2022年2022年集成电路实训报告 .pdf

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1、集成电路课程设计目录1.引言.1 1.1 课题目的与意义.1 1.2 设计题目与要求.1 1.3 Tanner软件的介绍.2 2 反相器设计.2 2.1 S-edit设计反相器.2 2.2 反相器的瞬时分析.3 2.3 反相器直流分析.4 3 L-edit画 PMOS 和 NMOS 布局图.5 3.1 L-edit的使用.5 3.2 使用 L-Edit画 PMOS 布局图.5 3.3 使用 L-Edit画 NMOS 布局图.6 3.4 使用 L-Edit画基板节点元件.7 3.5 L-edit画反相器布局并作瞬时和直流分析.7 3.6 使用 LVS对比反相器.8 3.7 关于功耗和延迟方面的计

2、算.9 4.仿真注意事项.11 5 总结.12 参考文献.13名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 14 页 -1 1.引言集成电路产业是信息产业的核心，在全球集成电路产业重心转移的背景下，中国集成电路产业取得了前所唯有的发展，为信息产业向纵深发展奠定了一定的基础。在全球集成电路竞争中，中国国产集成电路仍然处于较弱的地位，一方面供给无法满足中国电子整机产品的需求，另一方面则是自主创新能力不足。同时,也应看到中国集成电路产业发展的希望与契机,作为全球集成电路产业增长最快的地区和全球最具发展潜力的市场,伴随市场需求的扩张、产业规模的升级、技术水准的提高,该看到中国集成电路产

3、业发展的希望。作为全球第三大集成电路市场中国占了 20%的份额,而且产业发展速度和市场潜力在全球首屈一指。如今,由于我国集成电路产业还处于发展初期,富有经验的中高层工程，技术人才、设计人才及企业管理运营人才缺口很大。我国集成电路产业对专业设计、制造、营销、管理人才的需求量是25 万一 30 万人,但目前国内这方面的人才数量远远不够。人才短缺,将成为制约我国集成电路产业快速发展的另一个瓶颈。然而，这也是作为一位学生，也是我们的机会，是我们为国家的集成电路信息安全做贡献的机会。让我们国家的集成电路不受外国掣肘。1.1 课题目的与意义本课程设计是集成电路分析与设计基础的实践课程，其主要目的是使学生在

4、熟悉集成电路制造技术、半导体器件原理和集成电路分析与设计基础上，训练综合运用已掌握的知识，利用集成电路设计软件，初步熟悉和掌握集成电路芯片系统设计电路设计及模拟版图设计版图验证等正向设计方法。掌握微电子技术人员所需要的基本理论和技能，日后从事集成电路设计工作打下基础。通过此课程设计使学生对集成电路设计有了初步的认识认识并熟练使用集成电路相关软件，熟练集成电路设计的技能及规则等方面有重要意义。1.2 设计题目与要求1 设计时使用的工艺及设计规则：MOSIS:mhp-s5；2 根据所用的工艺，选取合理的模型库；3 选用以 lambda()为单位的设计规则；4 全手工、层次化设计版图；5 达到指导书

5、提出的设计指标要求。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 14 页 -2 1.3 Tanner软件的介绍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

6、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 net list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。2 反相器设计2.1 S-edit设计

7、反相器打开 S-Edit 程序，建立新的 design（file-new-newdesign），取名为INV。新建一个CELL（cell-new view）。增加必要元件库（FILE-OPEN-Add l ibrary）。S-Edit本身附有多个元件库，分别是 Devices、LogicGates、Misc、SPICE_Commands、SPICE_Elements 和 IO_Pads等。增加相应元件库之后，可以在 S-Edit左侧看到各库中元件，可以通过选择相应库中的元件并点击其下方的 instance来引用该元件。从元件库引用模块：编辑反相器会用到NMOS、PMOS、Vdd和 GND 四个

8、模块，可从 Devices、Misc 元件库中引用新建一个CELL（cell-new view）。也可以增加必要元件库（FILE-OPEN-Addlibrary）。S-Edit编辑方式是以模块为单位而不是以文件为单位，一个文件中可以包含多个模块，而每一个模块则表示一种基本组件或者一种电路。每次打开一个新文件时便自动打开一个模块并命名为 cell0也可以重命名模块名。方法是选择命令，在弹出的对话框中的输入符合实际电路的名称，如inv 即可，之后单击OK按钮就可以。编辑反相器：移动各对象，正确连接相关节点。之后加入联机：完成各端点的信号连接（左键转向，右键终止）。然后加入输入输出端口：用输入端口按

9、钮和输名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 14 页 -3 出端口按钮。最后建立反相器符号（cell-update symbol）：可自动得到所画器件的基本符号。最终可以根据实际情况进行编辑得到满意的符号。结果反相器原理图设计如图1 所示。图 1 反相器原理图2.2 反相器的瞬时分析打开以上设计中的反相器cell，将其另存为 INV_tran，在此单元中进行以下操作。加入工作电源：在spice_element元件库中找到 Voltagesource单元并引用，作为电路工作电压源（正端接Vdd,负端接 Gnd）。右键点击该电压源，可以修改其各个属性，如电源性质（默认为直流

10、电源）、名称等。加入输入信号：同样在 spice_element元件库中找到 Voltagesource单元并引用，作为反相器输入信号，（正端接输入端口IN,负端接 Gnd）将电源性质改为pulse，并修改周期、脉宽、上升下降时间、名称等。在Spice Commands元件库中找到 printvoltage并引用，分别连接到in 和 out 端。结果如图 2 所示。图 2 反相器瞬时分析原理图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 14 页 -4 单击命令工具栏中的“开始”按钮，打开Run Simulation对话框，如图示十二所示，选中 Showing during 单

11、选按钮，再单击Start Simulation按钮，则会出现模拟状态窗口，并自动打开W-Edit 窗口，以便观察模拟波形如图3 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Time(us)0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 Voltage(V)v(AC e ll00.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Time(us)0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 Volt age(V)v(OutC e ll0图

12、 3 瞬态分析结果图2.3 反相器直流分析打开反相器 cell，将其另存为 INV_DC，在此单元中进行本节操作。加入工作电源：在 spice_element 元件库中找到 Voltagesource单元并引用，作为电路工作电压源（正端接 Vdd,负端接 Gnd）。加入输入信号：正端接输入端口In,负端接 Gnd，修改名称为Vin，数 值为1V。在 SpiceCommands元件库中找到printvoltage并引用，分别连接到in 和 out 端，将 Analysis下拉框改为 DC。结果如图 4 所示。图 4 反相器直流分析原理图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共

13、 14 页 -5 单击命令工具栏中的“开始”按钮，打开Run Simulation对话框，如图示十二所示，选中 Showing during 单选按钮，再单击Start Simulation按钮，则会出现模拟状态窗口，并自动打开 W-Edit 窗口，以便观察模拟波形如图5 所示。图 5 直流传输特性波形图由上图可以看出随着输入信号的增大，反相器的工作状态可以分为5 个阶段来描述。即输入等于输出、输出缓慢减小（速率加快）、输出急剧下降、输出再减小（速率变慢）和输出几乎为零五个阶段，与理论分析一致，分别对应N管截止，P管饱和导通，N管饱和导通，P 管非饱和导通，N管、P管都饱和导通，N管非饱和导通

14、，P管饱和导通，N管 N管非饱和导通，P管截止。3 L-edit画 PMOS 和 NMOS 布局图3.1 L-edit的使用打开 L-Edit程序，保存新文件。取代设定（File Replace Setup）。环境设定（SetupDesign），选取图层。选择绘图形状绘制布局图。设计规则设定（MOSIS/mhp-s5）和设计规则检查（DRC）。检查错误，修改（移动）对象。再次进行设计规则检查。3.2 使用 L-Edit画 PMOS 布局图用到的图层包括N Well，Active，N Select，P Select，Poly，Metal1，Active Contact。绘制 N Well 图层：

15、L-Edit编辑环境是预设在P型基板上，不需定义 P型基板范围，要制作PMOS，首先要作出 N Well 区域。根据设计规则中Well 区最小宽度的要求（10Lambda），可画出 N Well 区。绘制 Active图层：定义 MOS 管的范围。PMOS 的 Active图层要绘制在 N Well 图层之内。根据设计规则要求，Active 的最小宽度为 3Lambda。可在 N Well 中画出 Active 图层。绘制 P Select图层：定义要布置P型杂质的范围。绘制前进行DRC 可发现相应错名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 14 页 -6 误（4.6 No

16、t Existing:Not Selected Active）。绘制时注意遵守4.2b 规则：Active to P-Select Edge最少 2Lambda。同时还要注意 pdiff层与 N Well 层要遵守 2.3a（5Lambda）。结果如图 6 所示。图 6 PMOS布局图3.3 使用 L-Edit画 NMOS 布局图用到的图层包括 P Well，Active，P Select，N Select，Poly，Metal1，Active Contact。绘制 N Well 图层：L-Edit编辑环境是预设在P型基板上，不需定义P型基板范围，要制作NMOS，首先要作出 P Well 区域

17、。根据设计规则中Well 区最小宽度的要求（10Lambda），可画出 P Well 区。绘制 Active 图层：定义 MOS管的范围。NMOS 的 Active 图层要绘制在 P Well 图层之内。根据设计规则要求，Active 的最小宽度为 3Lambda。可在 P Well 中画出 Active 图层。绘制 N Select图层：定义要布置N型杂质的范围。绘制前进行DRC 可发现相应错误（4.6 Not Existing:Not Selected Active）。绘制时注意遵守4.2b 规则：Active to N-Select Edge最少 2Lambda。同时还要注意pdiff层

18、与 P Well 层要遵守 2.3a（5Lambda）。结果如图 7 所示。图 7 NMOS布局图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 14 页 -7 3.4 使用 L-Edit画基板节点元件编辑 PMOS 基板节点元件用到的图层包括N Well，N Select，Active，Active contact，Metal1。结果如图 8 所示。编辑 NMOS 基板节点元件用到的图层包括P Well，P Select，Active，Active contact，Metal1。结果如图 9 所示。图 8 PMOS基板节点元件布局图图 9 NMOS基板节点元件布局图3.5 L-

19、edit画反相器布局并作瞬时和直流分析复 制、引 用 元 件。设 计 规 则 检 查 并 移 动 对 象 使 之 符 合 规 则。引 用Basecontactp 元件和 Basecontactn 元件，连接栅极Poly，连接漏极。绘制电源线：以 Metal1 图层表示，宽 39 格点，高 5 格点。标出 Vdd和 GND 节点。连接电源与接触点：将PMOS 左边接触点与 basecontactp的接触点用 metal1 与 Vdd电源相连接，而把NMOS 左边接触点与 basecontactn的接触点用 metal1 与 GND电源相连接。加入输入端口。需要metal2、Via、metal1、

20、Poly contact、poly几个图层才能将信号从Metal2 传至 poly 层。加入输出端口。在连接 PMOS 与 NMOS漏极区的 Metal1 上绘制 Via 层与 Metal2 层，才能将信号从 metal1 传至 metal2。更改元件名称，把成果转化为spice 文件。进行 T-spice仿真。结果如图10，图 11 所示。图 10 反相器布局图图 11 仿真图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 14 页 -8 3.6 使用 LVS对比反相器 1打开 LVS程序：执行在.TannerLEdit82目录下的 lvs.exe文件，或选择“开始”“程序”T

21、anner EDAL-Edit Pro v8.2LVS 命令，即可打开 LVS程序。2打开文件：先打开要进行对比的两个反相器电路，inv.spc文件与 inv.sp文件，其中 inv.spc文件是从第 12章的 L-Edit编辑的布局图 inv 组件（inv Cell）转化出的结果，而 inv.sp文件是从第三章的S-Edit 编辑的电路图 inv 模块（inv Module）输出成 SPICE文件的结果。在LVS环境下，可选择 File Open，打开“打开”对话框，在“文件类型”下拉列表中选择Spice Files（*.sp*）选项。在“文件名”下拉列表中选择inv.sp文件与 inv.S

22、pc 文件。3修改文件：观察打开的 inv.Spc 文件与 inv.sp文件，将.include设定修改。注意包含文件的路径不要加上引号。4打开 LVS新文件:在 LVS环境下选择 File-New 命令，出现“打开”对话框，在其中的列表框中选择LVS Setup 选项，再单击“确定”按钮。5文件设定：在 Setup1 对话框中有很多项目需要设定，包括要对比的文件名称、对比结果的报告文件、要对比的项目等。先选择File选项卡来进行文件设定，在 Input Files选项组的 Layout net list文本框中输入自 L-Edit转化出的 inv.spc文件，在 Schematic net

23、list 123文本框中输入自S-Edit输出的inv.sp文件：在 Output File选项组中的 Output files文本框中输入对比结果的报告文件文件名，选中Node and element list复选框，并在其后的文本框中输入节点与组件对比结果的报告文件名，之后选中Overwrite existing output files。6选项设定：选择Option 选项卡来进行选项设定，选中其中的Operate in T-Spice syntax mode，单选按钮与 Consider bulk nodes（substrate）during iteration matching复选框。

24、7高级参数设定：选择Advanced Parameter选项卡来做进一步的设定，在MOSFET Elements 选项组中选中 Lengths and widths复选框。8执行设定：选择Performance 选项卡进行设定。选择其中的单选按钮。9显示设定：选择Verbosity Level选项卡来进行设定，选中其中的所有选名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 14 页 -9 项。10存储文件：设定完成后，存储LVS的设定，选择 File Save命令，存储Exl2.vdb。11执行对比：设定完成后开始进行inv.spc文件与 inv.sp文件的对比，选择命令 Ver

25、ification-Run命令可进行对比。12修改电路：修改反向器布局图，使之转化后的NMOS 参数为 22u，PMOS 参数 W也为 22u，再进行 LVS对比，可以看到电路相等的结果。3.7 关于功耗和延迟方面的计算反相器的 N管和 P管尺寸依据充放电时间tr 和 tf方程来求。关键点是先求出式中 CL（即负载）。它的负载由以下三部分电容组成：本级漏极的PN结电容 CPN；下级的栅电容Cg；连线杂散电容CS。本级漏极的 PN结电容 CPN的计算 CPN Cj（Wb）+Cjsw(2W+2b)其中Cj 是每 um2的结电容，Cjsw 是每 um的周界电容，b 为有源区宽度，可从设计规则获取。如

26、若最小孔为 22，孔与多晶硅栅的最小间距为2，孔与有源区边界的最小间距为2，则取 b6。Cj 和 Cjsw 可用相关公式计算，或从模型库选取，或用经验数据。其中采用的模型库参数如下所示：25./109mFCNjmFCNjsw/1025.510.24./10033.2mFCPjmFCPjsw/10310.总的漏极 PN结电容应是 N管和 P管的总和，即：注意：此处 WN 和 WP 都为国际单位名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 14 页 -10 栅电容 Cg的计算CgCg，NCg，PoxoxNtAoxoxPtA（WNWP）Loxoxt此处 WN 和 WP 为与本级漏极

27、相连的下一级的N管和 P管的栅极尺寸，近似取输出级 WN 和 WP 的尺寸。将输出级 N管和 P管的宽长比：（W/L）N=48和（W/L）P=140代入公式进行计算，根据设计规则，=0.6，L=2=1.2，代入得：FCg13512261037.2103951085.89.3106.0228096连线杂散电容sCCSoxoxtA一般sgPNCCC10，可忽略sC作用，因此可以得出：13991043.210332.110429.1NgPNLWCCC又因为：ddtnddtnddtnddddtnnnoxoxLfVVVVVVVVVWLtCt2019ln11.022ddtpddtpddtpddddtppp

28、oxoxLrVVVVVVVVVWLtCt2019ln11.022令frtt，并把LC的值代入公式，根据frtt2nS 的条件，计算出NW和PW的值。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 14 页 -11 即，错误！未找到引用源。使错误！未找到引用源。=2nS，即因此，所以，内部反相器的尺寸为：4.仿真注意事项在仿真之前首先确保反相器画得没问题。注意事项一：设定提取规则，extract setup General选项中 1要设定提取时的设定文件，找到布局反相器的设定文件，lights.ext的位置。2指定所提取文件的路径。这项随意。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精

29、心整理-第 12 页，共 14 页 -12 Output选项中关键是要设定 SPICE include statement 指定一个写入文本作为输出网表文件的the second line。关于spice include statement 的定义大家可以查看，help 中的 design Verification中的解释。定义中说这个文件通常是model or subcircuit file.经过搜索找到四五个以 md格式的文件。等设定之后，就可以输出，然后用T-spice 对输出的文件打开，打开之后，对Vdd Transition 等参数进行设定，并插入命令（insert command）

30、。5 总结两个星期的实训结束了，在这次实训中我收获颇丰，在此期间我学习了不少的新知识，还在实训中体会到了不少的感悟。在这次实训中，我学习了关于集成电路设计的 CAD 工具 Tanner,这是一款功能强大的软件，可以帮助我们设计电路，分析电路，大大减少我们做出实物后的错误。在画出反相器的电路图之后，我们对其进行了瞬时分析直流分析等，这帮助我们更加了解各种器件的工作原理，提升对器件的理解。之后又进行了反相器的版图设计，经过一番的努力终于画出了反相器的版图，并且仿真了出来。在这个过程中，我深深的体会到了理论联系实践这句话的含义。课本上的知识终究只是书面上的知识，不经过实践是变成不了自己的知识的。理论

31、和实际还是有差距的，虽然自己感觉学的很不错了，但是如果真的让你去动手实践的话，还是错误百出。然而这正是实践的意义，查找自己的不足，从而更好的提升自己。在这两周，我深深地感到了互相帮助的重要性，在学习的过程中，总会遇到自己不会而其他同学会的知识，这时去求教其他会的同学可以大大节省自己的时间，而且通过交流，可以让自己学到更多的知识。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 14 页 -13 参考文献1 贾新章，郝跃，吴玉广.微电子技术概论.北京：高等教育出版社，2004 2 韩雁.专用集成电路设计基础.成都：电子科技大学出版社，2001 3 王志功，沈永朝.集成电路设计基础.北京：电子工业出版社，2004 4 侯建军.数字电子技术基础 M.高等教育出版社，2007，12 5 薛忠杰.CMOS 门电路延迟时间经验模型与估算J.中国集成电路，总第 33 期6 王接枝,熊熙烈,吕岿,黄先恺,何锦军.CMOS 触发器在 CP边沿的工作特性研究7 朱正涌.半导体集成电路 M.北京:清华大学出版社,2001.01 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 14 页，共 14 页 -