CMOS反相器电路设计

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