课程设计课件(06级).ppt

集成电路课程设计指导教师 陈先朝xchchen 器件名称 3 8线译码器的74HC138芯片 学号尾号为双数的同学 含两个2 4译码器的74HC139芯片 学号尾号为单数的同学 或自选复杂程度与此相当的其他芯片 但需指导教师同意 要求的电路性能指标 可驱动10个LSTTL电路 相当于15pF电容负载 输出高电平时 IOH 20 A VOH min 4 4V 输出底电平时 IOL 4mA VOL man 0 4V 输出级充放电时间tr tf tpd 25ns 工作电源5V 常温工作 工作频率fwork 30MHz 总功耗Pmax 150mW 整个芯片 一 课程设计题目 二 设计内容1 功能分析及逻辑设计 2 电路设计 3 估算功耗与延时 4 电路模拟与仿真 5 版图设计 全手工 层次化设计 6 版图检查 DRC与LVS 7 后仿真 选做 8 版图数据提交 按题目要求 每一位学生独立完成设计全过程 设计时使用的工艺及设计规则 学号尾号TechnologyandDRC0MOSIS mamin081MOSIS mhp n052MOSIS mhp n083MOSIS mhp n124MOSIS mhp ns55MOSIS mhp ns86ORBIT orbtn127ORBIT orbtn208ORBIT orbtp129ORBIT orbtp20 三 设计要求 严格按要求使用工艺及设计规则 根据所用的工艺 选取合理的模型库 修正不合理的参数 使用其参数进行相关计算 参考模型库地址 TSpice10 1 models选用以lambda 为单位的设计规则 工艺及规则地址 LEdit11 1 Samples tech mosis和orbit目录中 设计时间安排 两周指导与答疑计算阶段 本周二至周五地点 教2 206 一班 教2 208 二班 每天上午8 30 下午2 00签到上机阶段 宿舍或工3 308设计的考评 按平时 答辩 报告书综合评出该课程设计成绩 优 良 中 及格 不及格五个等级 四 主要教学环节 五 课程设计报告的内容和要求课程设计报告的内容必须包括上述设计内容的每一项 每一项要有设计思路分析 合理性分析 每一个参数计算要列出计算公式来源 选用原始参数依据 公式 数据代入 结果 每一级电路参数计算 主要是W L 要有相应的电路图 模拟时要列出源程序 所用模型参数 结果及分析 版图设计要有单元版图和总体布置版图 总结这次课程设计的经验和体会 每人提交一份设计说明报告书 提交电子版电路图 版图和设计说明报告书 每个班刻一张光盘 每人各设立一个子目录 号 班内顺序 格式 详见 广东工业大学本科课程设计规范 第十二条 一 74HC139电路简介 设计方法简介 以74HC139为例 74HC139的管脚图 74HC139真值表 一半 74HC139的逻辑表达式 74HC139的逻辑图 1 输出级电路据要求 输出级等效电路如图所示 二 电路设计 1 CMOSN管 W L N的计算当输入为高电平时 输出为低电平 N管主 饱和 导通 后级TTL有较大的灌电流输入 要求 IOL 4mA VOL man 0 4V 依据MOS管的设计方程进行计算 其中 输入Vi为前一级的输出 可认为是理想的输出 即ViL VSS ViH VDD 求出 W L N min极限值 注意用lambda 为单位表示 MOS管的理想电流方程分段表达式 MOS管的理想电流方程统一表达式 MOS管的设计方程 2 CMOSP管 W L P的计算当输入为低电平时 输出为高电平 P管主 饱和 导通 同时要求N管和P管的充放电时间tr tf 分别求出这两个条件下的 W L P min极限值 然后取大者 以 IOH 20 A VOH min 4 4V为条件计算 W L P min极限值 用MOS管的设计方程 以tr tf为条件计算 W L P min极限值 2 内部基本反相器中的各MOS尺寸的计算 内部反相器 如右图所示 的负载由CL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 漏极PN结电容CPN计算CPN Cja Wb Cjp 2W 2b 其中Cja是每um2的结电容 Cjp是每um的周界电容 b为有源区宽度 可从设计规则获取 如若最小孔为2 2 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b 6 Cja和Cjp可用相关公式计算 或从模型库选取 或用经验数据 总的漏极PN结电容应是P管的和N管的总和 即 CPN Cja WN WP b Cjp 2WN 2WP 4b 栅电容Cg计算Cg Cg N Cg P 此处的WN和WP近似取输出级的WN和WP值 连线杂散电容CS 一般CPN Cg 10CS 可忽略CS作用 所以 内部基本反相器的总负载电容CL为上述各电容计算值之和 把CL代入tr和tf的计算式 并根据tr tf 25ns的条件 计算出WN和WP 得 CS 3 内部逻辑门MOS尺寸的计算内部逻辑门的电路如图所示 根据截止延迟时间tpLH和导通延迟时间tpHL的要求 在最坏情况下 必须保证等效N管 P管的等效电阻与内部基本反相器的相同 这样三输入与非门就相当于内部基本反相器了 因此 N管的尺寸放大3倍 而P管尺寸不变 即 4 输入级设计 由于本电路是与TTL兼容 TTL的输入电平ViH可能为2 4V 如果按正常内部反相器进行设计 则N1 P1构成的CMOS将有较大直流功耗 故采用图示的电路 通过正反馈的P2作为上提拉管 使ViH较快上升 减小功耗 加快翻转速度 1 提拉管P2的 W L P2计算为了节省面积 同时又能使ViH较快上升 取 W L P2 1 2 CMOS反相器P1管 W L P1的计算此P1管应取内部基本反相器的尺寸 具体计算过程见本小节2的内部基本反相器中各MOS尺寸的计算 3 CMOS反相器N1管 W L N1的计算由于要与TTL电路兼容 而TTL的输出电平在0 4 2 4V之间转换 因此要选取反相器的状态转变电平 从中可求出CMOS反相器N1管 W L N1值 又知 5 缓冲级的设计 1 输入缓冲级由74HC139的逻辑图可知 在输入级中有三个信号 Cs A1 A0 其中Cs经一级输入反相器后 形成 用去驱动4个三输入与非门 故需要缓冲级 使其驱动能力增加 由于A1 A0以及各驱动内部与非门2个 所以可以不用缓冲级 Cs的缓冲级设计过程如下 Cs的缓冲级与输入级和内部门的关系如图所示 图中M1为输入级 M2为内部门 M3为缓冲级驱动门 M1的P管和N管的尺寸即为上述所述的输入级CMOS反相器P1管和N1管尺寸 M2的P管和N管的尺寸即为内部基本反相器P1管和N1管尺寸 M3的P管和N管的尺寸由级间比值 相邻级中MOS管宽度增加的倍数 来确定 如果要求尺寸或功耗最佳 级间比值为2 10 具体可取 N为扇出系数 它的定义是 在本例中 前级等效反相器栅的面积为M2的P管和N管的栅面积总和 下级栅的面积为4个三输入与非门中与Cs相连的所有P管和N管的栅面积总和 从中得出M3管尺寸为 2 输出缓冲级 由于输出级部分要驱动TTL电路 其尺寸较大 因而必须在与非门输出与输出级之间加入一级缓冲门M1 如图所示 将与非门M0等效为一个反相器 类似上述Cs的缓冲级设计 计算出M1的P管和N管的尺寸 6 输入保护电路设计因为MOS器件的栅极有极高的绝缘电阻 当栅极处于浮置状态时 由于某种原因 如触摸 感应的电荷无法很快地泄放掉 而MOS器件的栅氧化层极薄 这些感应的电荷使得MOS器件的栅与衬底之间产生非常高的电场 该电场强度如果超过栅氧化层的击穿极限 则将发生栅击穿 使MOS器件失效 因此要设置保护电路 可设计如图所示的输入保护电路 保护电路中的电阻可以是扩散电阻 多晶硅电阻或其他合金薄膜电阻 其典型值为300 500 二极管的有效面积可取500 m2 或用Shockley方程计算 也可直接调用库中的标准pad 三 功耗与延迟估算 74HC139电路从输入到输出的所有各支路中 只有Cs端加入了缓冲级 因而增加了延时与功耗 因此在估算延时 功耗时 就以Cs支路电路图 如下图所示 来简化估算 1 模型简化 由于在实际工作中 四个三输入与非门中只有一个可被选通并工作 而另三个不工作 所以估算功耗时只估算上图所示的支路即可 在Cs端经三级反相器后 将不工作的三个三输入与非门等效为负载电容CL1 而将工作的一个三输入与非门的两个输入接高电平 只将Cs端信号加在反相器上 在X点之前的电路 由于A0 A1 Cs均为输入级 虽然A0 A1比Cs少一个反相器 作为工程估算 可以认为三个输入级是相同的 于是 估算功耗时对X点这前的部分只要计算Cs这一个支路 最后将结果乘以3倍就可以了 在X点之后的电路功耗 则只计算一个支路 2 功耗估算 CMOS电路的功耗中一般包括静态功耗 瞬态功耗 交变功耗 由于CMOS电路忽略漏电 静态功耗近似为0 工作频率不高时 也可忽略交变功耗 则估算时只计算瞬态功耗PT即可 PT是上述Cs支路各级器件功耗的总和 共有6级 即 PT CL总Vdd2fmax其中 CL1为三输入与非门的栅作为前级负载的电容 按Cg计算 CPN Cg CS按上述有关公式计算 CS值可忽略 整个芯片功耗为2PT 3 延迟估算 算出每一级等效反相器延迟时间 总的延迟时间为各级 共6级 延迟时间的总和 各级等效反相器延迟时间可用下式估算 4 结果分析估算出的功耗与延迟值与设计指标比较 若满足要求 进行下一步工作 若不满足要求 修改设计 直到满足设计指标为止 四 电路模拟 电路模拟中为了减小工作量 使用上述功耗与延迟估算部分用过的Cs支路电路图 为了计算出功耗 在两个电源支路分别加入一个零值电压源VI1和VI2 电压值为零 如下图所示 在模拟时进行直流扫描分析 然后就可得出功耗 把电路图转化为SPICE文件 注意 SPICE文件中的参数要与计算得出的参数相同 加入相关语句进行如下分析 直流分析 当VCS由0 4V变化到2 4V过程中 观察波形得到阈值电压 状态转变电平 VI VI 的值应为1 4V 瞬态分析 从波形中得到tpLH tpHL tr和tf 然后进行相关计算 功耗分析 对电压源VI1和VI2进行直流扫描分析 dclinsourceVI1050 1sweeplinsourceVI2050 1 输出 printdcp VI1 p VI2 从波形中得出p VI1 max和p VI2 max 总功耗 Ptotal 2 3 p VI1 max p VI2 max 模拟分析得到的结果与设计指标比较 若满足要求 进行下一步工作 若不满足要求 修改设计 直到满足设计指标为止 五 版图设计层次化 全手工设计版图 按版图设计的注意事项进行布图和布线 还要注意散热的均匀性和热量容易散发 注 报告书中要说明版图如何层次化设计 布图和布线注意了哪些事项 如何形成完整的总图 包括焊盘 六 版图检查版图设计规则检查 DRC 做DRC检查时应该分成小块 单元 检查 每一部分做成一个单元 每个单元进行DRC检查 在全部通过后 将单元组合成电路 最终做一次全版图的DRC 以确保全版图正确 电路网表匹配 LVS 检查电路图提取的网表文件 sp 与版图提取的网表文件 spc 进行元件和节点的匹配检查 如果匹配 表明版图的连接及版图中各管子的生成是正确的 因此 只要保证电路图是正确的 LVS检查就可以验证版图的正确性 后仿真 选做 从版图提取SPICE网表文件 spc 加载电路特性分析指令