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论文题目:CMOS反相器电路设计、仿真及版图设计学生姓名:欧阳倩学 号:20131060189专 业:通信工程任课教师:梁竹关摘要:本文着重介绍了LTspice和LASI软件的相关设计原理和简单的设计操作,对此,我首先将从电路的工作原理方面介绍CMOS4反相器的结构、特性及其电路工作原理。了解其工作原理是进行仿真和版图设计的基础。然后我选择利用LTspice来进行CMOS反相器的设计仿真以此来证实其设计正确性,之后采用LASI画出符合工业设计的CMOS反相器的版图。通过本次设计实验可以更加了解CMOS4反相器的工作原理,并掌握了CMOS4反相器的基本设计方法。关键词:CMOS反相器 LTspice LASI版图设计 封装测试目 录第一章 引言4第二章 CMOS反相器42.1 CMOS反相器的结构原理42.2 CMOS反相器的特性分析5第三章 CMOS反相器的电路仿真83.1 CMOS反相器的电路图设计93.2 CMOS反相器的仿真及结果分析11第四章 CMOS反相器的版图设计12结束语20参考文献21引言现在是一个电子信息高速发展得时代,电子产品无处不在,我们也越来越离不开各式各样的电子产品,集成电路作为电子产品的核心同样也受到了重视,电子设计也是当今社会的一大焦点问题,怎样才能设计出集性能、高效、便捷、低价为一体的电路器件又是当下人们急需解决的任务,因此培养集成设计人才也是众多高校重视的任务。以MOS管作为开关元件的门电路称为MOS门电路。由于MOS型集成门电路具有制造工艺简单、集成度高、功耗小以及抗干扰能力强等优点,因此它在数字集成电路产品中占据相当大的比例。与TTL门电路相比,MOS门电路的速度较低。MOS门电路有三种类型:使用P沟道管的PMOS电路、使用N沟道管的NMOS电路和同时使用PMOS和NMOS管的CMOS电路。其中CMOS性能更优,因此CMOS门电路是应用较为普遍的逻辑电路之一。利用CMOS逻辑电路就可以设计出各种功能的逻辑电路,与非门就是其中比较简单的一种。集成电路设计主要有电路设计和版图设计两个主要内容。对于如此复杂高要求的工艺技术,我们在此只简单使用LTspice来设计仿真CMOS反相器,。经过仿真,此设计的CMOS反相器的功能得以实现,实现输入与输出的反向功能,并验证其设计正确性,然后利用LASI来画出CMOS反相器的版图,同时在版图设计时采用结构化和层次化的设计思想,从而简化版图的设计。利用Lasi 软件,可以充分认识到,CMOS4反相器的构造,可以增加对其的了解,并且可以进一步完善对CMOS4反相器参数的设计。最终利用现在已有的规则对设计的版图进行检测,看其是否满足现有的基本规则,经过检测,此次设计基本满足设计规则。由于是初学者,对相关知识缺乏足够的认识,希望能通过这次的设计实验能够学会集成电路设计的相关知识,并且能够基本掌握相关设计烦躁=仿真软件的使用,出错在所难免,希望老师可以提出批评及建议。第二章 CMOS反相器2.1 CMOS反相器的结构两个MOS管的开启电压VGS(th)P0,通常为了保证正常工作,要求VDD|VGS(th)P|+VGS(th)N。若输入vI为低电平(如0V),则负载管导通,输入管截止,输出电压接近VDD。若输入vI为高电平(如VDD),则输入管导通,负载管截止,输出电压接近0V。综上所述,当vI为低电平时vo为高电平;vI为高电平时vo为低电平,电路实现了非逻辑运算,是非门反相器。图一反相器CMOS反相器由一个P沟道增强型MOS管和一个N沟道增强型MOS管串联组成。通常P沟道管作为负载管,N沟道管作为输入管。这种配置可以大幅降低功耗,因为在两种逻辑状态中,两个晶体管中的一个总是截止的。处理速率也能得到很好的提高,因为与NMOS型和PMOS型反相器相比,CMOS反相器的电阻相对较低。图二 逻辑符号 图三 CMOS反相器工作原理图电路图工作原理当Ui=UIH=VDD,VTN导通,VTP截止,Uo=Uol0V当Ui=UIL=0V时,VTN截止,VTP导通,UO=UOHVDD2.2、COMS反相器的特性CMOS反相器特点:vIN 作为PMOS和NMOS的共栅极;vOUT 作为共漏极; 图四 说明例图 vDD 作为PMOS的源极和体端;GND作为NMOS的源极和体端;2.2 CMOS反相器的特性分析电压传输特性和电流传输特性(1)CMOS反相器的电压传输特性曲线可分为五个工作区。图五 CMOS反相器电压传输特性工作区:由于输入管截止,故vO=VDD,处于稳定关态。工作区:PMOS和NMOS均处于饱和状态,特性曲线急剧变化,vI值等于阈值电压Vth。工作区:负载管截止,输入管处于非饱和状态,所以vO0V,处于稳定的开态。(2)CMOS反相器的电流传输特性曲线,只在工作区时,由于负载管和输入管都处于饱和导通状态,会产生一个较大的电流。其余情况下,电流都极小。图六 CMOS反相器电流传输特性输入特性与输出特性(1) 输入特性为了保护栅极和衬底之间的栅氧化层不被击穿,CMOS输入端都加有保护电路。由于二极管的钳位作用,使得MOS管在正或负尖峰脉冲作用下不易发生损坏。考虑输入保护电路后,CMOS反相器的输入特性如图七所示:vIOVDDiI1V图七 CMOS反相器输入特性(2) 输出特性a.低电平输出特性当输入vI为高电平时,负载管截止,输入管导通,负载电流IOL灌入输入管,如图八所示。灌入的电流就是N沟道管的iDS,输出特性曲线如图九所示。输出电阻的大小与vGSN(vI)有关,vI越大,输出电阻越小,反相器带负载能力越强。 (iDSN)IOLvO=VOLVDDTNRLvI=VDDTPIOL vI(vGSN)VOL(vDSN) 图八 输出低电平等效电路 图九 输出低电平时特性b. 高电平输出特性vGSPIOH (iSDP)OvSDPVDD当输入vI为低电平时,负载管导通,输入管截止,负载电流是拉电流,如图十所示。输出电压VOH=VDD-vSDP,拉电流IOH即为iSDP,输出特性曲线如图十一所示。由曲线可见,|vGSP|越大,负载电流的增加使VOH下降越小,带拉电流负载能力就越强。图十一 输出高电平时特性图十 输出高电平等效电路VOHVDDTNRLvI=0TPIOH 电源特性CMOS反相器的电源特性包含工作时的静态功耗和动态功耗。静态功耗非常小,通常可忽略不计。CMOS反相器的功耗主要取决于动态功耗,尤其是在工作频率较高时,动态功耗比静态功耗大得多。当CMOS反相器工作在第工作区时,将产生瞬时大电流,从而产生瞬时导通功耗PT。此外,动态功耗还包括在状态发生变化时,对负载电容充、放电所消耗的功耗。 第三章 CMOS反相器的电路仿真3.1 CMOS反相器的电路图设计第一步:首先利用LTspice进行电路图设计的仿真,步骤如下: 1、添加pmos(nmos管同理):注意:其中,mos管的初始方向都是同向的,所以PMOS要旋转倒置,其中CTRL+R的功能是旋转,而ctrl+E的功能是镜像的作用。如图所示: 2、设置两mos管的参数:将鼠标移至PMOS或者NMOS管上,待出现手指图案时就点击鼠标右键,则会出现MOS管的设置窗口,本文将参数均设置为0.12u。图4.4 3、在电路输入界面中的EDIT下拉菜单中找到Draw Wire或点击工具栏图标,可以实现原件互连。而后,鼠标放置在线的终端,单击鼠标右键,选择Label Net,设置相应的标签或者点击工具栏图标可放置地线,点击工具栏图标可以添加并设置输入/输出口。布线后结果如图:添加其他器件及连接线,完成图:4、 封装: 5、接入信号源电路做好后,在电路输入端加激励信号源,才能观察到电路的反应如何。接入信号源的步骤如下:第一步,在元器件库中找到独立电压源Voltage;第二步,双击Voltage,让它进入画图界面;第三步,拖动Voltage图标,移到电路输入端;第四步,右击Voltage图标,对它进行设置。在弹出的的窗口中选择PULSE,它的PULSE参数分别为(0 5v 0.5ms 1n 1n 1s 2s 10), 这些参数表示为(低电平 脉冲大小 延时 上升沿时间 下降沿时间 脉冲宽度 脉冲周期 仿真周期个数),如图:6、仿真设置在运行仿真命令之前,首先必须设置仿真类型。在电路原理图输入窗口中,找到Simulate选项,单击它,选中Edit Simulation Cmd。对CMOS反相器运行Transient仿真,进行功能和时序分析。在Edit Simulation Cmd选中Transient,然后在出现的对话框中进行设置, Transient仿真设置后得到的结果如图所示。3.2、CMOS反相管的结果分析 设置完成后,单击工具栏图标即可进行仿真,仿真结果如图所示:第四章 CMOS反相器的版图设计1、画PMOS和NMOS的有源区(勾选参数如下图红框内) 2、画NMOS的N-select(勾选参数如下图红框内)3、画PMOS的P-select(勾选参数如下图红框内)4、画PMOS的N阱(勾选参数如下图红框内)5、画接触孔(勾选参数如下图红框内)6、画多晶硅栅极(勾选参数如下图红框内)7、画两个MOS管漏极的金属层连线(勾选参数如下图红框内)8、画NMOS地线9、画NMOS管的存底有源区(勾选参数如下图红框内)10、画NMOS管存底的P掺杂(勾选参数如下图红框内)11、给NMOS管存底打金属孔(勾选参数如下图红框内)12、把NMOS管的源极与存底相连(勾选参数如下图红框内)13、画PMOS管的N阱、N掺杂存底(勾选参数如下图红框内)14、如图把PMOS的存底与源极相连(勾选参数如下图红框内)15、在多晶硅栅极上引出电源输入端16、标注文字17、drc检查通过五、结束语 此次试验首先通过LTspiceIV软件,我们看到的是芯片内部电路的工作情况,真实的感受到了芯片内部电路的实际运行情况。其次,通过Lasi软件对CMOS4路数据选择器的最底层物质进行设计,这样加深了学者对反相器的基本构成物质结构的学习,使学者在学习CMOS4路数据选择器的过程中更加清楚其工作的原理。,只有知道最底层的结构,才可能改变某些参数,使之达到最优的运行状态。通过本次实验,更加清晰的了解和认识了集成电路设计的每个环节,对于以后学习的巩固和优化都有很大的帮助,这样的实验学习远比浅显的书面学习要生动有趣、并且让人印象深刻,学习兴趣大。六、参考文献1MOS管集成电路设计 梁竹关,赵东风.2011.科学出版社.2CMOSAnalogCircuitDesign.PhillipEAllenDouglasRHolberg北京电子工业出版社,2005P145-1483集成电路版图设计软件LASI使用指南.doc4使用指南_LTspice.doc
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