cmos反相器的电路设计及版图设计

课程设计任务书

学生姓名：专业班级：电子1001班

指导教师：工作单位：信息工程学院

题目: cmos反相器的电路设计及版图设计

初始条件：

Cadence ORCAD和L-EDIT软件

要求完成的主要任务:

1、课程设计工作量：2周

2、技术要求：

（1）学习ORCAD和L-EDIT软件。

（2）设计一个cmos反相器电路。

（3）利用ORCAD和L-EDIT软件对该电路进行系统设计、电路设计和版图设计，并进行相应的设计、模拟和仿真工作。

3、查阅至少5篇参考文献。按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰

写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。

时间安排：

2013.11.22布置课程设计任务、选题；讲解课程设计具体实施计划与课程设计报告格式的要求；课程设计答疑事项。

2013.11.25-11.27学习ORCAD和L-EDIT软件，查阅相关资料，复习所设计内容的基本理论知识。

2013.11.28-12.5对CMOS反相器电路进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。

2013.12.6 提交课程设计报告，进行答辩。

指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日

目录

摘要 (3)

绪论 (5)

1软件介绍及电路原理 (6)

1.1软件介绍 (6)

1.2电路原理 (6)

2原理图绘制 (8)

3电路仿真 (10)

3.1瞬态仿真 (10)

3.2直流仿真 (11)

4版图设计及验证 (12)

4.1绘制反相器版图的前期设置 (12)

4.2绘制反相器版图 (13)

4.3 DRC验证 (15)

结束语 (17)

参考文献 (18)

摘要

CMOS技术自身的巨大发展潜力是IC高速持续发展的基础。集成电路制造水平发展到深亚微米工艺阶段，CMOS的低功耗、高速度和高集成度得到了充分的体现。本文将简单的介绍基于ORCAD和L-EDIT的CMOS反相器的电路仿真和版图设计，通过CMOS反相器的电路设计及版图设计过程，我们将了解并熟悉集成电路CAD的一种基本方法和操作过程。

关键词：CMOS反相器ORCAD L-EDIT版图设计

Abstract

The huge development potential of CMOS technology itself is the foundation of sustainable development of IC high speed. The manufacturing level of development of the integrated circuit to the deep sub micron technology, CMOS low power consumption, high speed and high integration have been fully reflected. In this paper, the circuit simulation and layout design of ORCAD and L-EDIT CMOS inverter based on simple introduction, through the circuit design and layout design process of CMOS inverter, we will understand and a basic method and operation process, familiar with IC CAD.

Keywords: CMOS inverter layout ORCAD L-EDIT

绪论

20世纪是IC迅速发展的时代。计算机等信息产业的飞速发展推动了集成电路（Integrated Circuit—IC）产业。大多数超大规模集成电路（Very Large Scale IC —VLSI）在日常生活中有着广泛的应用。集成电路的应用已深入到科学，工业农业，生活的每一个角落。集成电路的发展迅速，与科学的进步和社会的驱动密不可分。现在集成电路芯片的尺寸越来越小，时钟速度越来越快，电源电压越来越低，布线层数越来越多。所以手工来完成这些工作已经不可能。就必须利用一款和几款软件，由多数人共同完成。。而本文介绍的CMOS反相器就是集成电路中一种最基本的电路结构，我们将使用ORCAD软件画出电路的原理图，并完成功能仿真，使用L-EDIT软件画出电路的版图并完成电气性能验证。

门电路是构成各种复杂数字电路的基本逻辑单元，掌握各种门电路的逻辑功能和电气特性，对于正确使用数字集成电路是十分必要的。MOS门电路：以MOS 管作为开关元件构成的门电路。 MOS门电路，尤其是CMOS门电路具有制造工艺简单、集成度高、抗干扰能力强、功耗低、价格便宜等优点，得到了十分迅速的发展。所谓CMOS (Complementary MOS)，是在集成电路设计中，同时采用两种MOS器件：NMOS和PMOS，并通常配对出现的一种电路结构。CMOS电路及其技术已成为当今集成电路,尤其是大规模电路、超大规模集成电路的主流技术。

反相器是数字电路中的一种基本功能模块。将两个串行反相器的输出作为一位寄存器的输入就构成了锁存器。锁存器、数据选择器、译码器和状态机等精密数字符件都需要使用基本反相器。本文就将详细讲述CMOS反相器的原理图设计功能仿真及版图设计验证。

1. 软件介绍及电路原理

1.1软件介绍

ORCAD Capture (以下以Capture代称)是一款基于Windows 操作环境下的电路设计工具。

利用Capture软件，能够实现绘制电路原理图以及为制作PCB和可编程的逻辑设计提供连续性的仿真信息。OrCAD Capture作为行业标准的PCB原理图输入方式，是当今世界最流行的原理图输入工具之一，具有简单直观的用户设计界面。OrCAD Capture CIS具有功能强大的元件信息系统，可以在线和集中管理元件数据库，从而大幅提升电路设计的效率。OrCAD Capture提供了完整的、可调整的原理图设计方法，能够有效应用于PCB的设计创建、管理和重用。将原理图设计技术和PCB布局布线技术相结合，OrCAD能够帮助设计师从一开始就抓住设计意图。不管是用于设计模拟电路、复杂的PCB、FPGA和CPLD、PCB改版的原理图修改，还是用于设计层次模块，OrCAD Capture都能为设计师提供快速的设计输入工具。此外，OrCAD Capture原理图输入技术让设计师可以随时输入、修改和检验PCB设计。

Cadence OrCAD Capture是一款多功能的PCB原理图输入工具。

Tanner集成电路设计软件是由Tanner Research 公司开发的基于Windows 平台的用于集成电路设计的工具软件。该软件功能十分强大，易学易用，包括S-Edit，T-Spice，W-Edit，L-Edit与LVS，从电路设计、分析模拟到电路布局一应俱全。其中的L-Edit版图编辑器在国内应用广泛，具有很高知名度。

L-Edit Pro是Tanner EDA软件公司所出品的一个IC设计和验证的高性能软件系统模块，具有高效率，交互式等特点，强大而且完善的功能包括从IC设计到输出，以及最后的加工服务，完全可以媲美百万美元级的IC设计软件。L-Edit Pro 包含IC设计编辑器(Layout Editor)、自动布线系统(Standard Cell Place & Route)、线上设计规则检查器（DRC）、组件特性提取器（Device Extractor）、设计布局与电路netlist的比较器(LVS)、CMOS Library、Marco Library，这些模块组成了一个完整的IC设计与验证解决方案。L-Edit Pro丰富完善的功能为每个IC设计者和生产商提供了快速、易用、精确的设计系统。

1.2设计原理

CMOS结构的主要优点是电路的静态功耗非常小，电路结构简单规则，使得它可以用于大规模集成电路、超大规模集成电路。为了能在同一硅材料(Wafer)上制作两种不同类型的MOS器件，必须构造两种不同类型的衬底。在P 型硅衬底上专门制作一块N型区域(n阱)，作为PMOS的衬底。为防止源/漏区与衬底出现正偏置，通常P型衬底应接电路中最低的电位，N型衬底应接电路中

最高的电位。为保证电位接触的良好，在接触点采用重掺杂结构。

CMOS反相器是由一个n管和一个p管组成的，p管源极接vdd，n管源极接gnd，若输入IN为低电平，则p管导通，n管截止，输出OUT为高电平D。若输入IN为高电平，则n管导通，p管截止，输出OUT为低电平。从而该电路实现了非的逻辑运算，构成了CMOS反相器。

当Ui=UIH = VDD,VTN导通,VTP截止,Uo =Uol≈0V

当Ui= UIL=0V时,VTN截止,VTP导通,UO = UOH≈VDD

还有就是CMOS电路的优点:

（1）微功耗。CMOS电路静态电流很小，约为纳安数量级。

（2）抗干扰能力很强。输入噪声容限可达到VDD/2。

（3）电源电压范围宽。多数CMOS电路可在3～18V的电源电压范围内正常工作。

（4）输入阻抗高。

（5）负载能力强。CMOS电路可以带50个同类门以上。

（6）逻辑摆幅大（低电平0V，高电平VDD ）

2.原理图绘制

(1) 浏览组件库:S-Edit 本身附有4 个组件库，它们分别是

在..\Tanner\S-Edit\library目录的scmos.sdb, spice.sdb, pages .sdb 与element.sdb 。若要引入这些组件库中的模块，可以选择Module---Symbol Browser 命令，打开Symbol Browser 对话框，单击Add Library按钮，可加入要使用的组件库，本范例中加入了scmos, spice, pages 与element 组件库在Library 列表中。

(2) 从组件库引用模块:编辑反相器电路会利用到NMOS, PMOS, Vdd 与Gnd 这4 个模块，所以要从组件库中复制NMOS, PMOS, Vdd 与Gnd 这4 个模块到文件，并在Module0 中编辑画面引用。

(3) 编辑反相器: 按住Alt 键拖动鼠标，可移动各对象。注意，MOSFET_N 与MOSFET_P选项分别有4 个节点，Vdd 与Gnd 选项分别有一个节点。将4 个对象摆放到恰当位置用导线连接，若在两对象相连接处，各节点上小圆圈消失即代表连接成功。

(4) 加入联机: 将4 个对象排列好后再利用左边的联机按钮，完成各端点的信号连接，注意控制鼠标键可将联机转向，按鼠标右键可终止联机。

(5) 加入输入端口与输出端口: 利用S-Edit 提供的输入端口按钮与输出端口按钮，标明此反相器的输入输出信号的位置与名称。再选择输出端口按钮，到工作区用鼠标左键选择要连的端点，若输入端口或输出端口未与所要连接的端点相接，则可利用移动功能将IN 输入端口移至反相器输入端，将OUT 输出端口接至反相器输出端。

(6) 加入工作电源：选取直流电压源Source_v_dc 作为此电路的工作电压源七、直流电压源Source _v_dc 符号有正(+)端与负(一)端。Source _v_dc 符号的正(+)端接Vdd, 将直流电压源Source _v_dc 符号的负(--)端接Gnd，两个全域符号Vdd 及两个Gnd 符号分开放置，所得电路图如下：

3电路仿真

3.1电路瞬态仿真

点击RUN PSPICE按钮，出现仿真界面如图。

添加一个波形显示窗口

添加纵坐标即可显示仿真波形

仿真结果如图

3.2直流仿真

直流仿真过程与前面类似

仿真结果如图

4 版图设计及验证

4.1绘制反相器版图的前期设置

打开L-Edit程序，并将新文件另存以合适的文件名存储在一定的文件夹下：在自己的计算机上一定的位置处打开L-Edit程序，此时L-Edit自动将工作文件命名为Layout1.sdb并显示在窗口的标题栏上。而在本例中则在L-Edit文件夹中建立“inv”文件夹，并将新文件以文件名“inv”存与此文件夹中。如图所示。

选择File->Replace Setup命令，在弹出的对话框中单击浏览按钮，按照路径..\Samples\SPR\example1\lights.tdb找到“lights.tdb”文件，单击OK即可。此时可将lights.tdb文件的设定选择性的应用到目前编辑的文件中。

L-Edit编辑方式是以组件（Cell）为单位而不是以文件为单位，一个文件中可以包含多个组件，而每一个组件则表示一种说明或者一种电路版图。每次打开一个新文件时便自动打开一个组件并命名为“Cell0”；也可以重命名组件名。方法是选择Cell->Rename 命令，在弹出的对话框中的Rename cell as文本框中输入符合实际电路的名称，如本设计中采用组件名“inv”即可,之后单击OK按钮。如图所示。

绘制布局图必须要有确实的大小，因此要绘图前先要确认或设定坐标与实际长度的关系。选择Setup->Design命令，打开Set Design对话框，在Technology 选项卡中出现使用技术的名称、单位与设定。本设计中的技术单位是Lambda。而Lambda单位与内部单位Internal Unit的关系可在Technology Setup选项组中设定。此次设计设定1个Lambda为1000个Internal Unit，也设定1个Lambda等于1个Micron。

接着选择Grid选项卡，其中包括使用格点显示设定、鼠标停格设定与坐标单位设定。此次设计设定1个显示的格点等于1个坐标单元，设定当格点距离小于8个像素时不显示；设定鼠标光标显示为Smooth类型，设定鼠标锁定的格点为0.5个坐标单位；设定1个坐标单位为1000个内部单位。

4.2 绘制反相器

4.2.1 编辑PMOS

按照N Well层、P Select层、Active层、Ploy层、Mental1层、Active contact 层的流程编辑PMOS组件[7]。其中，N Well层宽为24个格点、高为15个格点，P Select层宽为18个格点、高为10个格点，Active层宽为14个格点、高为5个格点，Ploy层宽为2个格点、高为20个格点，Mental1层宽为4个格点、高为4个格点，Active contact层宽为2个格点、高为2个格点。在设计各个图层时，一定要配合设计规则检查（DRC），参照设计规则反复修改对象。这样才可以高效的设计出符合规则的版图。PMOS组件的编辑结果如图所示。

PMOS组件结果图

4.2.2 编辑NMOS

按照N Select层、Active层、Ploy层、Mental1层、Active contact层的流程编辑NMOS组件[8]。其中，N Select层宽为18个格点、高为9个格点，Active层宽为14个格点、高为5个格点，Ploy层宽为2个格点、高为9个格点，Mental1层宽为4个格点、高为4个格点，Active contact层宽为2个格点、高为2个格点。NMOS组件的编辑结果如图所示。

NMOS组件结果图

4.2.3 其他部分

由于L-EDIT软件默认是使用P型衬底，所以要在P管加上N阱做衬底。两个管子栅极相连打孔并外接出去连接输入端in，源漏相连外接至out。我的最终的版图文件如图

4.3 DRC验证

点击tools-DRC即可开始DRC验证。验证结果如图

通过DRC验证。

结束语

课程设计是为了对课本知识的巩固和加强，由于课本上学到了很多都是理论知识的，不能很好的理解和运用，所以在这次课程设计过程中，对整个数字芯片全定制设计流程有了一个总体的认识。同时也熟练掌握了ORCAD和L-EDIT软件操作。

通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。同时，培养了团队合作精神，在这次的课设中遇到了比如在加信号时，关于时间的问题，还有版图设计涉及到VDD和GND的设计，在老师的指导下，和同学间的相互讨论，最后都得到了解决。

参考文献

权海洋主编。《超大规模集成电路设计与实践》，西安电子科技大学出版社，2003年出版。

高德远主编。《超大规模集成电路－系统和电路的设计原理》，高等教育出版社，2003年出版。

高保嘉主编。《MOS VLSI分析与设计》，电子工业出版社，2002年出版。Martin,K.主编：《Digital Integrated Circuit Design》，电子工业出版社，2002年出版。

朱正涌编著. 《半导体集成电路》, 清华大学出版社, 2001年出版.

杨之廉等编著. 《超大规模集成电路设计方法学导论》（第2版），清华大学出版社, 2002年出版。

《集成电路软件》课程设计成绩评定表

指导教师签字：

年月日

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