集成电路版图设计报告

北京工业大学北京工业大学集成电路板图设计报告姓名：张靖维学号：120232242015年 6 月 1日目录目录11 绪论21.1 介绍21.1.1 集成电路的发展现状21.1.2 集成电路设计流程及数字集成电路设计流程21.1.3 CAD发展现状32 电路设计42.1 运算放大器电路42.1.1 工作原理42.1.2 电路设计42.2 D触发器电路122.2.1 反相器122.2.2 传输门122.2.3 与非门132.2.4 D触发器143 版图设计153.1 运算放大器153.1.1 运算放大器版图设计153.2 D触发器163.2.1 反相器163.2.2 传输门163.2.3 与非门173.2.4 D触发器174 总结与体会181 绪论随着晶体管的出现，集成电路随之产生，并极大地降低了电路的尺寸和成本。而由于追求集成度的提高，渐渐设计者不得不利用CAD工具设计集成电路的版图，这样大大提高了工作效率。在此单元中，我将介绍集成电路及CAD发展现状，本次课设所用EDA工具的简介以及集成电路设计流程等相关内容。1.1 介绍1.1.1 集成电路的发展现状2014年，在国家一系列政策密集出台的环境下，在国内市场强劲需求的推动下，我国集成电路产业整体保持平稳较快增长，开始迎来发展的加速期。随着产业投入加大、技术突破与规模积累，在可以预见的未来，集成电路产业将成为支撑自主可控信息产业的核心力量，成为推动两化深度融合的重要基础。、1.1.2 集成电路设计流程及数字集成电路设计流程集成电路设计的流程一般先要进行软硬件划分，将设计基本分为两部分：芯片硬件设计和软件协同设计。 芯片硬件设计包括：功能设计阶段，设计描述和行为级验证，逻辑综合，门级验证（Gate-Level Netlist Verification），布局和布线。 模拟集成电路设计的一般过程：电路设计，依据电路功能完成电路的设计；.前仿真，电路功能的仿真，包括功耗，电流，电压，温度，压摆幅，输入输出特性等参数的仿真；版图设计（Layout），依据所设计的电路画版图；后仿真，对所画的版图进行仿真，并与前仿真比较，若达不到要求需修改或重新设计版图；后续处理，将版图文件生成GDSII文件交予Foundry流片。数字集成电路设计流程 1. 设计 输入电路图或硬件描述语言 2. 逻辑综合 处理硬件描述语言，产生电路网表 3. 系统划分 将电路分成大小合适的块 4. 功能仿真 5. 布图规划 芯片上安排各宏模块的位置 6. 布局 安排宏模块中标准单元的位置 7. 布线 宏模块与单元之间的连接 8. 寄生参数提取 提取连线的电阻、电容 9. 版图后仿真1.1.3 CAD发展现状CAD/CAM技术20世纪50年代起源于美国,经过近50年的发展,其技术和水平已经到达了相当成熟的阶段。日本、法国、德国也相继在机械制造、航空航天、汽车工业、建筑化工等行业中广泛使用CAD/CAM技术。CAD/CAM技术在发达国家已经成为国民经济的重要支柱。 我国CAD/CAM技术的应用起步于20世纪60年代末,经过40多年的研究、开发与推广应用,CAD/CAM技术已经广泛应用于国内各行各业。综合来看,CAD/CAM技术的在国内的应用主要有以下几个特点: (1) 起步晚、市场份额小我国 CAD/CAM技术应用从20世纪80年代开始,“七五”期间国家支持对24个重点机械产品进行了 CAD/CAM的开发研制工作,为我国 CAD/CAM技术的发展奠定了一定的基础。国家科委颁布实施的863计划也大大促进了 CAD/CAM技术的研究和发展。“九五”期间国家科委又颁发了19952000年我国 CAD/CAM应用工程发展纲要,将推广和应用 CAD/CAM技术作为改造传统企业的重要战略措施。有些小企业由于经济实力不足、技术人才缺乏,CAD/CAM技术还不能够完全应用到生产实践中。国内研发的CAD/CAM软件在包装和功能上与发达国家还存在差距,市场份额小。 (2) 应用范围窄、层次浅CAD/CAM技术在企业中的应用在CAD方面主要包括二维绘图、三维造型、装配造型、有限元分析和优化设计等。其中CAD二维绘图技术在企业应用情况较好,这一方面得益于国家大力推进“甩图板”工程,另一方面是由于二维绘图技术解决的是所有企业的共性问题。三维造型软件由于早期没有推出微机版本,需要在工作站环境中工作,投资较大,所以只有部分大企业有所应用。在CAM方面,目前企业普遍应用的只是数控程序编制,国内企业已经开始广泛使用华中数控系统、南京SKY系统、日本FUNUC系统、德国SIEMENS系统。而广义的 CAM只有少数大型企业采用,中小企业极少应用。 (3) 功能单一、经济效益不突CAD/CAM技术在企业中的应用只是单元的智能技术应用,是从企业生产的几个侧面来提高效率。功能分散的CAD/CAM技术其效果是有限的,只有将CAD、CAPP、CAM、PDM等技术集成在一起,综合应用在设计与制造生产的过程中 ,才能产生显著的经济效益。2 电路设计2.1 运算放大器电路 运算放大器是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器。其输出信号可以是输入信号加、减或微分、积分等数学运算的结果。2.1.1 工作原理 运放有两个输入端a（反相输入端），b（同相输入端）和一个输出端o。也分别被称为倒向输入端非倒向输入端和输出端。当电压U-加在a端和公共端（公共端是电压为零的点，它相当于电路中的参考结点。）之间，且其实际方向从a 端高于公共端时，输出电压U实际方向则自公共端指向o端，即两者的方向正好相反。当输入电压U+加在b端和公共端之间，U与U+两者的实际方向相对公共端恰好相同。为了区别起见，a端和b 端分别用-和+号标出，但不要将它们误认为电压参考方向的正负极性。电压的正负极性应另外标出或用箭头表示。 一般可将运放简单地视为：具有一个信号输出端口（Out）和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元，因此可采用运放制作同相、反相及差分放大器。运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种。对于双电源供电运放，其输出可在零电压两侧变化，在差动输入电压为零时输出也可置零。采用单电源供电的运放，输出在电源与地之间的某一范围变化。运放的输入电位通常要求高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值。经过特殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许。这种运放称为轨到轨（rail-to-rail）输入运算放大器。运算放大器的输出信号与两个输入端的信号电压差成正比，在音频段有：输出电压=A0（E1-E2），其中，A0 是运放的低频开环增益（如 100dB，即 100000 倍），E1 是同相端的输入信号电压，E2 是反相端的输入信号电压。2.1.2 电路设计1、启动Aether ：在完成启动环境设置后，通过cd命令进入到用户的设计目录，输入工具的启动命令Aether，启动工具界面 % cd % aether 2、 设置PDK和创建设计库 ：本次课设将基于018um_PDK进行电路的设计，我们需要完成018um_PDK的添加。在DM中，激活Tools-Library Path Editor，将弹出Library Path Editor编辑窗口， 在Library Path Editor编辑窗口中，激活Edit-Add Library，进行018um_PDK的添加，在Add Library窗口中，点击OK button，即完成library的添加。3、 创建设计库：在DM的窗口中，通过菜单命令File-New Library激活New Library命令； 在激活New Library后，弹出New Library创建窗口；在New Library的窗口中进行相应的指定，点击OK，既可以完成Library的创建。4、 创建放大器电路原理图：在Design Manager中，通过菜单命令FileNew Cell/View。在弹出的New Cell/View对话框中，在对话框中分别进行设置，完成 design/cp_amp/schematic 的创建，当点击New Cell/View窗口中的OK键，原理图编辑器Schematic Editor将自动弹出原理图编辑界面。5、添加元器件Instance： 接下来，介绍通过Create Instance/Copy/Move/Stretch命令完成放大器电路的器件添加。首先，通过Create Instance命令完成器件的创建，如图3-4所示。 1）通过菜单CreateInstance命令弹出Create Instance选项设置窗口；2）点击Browse Button，在Browse窗口中将Library/Cell/View选择为 018um_PDK/p18/symbol；3）在Create Instance窗口中将p18的参数值设置为：Length=0.6u，Entry Switch=FingerWidth，Finger Width=8u， Fingers=4 ，SD Metal Width=0.23u；通过快捷键/实现对器件 的R90/MY/MX操作4）p18的symbol卡通将出现在Schematic Editor编辑区中；在Schematic Editor 编辑区内，通过鼠标移动可以进行p18摆放位置的移动，点击鼠标左键 (LMB)确定p18的摆放外置，完成p18的创建。6、 修改MOS器件的Property ： 1）选中需要修改参数的MOS器件2）选中MOS器件后，激活Property命令3）Property命令被激活后，将调出的Edit Instance Properties窗口，在Edit Instance Properties窗口中，即可完成对MOS器件的参数修改4） 当选中多个器件时，可以通过First, Next, Previous和Last进行切换。7、 创建输入输出 Pin ：通过菜单命令Created Pin；Cretae Pin命令激活后，将弹出Create Pin窗口，可以进行Pin Name的添加。8、添加连线Wire ：接下来，我们要对已经摆放好的MOS器件和Pins完成Wire连线。 1）通过菜单Created Wire、快捷键方式激活命令。2）激活Create Wire命令后，单击键，可以弹出Create Wire选项设置窗 口； 3）在Schematic Editor中，通过单击鼠标左键，即可完成连线； 9、Check/Check and Save ： 完成放大器原理图设计后，必须通过Check/Check and Save，对原理图进行电学规则（ERC) 检查，以确保原理图的正确性。 激活Check and Save命令，分别完成对原理图数据的Save操作和电学规则的检查， 并将Check的结果显示在Check & Save Report窗口中；通过Verify-Finde Marker命令显示Check信息，对ERC错误进行详细定位。 已经完成的运算放大器的原理图如下：2.2 D触发器电路 D触发器：该触发器由4个与非门组成，其中G1和G2构成基本RS触发器。电平触发的主从触发器工作时，必须在正跳沿前加入输入信号。如果在CP 高电平期间输入端出现干扰信号，那么就有可能使触发器的状态出错。而边沿触发器允许在CP 触发沿来到前一瞬间加入输入信号。这样，输入端受干扰的时间大大缩短，受干扰的可能性就降低了。2.2.1 反相器 反相器是可以将输入信号的相位反转180度，这种电路应用在模拟电路，比如说音频放大，时钟振荡器等。在电子线路设计中，经常要用到反相器2.2.2 传输门 所谓传输门（TG）就是一种传输模拟信号的模拟开关。CMOS传输门由一个P沟道和一个N沟道增强型MOSFET并联而成2.2.3 与非门 与非门是数字电路的一种基本逻辑电路。若当输入均为高电平（1），则输出为低电平（0）；若输入中至少有一个为低电平（0），则输出为高电平（1）。与非门可以看作是与门和非门的叠加。2.2.4 D触发器该D触发器电路由4个与非门，4个传输门以及三个反相器组成，如下3 版图设计首先，设计版图的基础便是电路的基本原理，以及电路的工作特性，硅加工工艺的基础、 以及通用版图的设计流程，之后要根据不同的工艺对应不同的设计规则，一般来说通用的版图设计流程为制定版图规划记住要制定可能会被遗忘的特殊要求清单设计实现考虑特殊要求及如何布线创建组元并对其进行布局版图验证执行基于计算机的检查和目视检查，进行校正工作最终步骤工程核查以及版图核查版图参数提取与后仿真3.1 运算放大器3.1.1 运算放大器版图设计1、 在版图绘制过程中，利用PDK本身的功能，将MOS管的栅极都连接起 来，省去手工布线连接栅极的麻烦；2、 接下来是对各MOS的源漏极进行连接。以左下角的NM0和差分对管 NM2，NM3为例，NM0是作为尾电流源给其他两个管子提供固定电流， 则应将NM0的漏极跟 NM2，NM3共同的源极相接。因为Metal1已经 用于连接栅极，所以使用Metal2走线， 在NM0的漏极加上从Metal1 到Metal2的Via M2_M1，同理连接好其他MOS；3、 按F3弹出选项设置窗口，确定勾选上Auto Detect Edge 和With Same Layout，这两个选项可以保证不会错误产生其他层的连线，使所绘制 连线宽度保持和自动探测到的Via中已有Metal2宽度一致；4、 完成该版图的后一步是添加Guardring，Guardring的作用一般有两个： 为NMOS提供衬底连接以杜绝栓锁效应（Latch-up)；隔离噪声。3.2 D触发器为了方便D触发器的版图设计1、 反相器、传输门、与非门这三个模块的版图要采用一致的高度5.34；2、 横向的走线尽量采用M2,竖向的走线尽量采用M13、 D触发器版图采用两行分布；3.2.1 反相器3.2.2 传输门3.2.3 与非门3.2.4 D触发器4 总结与体会通过集成电路版图设计的课程，我学会了统筹的安排版图的各部分，这是在其他课上没有学习到的。这次仅仅通过电路图来自己想，自己画版图，大大锻炼了我的识图以及画图能力。版图课程设计的过程中，不断地学习与实践，我了解了版图设计这一领域中不少的知识。版图设计从普通N/P MOS管的画图到触发器等各种复杂电路图的制作中，从单一的小元器件到整个电路图，每一个N/P MOS 管都发挥着自己的独特的应用。再对于总的电路图来说，更有着自己的作用。 画电路的时候，我们先在编辑器中画出我们所想象出来的电路图，并且自己先验证电路的效果。接着，打开版图编辑器，对照电路图，找到合适的MOS管，采用最简单、最有效的连接方式，最终画出电路图所对应的版图，对版图保存，然后，进行DRC和LVS验证，修改其中的错误，改正，再继续验证，直到版图不在有错误。所以在画版图的时候，我们切记不要急躁。因为一旦急躁起来，就会犯错误。要么是距离规则弄错了，要么是布线布局都不合理。 在课程中极大地提高自己的动手能力，版图设计的时候，每画出一部分的版图都要DRC一下，确认没有错误再进行下一步的版图设计。从中我也体会到需要细心，耐心，才能够画好一个版图，也只有这样才能做好课程设计，甚至每一份工作，都需要有这样的素质。后期的LVS检测是一个最重要的，也是最为辛苦的部分。往往看起来画出的版图和原理图应该是完全对等的，可是在LVS中总是提示not equal，只能耐心的阅读英文提示，并且从相关信息中判断出错的地方，改正最后成功通过了LVS测试。 这一次的课程设计我觉得受益匪浅，以前的理论知识是远远不足的，通过课程设计，自己自主的查阅资料，了解了很多相关的知识，使自己的知识储备得到扩充，也提升了自己的自学能力和设计能力。通过理论结合实际，在进行课程设计的过程中，把自己学到的知识成功的运用在了实际生产设计上面，让理论与实际有效地结合，这是一种能力的升华。在设计的过程中遇到了很多困难，都通过自己的细心和耐心最终解决了困难。当然其中也有老师和同学们的悉心指导和无私帮助，在这里致以由衷的感谢！19