共源级放大器的电路设计及版图实现.doc

巢湖学院 2014 届本科毕业论文 设计 I 共源级放大器的电路设计及版图实现共源级放大器的电路设计及版图实现 摘 要 集成电路设计技术是现在信息时代的关键技术之一 当今的超 大规模集成电路 VLSL 设计也已经离不开计算机辅助 CAD Tanner 就是 CAD 软件的一种 它是由 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 该软件功能强 大 从电路设计 分析模拟到电路布局都可实现 本设计就是基于 tanner 软件实现共源级放大器的电路图设计及版图绘制 共源极放大 器是 CMOS电路中的基本增益级 它是典型的反向放大器 负载可 以是有源负载或者电流源 共源极放大器需要得到比有源负载放大器 更大的增益 设计电流源负载共源极放大器对学习了解 IC 有着本质 的帮助和提高 这是理论与实践的相结合 本论文主要设计三种情况 的放大器电路 他们是 电阻负载共源级放大器 二极管连接的负 载的共源级放大器 和电流源负载共源级放大器电路 通过这三 种放大器的设计能让我们更好的使用共源级放大器 关键词 关键词 共源级放大器 版图 Tanner Tools 共源级放大器的电路设计及版图实现 II Circuit Design and Layout Implementation of the Dommon source Amplifier Abstract IC design technology is now one of the key technologies of the information age today s VLSI VLSL has been inseparable from computer aided design CAD Tanner is a CAD software which is based IC design software tools for windows platform powerful functionality of the software developed by the Tanner Research analog circuit design analysis of the circuit layout can be realized This design is the circuit diagram tanner common source software based amplifier design and layout drawing Is a common source amplifier circuit of the basic CMOS gain stage It is a typical inverting amplifier or the load may be an active load current source Common source amplifier needs to be greater than the active load amplifier gain Design current source load common source amplifier IC has to learn to understand the nature of the help and improve which is a combination of theory and practice This thesis amplifier circuit design three cases they are a common source amplifier resistive load of source level amplifier and a current source diode connected load of the load common source amplifier circuit amplifier design by these three make us more Use good common source amplifier Key word CAD TANNER Common source Amplifier 目目 录录 中文摘要 I 英文摘要 II 引言 1 1 TANNER TOOLS 软件简介 2 1 1 TANNER TOOLS软件的组成 2 1 2 TANNER TOOLS设计综合流程 3 2 共源级放大器电路图和版图设计及其仿真 4 2 1 电阻负载共源级放大器电路原理分析 4 2 1 1 电阻负载共源级放大器电路图设计 5 2 1 2 电阻负载共源级放大器电路图 SPICE 文件设置 5 2 1 3 电阻负载共源级放大器电路图仿真图 6 2 1 4 电阻负载共源级放大器版图设计 7 2 1 5 DRC 规则检查 7 2 1 6 电阻负载共源级放大器版图 spice 文件设置 8 2 1 7 电阻负载共源级放大器版图仿真图 8 2 2 二极管连接负载的共源级放大器电路原理分析 9 2 2 1 二极管负载共源级放大器电路图设计 9 2 2 2 电路图验证 10 2 2 3 二极管负载共源级放大器电路图 SPICE 文件设置 10 2 2 4 二极管连接负载的共源级放大器电路图仿真图 11 2 2 5 二极管负载共源级放大器版图设计 11 2 2 6 DRC 规则检查 12 2 2 7 二极管负载共源级放大器版图 spice 文件设置 13 2 2 8 二极管负载共源级放大器版图仿真图 13 2 3 电流源负载共源级放大器电路原理分析 13 2 3 1 电流源负载共源级放大器电路图设计 14 2 3 2 电路图验证 15 2 3 3 电流源负载共源级放大器电路图 SPICE 文件设置 15 2 3 4 电流源负载共源级放大器电路图仿真图 15 2 3 5 电流源负载共源级放大器版图设计 16 2 3 6 DRC 规则检查 17 2 3 7 电流源负载共源级放大器版图 spice 文件设置 17 2 3 8 电流源负载的共源级放大器版图仿真图 18 3 LVS 对比 18 3 1 电阻负载共源级放大器电路 LVS 对比 18 3 2 二极管连接负载的共源级放大器电路 LVS 对比 19 3 3 电流源负载共源级放大器电路 LVS 对比 20 4 结束语 20 参考文献 22 巢湖学院 2014 届本科毕业论文 设计 1 引言引言 1947 年在美国的新泽西州的贝尔实验室诞生世界上第一个晶体管 自此开 始了集成电路的发展 在 1958 年 基尔比德州仪器工程师发明了世界上第一个 集成电路 IC 而正是这枚小小的 IC 拉开了微电子学的大幕 从此集成电路 的发展便开始走上了一条飞速发展的道路 1964 年 摩尔提出了著名的摩尔定 律 晶体管的集成度每 18 个月翻一倍 集成电路的的飞速发展不仅给人们的生 活带来了便捷 同时在军事 医学 科技等各方面发挥着巨大的作用 电路物 理实现的设计实际是为集成电路的版图设计 称其为物理设计 IC 设计生产的 基础是集成电路的版图设计 将电路的逻辑描述形式转化成版图的描述形式是 版图设计的任务 并通过 Mask 光刻从而实现版图到集成电路芯片的物理转化 集成电路的版图设计关系到集成电路的功能是否正确 同时还关系到集成电路 的性能 成本 面积和功耗的大小 因此设计出性能较高 功耗低 并能实际 可靠地工作的版图相当重要 大规模 IC 制造技术 IC 版图设计技术 ASIC 测试和封装技术 FPGA CPLD 编程下载技术及自动测试技术等在硬件实现方面融合了 EDA 1 技术 在计算机辅助工程方面融合了计算机辅助设计 CAD 计算机辅助制造 CAM 计算机辅助测试 CAT 和计算机辅助工程 CAE 技术以及多种计算机语言的设计 概念 随着集成电路发展的要求 集成电路 EDA 2 准确地说是整个电子设计 自动化必须要有大的发展 EDA 的优点在于不是对单个单元的优化 而是对于 全局的优化 从总体出发 保证其形状和尺寸最适于总的布局 是引线占的面 积尽可能的小 EDA 的重要性在于使设计便于处理 具有处理高度复杂电路而 不出错的能力 集成电路的的飞速发展不仅给人们的生活带来了便捷 同时在 军事 医学 科技等各方面发挥着巨大的作用 随着科技的不断进步 对集成 电路的要求也在越来越高 设计出面积小 功耗低 成本低 性能良好的集成 电路越发的重要 在现代科技中 计算机辅助设计的科学技术得以飞速发展 所以 EDA 技术是一门综合性学科 渗透于各个学科之中 EDA 技术是电子设 计与应用的发展方向 共源级放大器的电路设计及版图实现 2 1 Tanner Tools 软件简介软件简介 由 Tanner Research 公司基于 Windows 平台开发的 Tanner Tools 设计软件用 于集成电路的设计 3 从电路设计 分析模拟到电路布局一一俱全 其中国内 广泛应用的 L Edit 版图编辑器 知名度很高 由 Tanner EDA 4 软件公司所出品 的 L Edit Pro 是一个 IC 设计及验证的高性能软件系统模块 具有效率高 交互 式等特点 从 IC 设计到输出 以及最后的加工服务完善且强大的功能 完全可 以和百万美元级的 IC 设计软件媲美 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 这些模块组成了设计与验证的完整 IC 解决方案 L Edit Pro 快速 易用 精确的设计系统工具为每个 IC 设计者及 生产商提供了完善丰富的功能 通过这款软件可完成 IC 的设计 版图编辑 自 动布局布线 波形仿真和模拟验证等一系列的功能 它的编辑功能全面 电路 图处理快速和模拟仿真及波形功能较好 主要解决电路图的电路设计 版图规 划及它们相应的模拟仿真验证等问题 1 1 Tanner Tools 软件的组成软件的组成 Tanner Tools 工具包括 S Edit T Spice W Edit L Edit 与 LVS 五个相关 软件 它们的主要实现功能如下 1 S Edit S Edit 主要功能是编辑电路图 每个电路图都有电路图和符 号图两种模式 Tanner EDA 格式的电路图具有等级结构电路图 由不同等级的 模块组成这种电路图 高等级的模块是由低等级的模块组成 S Edit 还可以使 当前模块的电路图转化为不同的网表 2 T Spice T SPICE 主要功能是电路分析与模拟 由 Tanner 公司提供 T SPICE 电路模拟器是专门用来模拟电路的软件程序 在 T SPICE 的文本文件 窗口中可以创建 打开和编辑各种文件文本及插入各种 T SPICE 命令 对输入 文件进行模拟仿真必须用 T SPICE 电路描述语言写入的输入文件后才可以 3 W Edit W Edit 的主要功能是显示 T SPICE 的模拟结果 即显示 T 巢湖学院 2014 届本科毕业论文 设计 3 SPICE 模拟出的波形图 可进行简单的设置使得更加方便清晰观察模拟出的波 形图 4 L Edit 设计规则及检查 编辑布局版图 截面观察 电路转换 自 动配置与绕线 5 LVS 对比布局图和电路图的网表 1 2 Tanner Tools 设计综合流程设计综合流程 先用 S Edit 编辑要设计电路的电路图 然后将该电路图导出 Spice 文件 接着利用 T Spice 软件将电路图模拟并输出成 Spice 文件 设置输入电平参数 然后进行运行 用 W Edit 观察输出波形 假如模拟结果不对 接着回到 S Edit 检查电路图 如果 T Spice 没有错误 就用 L Edit 对照电路图进行版图设计 版图绘制完后要以 DRC 进行设计规则检查 如果没有违反设计规则 再将版图 进行修改直到设计规则检查没有错误为止 然后将验证过的版图导出 Spice 文件 再利用 T Spice 模拟 如果有错误 再回到 L Edit 修改版图设计 最后利用 LVS 进行 S Edit 电路图导出的 Spice 文件和 L Edit 版图导出的 Spice 文件对比 如果结果对比不相等 则回去修改 S Edit 图或者 L Edit 图 直到验证没有错误 后 将 L Edit 设计好的版图输出成 GDSII 类型文件 最后交给工厂去制作半导 体过程中需要的光罩 流程如图 2 1 所示 S Edit编编辑辑电电路路图图 输输出出SPICE文文件件 T Spice模模拟拟分分析析 L Edit绘绘制制版版图图 设设计计规规则则检检查查 输输出出SPICE文文件件 T Spice模模拟拟分分析析 LVS电电路路图图与与版版图图对对比比 图 2 1 设计综合流程图 共源级放大器的电路设计及版图实现 4 2 共源级放大器电路图和版图设计共源级放大器电路图和版图设计及其仿真及其仿真 2 1 电阻负载共源级放大器电路原理分析电阻负载共源级放大器电路原理分析 电阻负载共源级放大器由于自身的跨导 MOS管可以将栅 源电压的变化转 换成小信号 5 漏极电流 于是输出电压由小信号漏电流流过电阻产生 如图2 2 所示 图 2 2 小信号分析 当 M1 截止 1 1 inTHVV outDDVV 饱和区 1 2 12 2 outDDDnoxinTH W VVRu CVV L 转折点 1 3 2 11 1 2 inTHDDDnoxinTH W VVVRCVV L 线性区 1 4 2 1 2 2 outDDDnoxinTHoutout W VVRCVVVV L 深线性区 1 2 outinTHVVV 5 所以 1 6 on outDD onD R VV RR 1 7 1 DD noxDinTH V W CR VV L 巢湖学院 2014 届本科毕业论文 设计 5 小信号增益 1 8 out v in V A V 1 9 DnoxinTH W RCVV L 1 10 oD vm oD r R Ag rR 1 11 mDg R 总结 在CMOS工艺下 精确阻值的电阻难加工 阻值小时增益小 阻值 大时电阻的尺寸太大 还会降低输出摆幅 一般采用MOS管代替电阻做负载 2 1 1 电阻负载共源级放大器电路图电阻负载共源级放大器电路图设计设计 电阻负载共源级放大器电路图如图 2 3 所示 图 2 3 电阻负载共源级放大器电路图 对完成的电路图进行验证 选择Tools Design Checks 点击 验证结果 如下图2 4所示 图 2 4 电路图验证 共源级放大器的电路设计及版图实现 6 2 1 2 电阻负载共源级放大器电路图电阻负载共源级放大器电路图 SPICE 文件设置文件设置 T SPICE 主要的功能是电路分析和模拟 T SPICE 电路模拟器是由 Tanner 公司提供的专门用来模拟仿真电路的软件程序 T SPICE 的文本文件窗口中可 以编辑 创建和打开各种文本文件 还可以在打开的文件中写入各种 T SPICE 命令 T SPICE 输入用 T SPICE 电路描述语言写成的输入文件后 就可以对输 入文件进行模拟仿真 对 SPICE 文件进行设置 包括加载包含文件 设定电源电压 输入信号 分析设定 设定输出 6 等 设定好后 T SPICE 文件中会多出如图 2 5 信息 设 定好后需要保存 SPICE 文件 选择File Export Export SPICE把设计好的共源极放大器电路图输出 成SPICE文件 输出的SPICE文件打开后最后面会看到如下图2 5的文字 图 2 5 电阻负载共源级放大器 SPICE 文件 分析及输出设定 分析设定如下图 2 6 输出设定如下图 巢湖学院 2014 届本科毕业论文 设计 7 图 2 6 电阻负载共源级放大器 SPICE 文件 2 1 3 电阻负载共源级放大器电路图仿真电阻负载共源级放大器电路图仿真图图 电阻共源级放大器电路图仿真图如图 2 7 所示 图 2 7 电阻负载共源级放大器电路图仿真图 2 1 4 电阻负载共源级放大器版图电阻负载共源级放大器版图设计设计 电阻共源级放大器版图如图 2 8 所示 共源级放大器的电路设计及版图实现 8 图 2 8 电阻负载的共源级放大器版图 2 1 5 DRC 规则检查规则检查 DRC 规则检查如下图所示 图 2 9 电阻负载的共源级放大器版图 2 1 6 电阻负载共源级放大器版图电阻负载共源级放大器版图 spice 文件设置文件设置 电阻共源级放大器版图 spice 文件如图 2 10 巢湖学院 2014 届本科毕业论文 设计 9 图 2 10 电阻负载共源级放大器 spice 文件 2 1 7 电阻负载共源级放大器版图仿真图电阻负载共源级放大器版图仿真图 电阻共源级放大器版图仿真如图 2 11 图 2 11 电阻负载共源级放大器版图仿真图 2 2 二极管连接负载的共源级放大器电路二极管连接负载的共源级放大器电路原理分析原理分析 在大多数 CMOS 工艺条件下 制作精确控制的阻止或者具有合理的物理尺 寸的电阻是很困难的 因此一般采用 MOS 管代替电阻作为负载 7 共源级放大器的电路设计及版图实现 10 增益 2 1 vmoDAgr R 忽略 ro 的影响 2 2 1 1 222 11 1 m m mmbm g g ggg 2 3 2mnoxD W gCI L 2 4 1 2 1 1 v W L A W L 总结 忽略随的变化时 增益只与W L有关 与偏置电压 电流无关 outV 而且线性度很好 2 2 1 二极管负载共源级放大器电路图设计二极管负载共源级放大器电路图设计 二极管共源级放大器电路如图 2 12 图 2 12 二极管连接的负载的共源级放大器电路图 巢湖学院 2014 届本科毕业论文 设计 11 2 2 2 电路图验证电路图验证 电路图验证如图 2 13 所示 图 2 13 电路图验证 2 2 3 二极管负载共源级放大器电路图二极管负载共源级放大器电路图 SPICE 文件文件设置设置 二极管共源级放大器电路图 SPICE 文件如图 2 14 图 2 14 二极管连接的负载的共源级放大器 SPICE 文件 2 2 4 二极管连接负载的共源级放大器电路图仿真图二极管连接负载的共源级放大器电路图仿真图 二极管共源级放大器电路图仿真图如图 2 15 图 2 15 二极管负载的共源级放大器电路图仿真图 共源级放大器的电路设计及版图实现 12 2 2 5 二极管负载共源级放大器版图二极管负载共源级放大器版图设计设计 二极管共源级放大器版图如图 2 16 所示 图 2 16 二极管负载的共源级放大器版图 2 2 6 DRC 规则检查规则检查 DRC 规则检查如图 2 17 巢湖学院 2014 届本科毕业论文 设计 13 图 2 17 二极管连接的负载的共源级放大器版图 2 2 7 二极管负载共源级放大器版图二极管负载共源级放大器版图 spice 文件文件设置设置 二极管负载共源级放大器版图 spice 文件如图 2 18 图 2 18 二极管连接的负载的共源级放大器 spice 文件 2 2 8 二极管负载共源级放大器版图仿真图二极管负载共源级放大器版图仿真图 二极管负载共源级放大器版图仿真图如图 2 19 共源级放大器的电路设计及版图实现 14 图 2 19 二极管负载共源级放大器版图仿真图 2 3 电流源负载共源级放大器电路电流源负载共源级放大器电路原理分析原理分析 应用中有时要求单级具有很大的电压增益 8 关系式表示 我们 vmDAg R 可以增大共源极的负载电阻阻止 但是对于电阻或者二极管连接的负载而言 增大阻值会限制输出电压的摆幅 一个更切实可行的方法是用电流源代替电阻 或者二极管负载 使电路中两个管子都工作在饱和区 9 因此在输出结点所看 到的总的输出阻抗等于所以增益为 102orr 3 1 1102 vmoAgrr 当远大于时 3 2 02r1or 1 1 1 2vm onox D D W Ag rC I LI 总结 在漏电流一定时 只增大 L 可增大增益 但同时会使寄生电容增大 单纯的增大会使增益减小 10 DI 2 3 1 电流源负载共源级放大器电路图设计电流源负载共源级放大器电路图设计 电流源共源级放大器电路如图 2 20 巢湖学院 2014 届本科毕业论文 设计 15 图 2 20 电流源负载共源级放大器电路图 2 3 2 电路图验证电路图验证 电路图验证如图 2 21 图 2 21 电路验证图 2 3 3 电流源负载共源级放大器电路图电流源负载共源级放大器电路图 SPICE 文件文件设置设置 电流源共源级放大器电路图 SPICE 文件如图 2 22 共源级放大器的电路设计及版图实现 16 图 2 22 电流源负载共源级放大器电路图 SPICE 文件 2 3 4 电流源负载共源级放大器电路图仿真图电流源负载共源级放大器电路图仿真图 电流源共源级放大器电路图仿真图如图 2 23 图 2 23 电流源负载共源级放大器电路图仿真图 2 3 5 电流源负载共源级放大器版图电流源负载共源级放大器版图设计设计 电流源共源级放大器版图如图 2 24 巢湖学院 2014 届本科毕业论文 设计 17 图 2 24 电流源负载共源级放大器版图 2 3 6 DRC 规则检查规则检查 DRC 规则检查如图 2 25 图 2 25 电流源负载共源级放大器版图 共源级放大器的电路设计及版图实现 18 2 3 7 电流源负载共源级放大器版图电流源负载共源级放大器版图 spice 文件文件设置设置 电流源共源级放大器版图 spice 文件如图 2 26 图 2 26 电流源负载共源级放大器 spice 文件 2 3 8 电流源负载的共源级放大器版图仿真图电流源负载的共源级放大器版图仿真图 电流源共源级放大器版图仿真图如图 2 27 图 2 27 电流源负载共源级放大器版图仿真图 巢湖学院 2014 届本科毕业论文 设计 19 3 LVS 对比对比 LVS 是电路图与版图的结果对比工具 用于把由 L Edit 生成的版图反向提 取的 SPC 网表与由 S Edit 设计的逻辑电路图输出的 SP 网表进行对比 实现版 图检查和对照分析 检测绘制的版图和电路图是否一致电路的工具 LVS 工具 不光能检测出部件和布线 还能够检测出这些器件类型是否正确 3 1 电阻负载共源级放大器电路电阻负载共源级放大器电路 LVS 对比对比 电阻共源级放大器电路 LVS 对比如图 2 28 图 2 28 LVS 对比图 3 2 二极管连接负载的共源级放大器电路二极管连接负载的共源级放大器电路 LVS 对比对比 二极管共源级放大器电路 LVS 对比如图 2 29 共源级放大器的电路设计及版图实现 20 图 2 29 LVS 对比图 3 3 电流源负载共源级放大器电路电流源负载共源级放大器电路 LVS 对比对比 电流源共源级放大器电路 LVS 对比如图 2 30 巢湖学院 2014 届本科毕业论文 设计 21 图 2 30 LVS 对比图 4 结束语结束语 本次的论文课题主要为研究共源级放大器的电路与版图的具体设计与实 现 采用 EDA 技术里的 Tanner Tools 软件工具对其进行整体设计 完成电 路的设计后 由输出 SPICE 文件与 W Edit 工具对进行模拟仿真 然后在 绘制无误的版图及后续软件的基础上 同样进行模拟及仿真 并与之前的仿 真结果进行在波形上的对比 最终将两种设计得出的结果做个比较 通过 此设计进一步熟悉 Tanner13 软件