另外標(biāo)出或用箭頭表示。 一般可將運放簡單地視為:具有一個信號輸出端口(Out)和同相、反相兩個高阻抗輸入端的高增益直接耦合電壓放大單元,因此可采用運放制作同相、反相及差分放大器。運放的供電方式分雙電源供電與單電源供電兩種。對于雙電源供電運放,其輸出可在零電壓兩側(cè)變化,在差動輸入電壓為零時輸出也可置零。采用單電源供電的運放,輸出在電源與地之間的某一范圍變化。運放的輸入電位通常要求高于負(fù)電源某一數(shù)值,而低于正電源某一數(shù)值。經(jīng)過特殊設(shè)計的運放可以允許輸入電位在從負(fù)電源到正電源的整個區(qū)

10、間變化,甚至稍微高于正電源或稍微低于負(fù)電源也被允許。這種運放稱為軌到軌(rail-to-rail)輸入運算放大器。運算放大器的輸出信號與兩個輸入端的信號電壓差成正比,在音頻段有:輸出電壓=A0(E1-E2),其中,A0 是運放的低頻開環(huán)增益(如 100dB,即 100000 倍),E1 是同相端的輸入信號電壓,E2 是反相端的輸入信號電壓。2.1.2 電路設(shè)計1、啟動Aether :在完成啟動環(huán)境設(shè)置后,通過cd命令進入到用戶的設(shè)計目錄,輸入工具的啟動命令A(yù)ether,啟動工具界面 %> cd <work_dir> %> aether 2、 設(shè)置PDK和創(chuàng)建設(shè)計庫 :本

11、次課設(shè)將基于018um_PDK進行電路的設(shè)計,我們需要完成018um_PDK的添加。在DM中,激活Tools->Library Path Editor,將彈出Library Path Editor編輯窗口, 在Library Path Editor編輯窗口中,激活Edit->Add Library,進行018um_PDK的添加,在Add Library窗口中,點擊OK button,即完成library的添加。3、 創(chuàng)建設(shè)計庫:在DM的窗口中,通過菜單命令File->New Library激活New Library命令; 在激活New Library后,彈出New Libra

12、ry創(chuàng)建窗口;在New Library的窗口中進行相應(yīng)的指定,點擊OK,既可以完成Library的創(chuàng)建。4、 創(chuàng)建放大器電路原理圖:在Design Manager中,通過菜單命令FileNew Cell/View。在彈出的New Cell/View對話框中,在對話框中分別進行設(shè)置,完成 design/cp_amp/schematic 的創(chuàng)建,當(dāng)點擊New Cell/View窗口中的OK鍵,原理圖編輯器Schematic Editor將自動彈出原理圖編輯界面。5、添加元器件Instance: 接下來,介紹通過Create Instance/Copy/Move/Stretch命令完成放大器電路的器

13、件添加。首先,通過Create Instance命令完成器件的創(chuàng)建,如圖3-4所示。 1)通過菜單CreateInstance命令彈出Create Instance選項設(shè)置窗口;2)點擊Browse Button,在Browse窗口中將Library/Cell/View選擇為 018um_PDK/p18/symbol;3)在Create Instance窗口中將p18的參數(shù)值設(shè)置為:Length=0.6u,Entry Switch=FingerWidth,F(xiàn)inger Width=8u, Fingers=4 ,SD Metal Width=0.23u;通過快捷鍵<RMB>/<

14、Shift+RMB>/<Ctrl+RMB>實現(xiàn)對器件 的R90/MY/MX操作4)p18的symbol卡通將出現(xiàn)在Schematic Editor編輯區(qū)中;在Schematic Editor 編輯區(qū)內(nèi),通過鼠標(biāo)移動可以進行p18擺放位置的移動,點擊鼠標(biāo)左鍵 (LMB)確定p18的擺放外置,完成p18的創(chuàng)建。6、 修改MOS器件的Property : 1)選中需要修改參數(shù)的MOS器件2)選中MOS器件后,激活Property命令3)Property命令被激活后,將調(diào)出的Edit Instance Properties窗口,在Edit Instance Properties窗口中

15、,即可完成對MOS器件的參數(shù)修改4) 當(dāng)選中多個器件時,可以通過First, Next, Previous和Last進行切換。7、 創(chuàng)建輸入輸出 Pin :通過菜單命令Created Pin;Cretae Pin命令激活后,將彈出Create Pin窗口,可以進行Pin Name的添加。8、添加連線Wire :接下來,我們要對已經(jīng)擺放好的MOS器件和Pins完成Wire連線。 1)通過菜單Created Wire、快捷鍵<W>方式激活命令。2)激活Create Wire命令后,單擊<F3>鍵,可以彈出Create Wire選項設(shè)置窗 口; 3)在Schematic Ed

16、itor中,通過單擊鼠標(biāo)左鍵<LMB>,即可完成連線;9、Check/Check and Save : 完成放大器原理圖設(shè)計后,必須通過Check/Check and Save,對原理圖進行電學(xué)規(guī)則(ERC) 檢查,以確保原理圖的正確性。 激活Check and Save命令,分別完成對原理圖數(shù)據(jù)的Save操作和電學(xué)規(guī)則的檢查, 并將Check的結(jié)果顯示在Check & Save Report窗口中;通過Verify->Finde Marker命令顯示Check信息,對ERC錯誤進行詳細(xì)定位。 已經(jīng)完成的運算放大器的原理圖如下:2.2 D觸發(fā)器電路 D觸發(fā)器:該觸發(fā)器

17、由4個與非門組成,其中G1和G2構(gòu)成基本RS觸發(fā)器。電平觸發(fā)的主從觸發(fā)器工作時,必須在正跳沿前加入輸入信號。如果在CP 高電平期間輸入端出現(xiàn)干擾信號,那么就有可能使觸發(fā)器的狀態(tài)出錯。而邊沿觸發(fā)器允許在CP 觸發(fā)沿來到前一瞬間加入輸入信號。這樣,輸入端受干擾的時間大大縮短,受干擾的可能性就降低了。2.2.1 反相器 反相器是可以將輸入信號的相位反轉(zhuǎn)180度,這種電路應(yīng)用在模擬電路,比如說音頻放大,時鐘振蕩器等。在電子線路設(shè)計中,經(jīng)常要用到反相器2.2.2 傳輸門 所謂傳輸門(TG)就是一種傳輸模擬信號的模擬開關(guān)。CMOS傳輸門由一個P溝道和一個N溝道增強型MOSFET并聯(lián)而成2.2.3 與非門

18、與非門是數(shù)字電路的一種基本邏輯電路。若當(dāng)輸入均為高電平(1),則輸出為低電平(0);若輸入中至少有一個為低電平(0),則輸出為高電平(1)。與非門可以看作是與門和非門的疊加。2.2.4 D觸發(fā)器該D觸發(fā)器電路由4個與非門,4個傳輸門以及三個反相器組成,如下3 版圖設(shè)計首先,設(shè)計版圖的基礎(chǔ)便是電路的基本原理,以及電路的工作特性,硅加工工藝的基礎(chǔ)、 以及通用版圖的設(shè)計流程,之后要根據(jù)不同的工藝對應(yīng)不同的設(shè)計規(guī)則,一般來說通用的版圖設(shè)計流程為制定版圖規(guī)劃記住要制定可能會被遺忘的特殊要求清單設(shè)計實現(xiàn)考慮特殊要求及如何布線創(chuàng)建組元并對其進行布局版圖驗證執(zhí)行基于計算機的檢查和目視檢查,進行校正工作最終步驟

19、工程核查以及版圖核查版圖參數(shù)提取與后仿真3.1 運算放大器3.1.1 運算放大器版圖設(shè)計1、 在版圖繪制過程中,利用PDK本身的功能,將MOS管的柵極都連接起 來,省去手工布線連接?xùn)艠O的麻煩;2、 接下來是對各MOS的源漏極進行連接。以左下角的NM0和差分對管 NM2,NM3為例,NM0是作為尾電流源給其他兩個管子提供固定電流, 則應(yīng)將NM0的漏極跟 NM2,NM3共同的源極相接。因為Metal1已經(jīng) 用于連接?xùn)艠O,所以使用Metal2走線, 在NM0的漏極加上從Metal1 到Metal2的Via M2_M1,同理連接好其他MOS;3、 按F3彈出選項設(shè)置窗口,確定勾選上Auto Detec

20、t Edge 和With Same Layout,這兩個選項可以保證不會錯誤產(chǎn)生其他層的連線,使所繪制 連線寬度保持和自動探測到的Via中已有Metal2寬度一致;4、 完成該版圖的后一步是添加Guardring,Guardring的作用一般有兩個: 為NMOS提供襯底連接以杜絕栓鎖效應(yīng)(Latch-up);隔離噪聲。3.2 D觸發(fā)器為了方便D觸發(fā)器的版圖設(shè)計1、 反相器、傳輸門、與非門這三個模塊的版圖要采用一致的高度5.34;2、 橫向的走線盡量采用M2,豎向的走線盡量采用M13、 D觸發(fā)器版圖采用兩行分布;3.2.1 反相器3.2.2 傳輸門3.2.3 與非門3.2.4 D觸發(fā)器4 總結(jié)與體會通過集成電路版圖設(shè)計的課程,我學(xué)會了統(tǒng)籌的安排版圖的各部分,這是在其他課上沒有學(xué)習(xí)到的。這次僅僅通過電路圖來自己想,自己畫版圖,大大鍛煉了我的識圖以及畫圖能力。版圖課程設(shè)計的過程中,不斷地學(xué)習(xí)與實踐,我了解了版圖設(shè)計這一領(lǐng)域中不少的知識。版圖設(shè)計從普通N/P MOS管的畫圖到觸發(fā)器等各種復(fù)雜電路圖的制作中,從單一的小元器件到整個電路圖,每一個N/P MOS 管都發(fā)揮著自

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