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第三章:
设计过程4
3.1电路设计4
3.2电路仿真6
3.3版图设计12
第五章:
总结17
第六章:
心得体会17
一.题目要求
1.1设计要求
按照所给D触发器原理图,设计D触发器。
要求:
(1)给出满足题目要求的电路图。
(2)给出MOS管的尺寸。
(3)利用L-EDIT完成电路的版图设计,设计规则使用SMIC0.35umCMOS工艺规则或L-EDIT默认规则,要求电路布局合理、面积尽量做小。
二.设计原理
触发器是一种时钟控制的记忆器件,触发器具有一个控制输入讯号(CLOCK),CLOCK讯号使触发器只在特定时刻才按输入讯号改变输出状态。
若触发器只在时钟CLOCK由L到H(H到L)的转换时刻才接收输入,则称这种触发器是上升沿(下降沿)触发的。
触发器可用来储存一位的数据。
通过将若干个触发器连接在一起可储存多位元的数据,它们可用来表示时序器的状态、计数器的值、电脑记忆体中的ASCII码或其他资料。
D触发器是最常用的触发器之一。
对于上升沿触发D触发器来说,其输出Q只在CLOCK由L到H的转换时刻才会跟随输入D的状态而变化,其他时候Q则维持不变。
。
本课程设计要求设计D触发器电路及其版图,利用TannerToolsPro工具完成电路原理图的设计,仿真,以及版图设计。
三.设计过程
3.1电路设计
打开S-Edit程序,从spice文件中调用NMOS和PMOS,之后要加入输入端与输出端口得到如下图的电路。
图1D触发器原理图
3.1.2符号模式
换至符号模式,建立D触发器符号如下图所示。
图2D触发器符号
3.1.3生成SPICE文件
输出成SPICE文件,用于以后的仿真,将设计好的S-Edit电路图输出成SPICE格式,可借助T-Spice来分析与模拟此设计电路的性质,得到下图1.3输出文件。
图3D触发器SPICE文件
3.2电路仿真包括直流仿真与瞬时分析
3.2.1直流仿真
操作流程:
编辑S-Edit---输出SPICE文件---进入T-Spice---加载包含文件---电源设定---输入设定---分析设定---显示设定---执行模拟---显示结果。
加入输入电源和输入信号,确定此模块在电路设计模式(SchematicMode)下,再选择ModuleSymbolBrowser命令,打开SymbolBrowser对话框,在Library列表框中选择spice组件库,其内含模块出现在Modules列表框中,其中有很多种电压源符号,选取出直流电压源Source_v_dc作为此电路的工作电压源。
直流电压源Source_v_dc符号有正(十)端与负
(一)端。
在此模块编辑窗口中将直流电压源Source_v_dc符号的正(+)端接Vdd,将直流电压源Source_v_dc符号的负
(一)端接Gnd。
之后与同样的方法给输入D加上正电源5V,负极接Gnd。
加入电源和输入信号输出电路网表文件,加载包含文件,分析设定、输出设定之后,得到如下图2.2所示网表。
图4直流分析输出网表文件
在得到网表文件之后,进行模拟。
选择Simulate---StartSimulation命令,或单击按钮,打开RunSimulation对话框,单击StartSimulation按钮,将出现模拟状况的窗口SimulationStatus,并会自动打开w-Editor窗口来观看模拟波形图,得到如下图5的波形图。
图5直流分析输出波形图
由上图结果可以知道,当输入RST由0到5V以1V步距变化时,输出信号Q和XQ在0V到
5V之间变化,这个得到的结果和实际D触发器工作相符,直流分析验证了此电路设计的正确性。
3.2.2瞬时分析
进入T-Spice---打开d_chufaqi.sp文件---加载包含文件---参数设定---电源设定---输入设定---分析设定---显示设定---执行模拟---结果显示。
首先要加载包含文件。
由于不同的流程有不同特性,在模拟之前,必须要引入MOS组件的模型文件,此模型文件包括电容电阻系数等数据,以供T-Spice模拟之用。
然后加入电源Vdd,确定模块在电路设计模式。
选择Module---SymbolBrowser命令,
打开SymbolBrowser对话框,在Library列表框中选择spice组件库,其内含模块出现在Modules列表框中,其中有很多种电压源符号,选取直流电压源Source_v_dc作为此电路的工作电压。
直流电压源Source_v_dc符号有正(+)端与负
(一)端。
在此模块编辑窗口中将直流电压源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。
此时电压源设定的电压值为5.0v。
然后设定CLK,D和RST的输入信号。
对于时钟信号CLK和输入D信号,我采用脉冲信号。
可以编辑电路来实现,具体步骤如下:
选择Module---SymbolBrowser命令,打开SymbolBrowser对话框,在Library列表框中选取spice组件库,其内含模块出现在Modules列表框中,选取脉冲电压源Source_v_pulse作为反相器输入信号,将脉冲电压源Source_v_pulse符号的(+)端接输入端口IN,将脉冲电压源Source_v_pulse符号的负
(一)端接Gnd。
之后将电路输出为网表文件。
也可以使用网表文件直接写入。
其方法如下:
选择Edit---InsertCommand命令,在出现的对话框的列表框中选择VoltageSource选项,在对话框右侧将出现10个选项,再在VoltageSource选项下选择Pulse选项,在对话框右侧的Voltagesourcename(电压源名称)文本框输入“vclk”,在电压峰值中填入5.0,初值中填入0,之后填入波形输入的上升下降时间即可完成。
设定D的信号和RST信号与上面A的方法类似,在此就不再赘述。
完成之后的网表文件格式如下。
vdDGndPULSE(05190n5n5n50n200n)
vclkCLKGndPULSE(0590n5n5n50n100n)
vrstRSTGndPWL(0ns0V200ns0V895ns0V900n5V)
接下来进行分析设定。
对D触发器的瞬时分析,必须下瞬时分析指令。
将鼠标移至文文件尾,选择Edit---InsertCommand命令,在出现的对话框的列表框中选则Analysis选项,在对话框右侧出现8个选项,可直接单击Transient瞬时分析按钮,也可展开左侧列表框的Analysis选项,并选择Transient选项。
在对话框右侧有几项设定需要选择,并设定其时间间隔与分析时间范围,这里我们将模拟时间间隔设定为1ns,总模拟时间设定为1100ns。
首先在Modes选项组中选择Standard(fromDCop.point)单选按钮,在Maximumtinge文本框输入“1n”,在Simulation文本框输入“1100n”,在Methods选项组中选择StandardBDF单选按钮,单击InsertCommand按钮后,则会出现默认以红色字开头的“.tran/op1n1100nmethod=bdf”。
接下来输出设定.若要观察瞬时分析的结果,首先要设定观察瞬时分析结果为哪些节点的电压或电流,在此要观察的是输入节点D,RST,CLK电压模拟结果。
将鼠标移至文件尾,选择Edit---InsertCommand命令,在出现的对话框的列表框中选择Output选项,在对话框右侧出现7个选项,可直接单击Transientresults按钮,也可展开列表框的Output选项,并选择Transientresults选项,在右侧出现的Plottype下拉列表中选择Voltage选项,在Nodename文本框中输入节点名称“Q”,单击Add按钮。
重复该操作将XQ,RST,D加入.单击InsertCommand按钮,则会出现默认以红色字开头的.printtranv(CLK)v(D)v(RST)v(Q)v(XQ)
选择Simulate---StartSimulation命令,或单击按钮,打开RunSimulation对话框,单击StartSimulation按钮,则会出现模拟结果的报告窗口SimulationStatus,并会自动打开W-Editor窗口来观看模拟波形图,如下图6所示
图6瞬时分析波形图
观察上面的波形图,我们可以很明显的看到此触发器是下降沿有效,
复位端高电平有效,输出端低电平有效。
当时钟信号CLK下降沿到来时,并且复位信号RST为低电平时,输出信号与输入信号D相同,否则输出信号保持不变。
这组波形图很好的证明了电路的功能,验证了此设计的正确性。
3.3版图设计
3.3.1版图设计流程
(1)打开L-Edit软件,选择“File——Saveas”命令,在打开的对话框中选择文件存取位置和文件名“DFFC”。
(2)设计规则。
选择File——Replacesetup命令,单击出现的对话框的Fromfile下拉列表右侧的Browser按钮,选D:
\TannerEDA\L-Edit90\Semples\SPR\examplelights.tdb\文件,单击“ok”,出现一个警告对话框,点击“确定”,就可以将lights.tdb文件的设定选择性应用在当前的文件,包括格点的设定,图层的设定。
(3)设计环境设定。
绘制图层,必须有确定的大小。
选择Set—Design命令,打开Setdesign对话框,进行相应的,合适的环境设置。
(4)用LVS进行检查,将布局图与电路图所描述的电路进行对比,具体的操作流程如下:
进入LVS软件环境→建立新文件→设定相关参数→电路对比。
3.3.2元件布局
完整的元件布局包括两个部分,一个是核心逻辑电路,另一个是输入输出压焊点,其中的输入输出压焊点部分也要包括在标准元件库中。
四位加法器的核心逻辑电路在上两章已经讲述。
在动手对版图进行布局之前,我们应该了解版图的基本设计规则,主要包括以下六个方面:
最小宽度(minimumwidth);
最小间距(minimumspacing);
标准宽度(exactwidth);
最小环绕距离(minimumsurround);
最小延伸(extension),重叠规则(overlap)。
之后开始着手进行版图布局布线。
以下为PMOS版图绘制的步骤:
1)绘制N阱,如图4.1(a);
2)绘制PSelect,如图4.1(b);
3)绘制有源区,如图4.1(c);
3)绘制栅极多晶硅,如图4.1(d);
4)绘制有源区接触孔,如图4.1(e)。
(a)(b)
(c)(d)
(e)
图3.1PMOS的版图设计步骤
这样,PMOS的版图就完成了,如图4.2(e)所示。
NMOS版图的设计步骤与PMOS基本相同。
3.3对于晶体管选择合适尺寸,在本课程设计中,我选择NMOS和PMOS尺寸如下。
NMOSL=0.6uW=1.2uAD=66pPD=24uAS=66pPS=24u
PMOSL=0.7uW=2.8uAD=66pPD=24uAS=66pPS=24u
。
图7D触发器版图
图8通过DRC检查
3.4进行仿真验证。
程序如下:
加载包含文件——Vdd电压值设定——设定A的输入信号——分析设定——输出设定——进行模拟。
设定内容为:
.include"
C:
\ProgramFiles\tanner\tanner\TSpice70\models\ml2_125.md"
vdDGndPULSE(05190n5n5n50n200n)
vvddVddGnd5
.tran/op1n1100nmethod=bdf
printtranv(CLK)v(D)v(RST)v(Q)v(XQ)
模拟结果在W-Edit中的状态如图3.3所示。
图9D触发器布局图模拟结果
由上面的电路的瞬时仿真、直流分析、版图的瞬时仿真,LVS
比对,我们可以发现此设计完全以能够完成其基本功能,可以满足课程设计题目的要求,并且具有很好的稳定性,算是一次较为成功的设计。
五.总结
本次D触发器设计包括电路图设计、网表的仿真、版图的实现,涵盖了集成电路整个设计流程。
将电路图转化为网表的形式,添加电源、激励信号,用H-Spice进行了仿真,从结果波形图中可以看出实现了D触发器的功能,然后,在L-Edit中完成版图的设计,同样采用标准模块的方法,设计完成后进行DRC检查,未发现错误。
说明版图设计通过。
同时,通过进行分析,发现瞬时特性等都符合要求,因此D触发器电路设计及版图实现就完成了。
六.心得体会
本次课程设计做的是D触发器,刚拿到题目时候,一开始无从下手。
老师给了电路图,但参数等看的却不是很清晰,因此用S-Edit画电路图时候,费了不少力气。
在后续仿真中,也遇到了一些问题。
加上本学期学习集成电路版图设计没有重视,因此再用L-Edit画版图时候,感觉很棘手。
从《廖裕评等编.TannerPro集成电路设计与布局实战指导》这本书开始,耐心的学习了tanner软件:
S-Edit,L-Edit以及相关的直流仿真,瞬态仿真。
慢慢的我对题目有了一定的想法,于是开始试着完成课设。
虽然依旧遇到了很多问题,通过向同学老师请教,不断修改,完善,最终完成了版图设计
通过这次的课设,我明白了,学任何东西要有踏实,细心,不能急躁,而且遇到问题首先要自己尝试去解决,要充分利用网络资源和图书馆资源,要具备一定的搜集资料的能力,这对于我们以后的学习来说具有很大的意义。
通过这次课程设计,我深深的感觉集成电路设计是非常实用的科目,这也增加了我对集成电路学习的兴趣。
学习不仅仅是要学理论知识,更重要的,是要学会动手,通过实践加深对理论知识的理解。
本次课程设计激发了我动手实践的热情,提高了我的分析和实践能力,也让我体会到了自己设计的快乐,收获颇多!
课设仍有待完善,请老师不吝赐教。
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