集成電路專(zhuān)項(xiàng)實(shí)踐NMOS二輸入與非門(mén)

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名： 真知 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 電子1201班 指導(dǎo)教師： 灼見(jiàn) 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: 基于NMOS的二輸入與非門(mén)電路初始條件：計(jì)算機(jī)、Orcad9.2軟件、L-Edit軟件 要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)等具體要求）1、課程設(shè)計(jì)工作量：2周2、技術(shù)要求：（1）學(xué)習(xí)Orcad9.2軟件和L-Edit軟件。（2）設(shè)計(jì)一個(gè)基于NMOS的二輸入與非門(mén)電路。（3）利用Orcad9.2和L-Edit軟件對(duì)該電路進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)和版圖設(shè)計(jì)，并進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)、模擬和仿真工作。3、查閱至少5篇參考文獻(xiàn)。按武漢理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)工作規(guī)范要求撰

2、寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)。全文用A4紙打印，圖紙應(yīng)符合繪圖規(guī)范。時(shí)間安排：2015.6.19布置課程設(shè)計(jì)任務(wù)、選題；講解課程設(shè)計(jì)具體實(shí)施計(jì)劃與課程設(shè)計(jì)報(bào)告格式的要求；課程設(shè)計(jì)答疑事項(xiàng)。2015.6.19-6.20學(xué)習(xí)Orcad9.2和L-Edit軟件，查閱相關(guān)資料，復(fù)習(xí)所設(shè)計(jì)內(nèi)容的基本理論知識(shí)。2015.6.21-6.25對(duì)二輸入與門(mén)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真工作，完成課設(shè)報(bào)告的撰寫(xiě)。2015.6.26 提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告，進(jìn)行答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目 錄 摘要I緒論1一、設(shè)計(jì)要求1二、設(shè)計(jì)原理2三、設(shè)計(jì)思路2四、二輸入與非門(mén)電路設(shè)計(jì)34.1原理圖設(shè)計(jì)34.2仿真分析4

3、五、版圖設(shè)計(jì)45.1 NMOS管版圖設(shè)計(jì)45.2與非門(mén)版圖設(shè)計(jì)65.3總版圖DRC檢查8六、心得體會(huì)8參考文獻(xiàn)8摘要本文從設(shè)計(jì)到仿真以及后面的版圖制作等主要用到了Orcad9.2軟件和L-Edit軟件等。設(shè)計(jì)的題目是基于NMOS的二輸入與非門(mén)電路，電路設(shè)計(jì)的思路是使用三個(gè)NMOS管連接實(shí)現(xiàn)二輸入與非門(mén)的功能，其中電路設(shè)計(jì)部分用的是Orcad9.2軟件，仿真部分主要做的是時(shí)序仿真，后面的版圖制作用的是L-Edit軟件，版圖完成之后進(jìn)行基本的DRC檢查。關(guān)鍵詞：NMOS門(mén)電路、與非門(mén)、版圖設(shè)計(jì)AbstractIn this paper, from desig

4、n to production simulation and the back of the map, m-ainly use the Orcad9.2 software and L - Edit software, etc. Design the topic is based on NMOS two input

5、60;and gate, circuit design train of thought is to use three of NMOS, the circuit design part with Orcad9.2 software, main do is timing simulation,  simulation of the back

6、0;of the map production using L - Edit software, due to the map m-aking only uses a L - Edit software, so the layout is completed only done a basic DR

7、C  check. Keywords: NMOS gate, NAND gate,layout design 緒論隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，人們生活水平不斷提高，使得科學(xué)技術(shù)已融入到社會(huì)生活中每一個(gè)方面。而對(duì)于現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)和信息社會(huì)的基礎(chǔ)來(lái)講，集成電路是改造和提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)。隨著全球信息化、網(wǎng)絡(luò)化和知識(shí)經(jīng)濟(jì)浪潮的到來(lái)，集成電路產(chǎn)業(yè)的地位越來(lái)越重要，它已成為事關(guān)國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)、人民生活和信息安全的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。 集成電路有兩種。一種是模擬集成電路，另一種是數(shù)字集成電路。從制造工藝上可以將目前使用的數(shù)字集成電路

8、分為雙極型、單極型和混合型三種。而在數(shù)字集成電路中通常會(huì)用到NMOS集成電路，本文便是討論的NMOS與非門(mén)電路的設(shè)計(jì)仿真及版圖的設(shè)計(jì)。版圖(Layout)是集成電路設(shè)計(jì)者將設(shè)計(jì)并模擬優(yōu)化后的電路轉(zhuǎn)化成的一系列幾何圖形，包含了集成電路尺寸大小、各層拓?fù)涠x等有關(guān)器件的所有物理信息。集成電路制造廠家根據(jù)版圖來(lái)制造掩膜。版圖的設(shè)計(jì)有特定的規(guī)則，這些規(guī)則是集成電路制造廠家根據(jù)自己的工藝特點(diǎn)而制定的。不同的工藝，有不同的設(shè)計(jì)規(guī)則。設(shè)計(jì)者只有得到了廠家提供的規(guī)則以后，才能開(kāi)始設(shè)計(jì)。版圖在設(shè)計(jì)的過(guò)程中要進(jìn)行定期的檢查，避免錯(cuò)誤的積累而導(dǎo)致難以修改。很多集成電路的設(shè)計(jì)軟件都有設(shè)計(jì)版圖的功能，L-Edit軟件的

9、的版圖設(shè)計(jì)軟件幫助設(shè)計(jì)者在圖形方式下繪制版圖。 對(duì)于復(fù)雜的版圖設(shè)計(jì)，一般把版圖設(shè)計(jì)分成若干個(gè)子步驟進(jìn)行： （1）劃分 為了將處理問(wèn)題的規(guī)?？s小，通常把整個(gè)電路劃分成若干個(gè)模塊。 （2）版圖 規(guī)劃和布局是為了每個(gè)模塊和整個(gè)芯片選擇一個(gè)好的布圖方案。 （3）布線 完成模塊間的互連，并進(jìn)一步優(yōu)化布線結(jié)果。 （4）壓縮 是布線完成后的優(yōu)化處理過(guò)程，他試圖進(jìn)一步減小芯片的面積。一、設(shè)計(jì)要求1、要求：用MOS器件來(lái)設(shè)計(jì)二輸入與非門(mén)電路。2、內(nèi)容：用Orcad9.2軟件進(jìn)行電路原理圖的繪制，生成網(wǎng)絡(luò)表并進(jìn)行交直流分析及瞬態(tài)分析。3、用L-Edit軟件進(jìn)行電路版圖的制作及DRC的檢查。二、設(shè)計(jì)原理二輸入與非門(mén)

10、有兩個(gè)輸入端A、B以及一個(gè)輸出端Q，當(dāng)A端和B端同時(shí)為高電平時(shí)輸出才為低電平，否則輸出都為高電平。與非門(mén)的真值表如表1所示：ABQ001011101110表1 二輸入與非門(mén)真值表由于此次是用NMOS管構(gòu)建的二輸入與非門(mén)，所以直接采用3個(gè)NMOS管構(gòu)成主要元件即可完成。三、設(shè)計(jì)思路如圖1所示是由NMOS管構(gòu)成的二輸入與非門(mén)電路，其中A、B為兩輸入端，Q為輸出端。這一電路的工作原理是：M1管為導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)兩個(gè)輸入端A和B同時(shí)為高電平1時(shí)，M2和M3管同時(shí)導(dǎo)通，此時(shí)輸出端Q=0；當(dāng)輸入端A或B只要有一個(gè)為0時(shí)，如A=O，M2管截止，由于M2和M3管串聯(lián)，只要其中一只管子截止，輸出端Q=l。通過(guò)上述分

11、析可知，這一電路可以實(shí)現(xiàn)與非邏輯，所以是與非門(mén)電路。圖1.NMOS二輸入與非門(mén)電路原理圖四、二輸入與非門(mén)電路設(shè)計(jì)4.1原理圖設(shè)計(jì)在Orcad9.2環(huán)境下畫(huà)電路原理圖，并在輸入端口添加時(shí)鐘激勵(lì)源，修改合適的時(shí)鐘周期，并添加輸出端口以便仿真時(shí)查看各點(diǎn)工作狀態(tài)。如圖2所示：圖2.NMOS二輸入與非門(mén)工作電路圖4.2仿真分析電路原理圖畫(huà)好之后接下來(lái)便是仿真分析了，本次我們做的是門(mén)電路，輸入輸出信號(hào)都是電平信號(hào)，研究的是輸入輸出信號(hào)隨時(shí)間的變化關(guān)系，所以只需要做瞬態(tài)分析。首先點(diǎn)擊菜單欄中的Pspice按鈕選擇New Simulation命令來(lái)新建一個(gè)仿真文件，在Name中輸入仿真文件名，點(diǎn)擊Creat后

12、，在原來(lái)的工程文件夾中就會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)相應(yīng)名字的文件夾，后面所做的仿真結(jié)果和工程均保存在該文件夾下，在Analysis type（分析類(lèi)型）中選取Time Domain（Transient）（瞬態(tài)分析），并設(shè)置合適的參數(shù)。再在仿真工具欄中點(diǎn)擊運(yùn)行圖標(biāo)進(jìn)行仿真。加入觀測(cè)波形，如下圖3所示：圖3. 輸入輸出端波形顯示從圖中可以看到只有當(dāng)A端口和B端口同時(shí)為高電平時(shí)輸出口Q才為低電平，否則輸出口Q一直為高電平，波形顯示出電路符合與非門(mén)電路的功能。而且從圖中還能看到輸出口Q的波形中有一些分立線狀波形，這些是由于A輸入端和B輸入端處在上升或者下降沿的時(shí)候雖然電平并不是標(biāo)準(zhǔn)的高電平，但電壓也不為0，在仿真

13、的時(shí)候軟件將這些電平統(tǒng)一作高電平處理，所以才會(huì)出現(xiàn)一些分立的線狀波形存在。五、版圖設(shè)計(jì)5.1 NMOS管版圖設(shè)計(jì)由于L-Edit軟件在進(jìn)行電路版圖設(shè)計(jì)之前首先得進(jìn)行元器件版圖的設(shè)計(jì)，而在本次電路中用到的元器件有只有NMOS管，所以在畫(huà)與門(mén)版圖之前首先繪制好NMOS管的版圖。（1）打開(kāi)L-Edit程序：L-Edit會(huì)自動(dòng)將工作文件命名為L(zhǎng)ayout1.tdb并顯示在窗口的標(biāo)題欄上，如下圖16中所示。（2）另存為新文件：選擇執(zhí)行File/Save As子命令，打開(kāi)“另存為”對(duì)話框，在“保存在”下拉列表框中選擇存貯目錄，在“文件名”文本框中輸入新文件名稱(chēng)，如Ex1。 圖4.L-Edit菜單欄（3）替

14、換設(shè)置信息：用于將已有的設(shè)計(jì)文件的設(shè)定（如格點(diǎn)、圖層等） 應(yīng)用于當(dāng)前的文件中。選擇執(zhí)行File/Replace Setup子命令打開(kāi)對(duì)話框，單擊“ From File”欄填充框的右側(cè)的Browser按鈕，選擇X: Ledit1.1SamplesSPRexample1lights.tdb文件，如下圖5所示，單擊OK就將lights.tdb文件中的格點(diǎn)、圖層等設(shè)定應(yīng)用在當(dāng)前文件中。圖5 替換設(shè)置信息窗口設(shè)置好這些參數(shù)后，繪制NMOS單元：依次繪制Active圖層、N Select圖層、Ploy圖層、Active Contact圖層與Metal1圖層，完成后的NMOS單元如圖6中所示。其中，Acti

15、ve寬度為14個(gè)柵格，高為5個(gè)柵格；Ploy寬為2個(gè)柵格，高為9個(gè)柵格；N Select寬為18個(gè)柵格，高為9個(gè)柵格；兩個(gè)Active Contact的寬和高皆為2個(gè)柵格；兩個(gè)Metal1的寬和高皆為4個(gè)柵格。 圖6 NMOS管版圖5.2與非門(mén)版圖設(shè)計(jì) 在已經(jīng)做好了MOS管的版圖設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，接下來(lái)就能開(kāi)始進(jìn)行與非門(mén)版圖的搭建和連線了。啟動(dòng)L-Edit程序，將文件另存為EX2，將文件lights.tdb應(yīng)用在當(dāng)前的文件中，設(shè)定坐標(biāo)和柵格。復(fù)制單元：執(zhí)行Cell/Copy命令，打開(kāi)Select Cell to Copy對(duì)話框，將Ex1.tdb中的nmos單元復(fù)制到Ex2.tdb文件中。引用nmo

16、s單元：執(zhí)行Cell/Instance命令，打開(kāi)Select Cell toInstance對(duì)話框，選擇nmos單元單擊OK按鈕，可以在編輯畫(huà)面出現(xiàn)一個(gè)nmos單元，由于本次繪制與非門(mén)電路需要用到3個(gè)NMOS管，所以上步中的引用nmos單元分別需要進(jìn)行三次，然后再進(jìn)行元器件之間的電路連接。按照電路原理圖一步一步將所有的線路都連接好，然后再標(biāo)出Vdd、GND節(jié)點(diǎn)以及輸入輸出端口A、B、Q等節(jié)點(diǎn)。例如標(biāo)注Vdd和GND節(jié)點(diǎn)的方法是單擊插入節(jié)點(diǎn)圖標(biāo)，再到繪圖窗口中用鼠標(biāo)左鍵拖曳出一個(gè)與上方電源線重疊的寬為39柵格、高為5個(gè)柵格的方格后，將自動(dòng)出現(xiàn)Edit Object(s)對(duì)話框，在“On”框的下拉

17、列表中選擇Metal1，在Port name欄內(nèi)鍵入Vdd，在Text Alignment選項(xiàng)中選擇文字相對(duì)于框的位置的右邊。然后單擊“確定”按鈕。用同樣的方式標(biāo)出GND、A、B以及Q。圖7.元件引用放好上面的所有節(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)之后最整個(gè)二輸入與非門(mén)電路的版圖就算做好了，接下來(lái)再進(jìn)行單元名稱(chēng)的修改。執(zhí)行Cell/Rename Cell命令，打開(kāi)Rename Cell Cell0對(duì)話窗口，將cell名修改為yufeimen。最后畫(huà)好的完整版圖如下圖8所示。 圖8 二輸入與非門(mén)電路版圖5.3總版圖DRC檢查版圖畫(huà)好之后接下來(lái)就是做總版圖DRC檢查，選擇Tools/DRC命令，打開(kāi)Design Rule

18、Check對(duì)話框，選中Write errors to files復(fù)選框?qū)㈠e(cuò)誤項(xiàng)目記錄到y(tǒng)ufeimen.drc文件或自行取文件名，單擊“確定”按鈕，進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)則檢查，結(jié)果顯示正確。六、心得體會(huì)此次課程設(shè)計(jì)在老師的悉心指導(dǎo)，同學(xué)們的熱情幫助下，我圓滿完成了課程設(shè)計(jì)的要求。從課題選擇到具體構(gòu)思和內(nèi)容以及數(shù)據(jù)的測(cè)試，我深刻體會(huì)到做事情不能急躁，從電路原理圖的繪制到仿真，再到版圖的制作，每一步都要要細(xì)心仔細(xì)的去完成。在這周時(shí)間所經(jīng)歷的學(xué)習(xí)和生活，我深刻感受到老師的精心指導(dǎo)和無(wú)私的關(guān)懷，讓我受益匪淺。本次課程設(shè)計(jì)的名稱(chēng)為“基于NMOS二輸入與非門(mén)電路設(shè)計(jì)”，經(jīng)過(guò)此次課設(shè)使我對(duì)Orcad9.2軟件和L-Edit軟件的使用都有了更深刻的了解，這將對(duì)我以后的學(xué)習(xí)和工作帶來(lái)莫大的幫助。參考文獻(xiàn)1.權(quán)海洋主編.超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)與實(shí)踐，西安電子科技大學(xué)出版社，2013年出版。 2.高德遠(yuǎn)主編.超大規(guī)模集成電路系統(tǒng)和電路的設(shè)計(jì)原理，高等教育出版社，2013年出版。 3.賈新章等.OrCAD/Capture 9 實(shí)用教程, 西安電子科技大學(xué)出版社，2010年出版。