集成电路版图设计报告

北京工业大学 集成电路板图集成电路板图 设计报告设计报告 姓名 姓名 张靖维张靖维 学号 学号 2015 年 6 月 1 日 北京工业大学 1 目录目录 目录 1 1 绪论 2 1 1 介绍 2 1 1 1 集成电路的发展现状 2 1 1 2 集成电路设计流程及数字集成电路设计流程 2 1 1 3 CAD 发展现状 3 2 电路设计 4 2 1 运算放大器电路 4 2 1 1 工作原理 4 2 1 2 电路设计 4 2 2 D 触发器电路 12 2 2 1 反相器 12 2 2 2 传输门 12 2 2 3 与非门 13 2 2 4 D 触发器 14 3 版图设计 15 3 1 运算放大器 15 3 1 1 运算放大器版图设计 15 3 2 D 触发器 16 3 2 1 反相器 16 3 2 2 传输门 16 3 2 3 与非门 17 3 2 4 D 触发器 17 4 总结与体会 18 北京工业大学 2 1 绪论绪论 随着晶体管的出现 集成电路随之产生 并极大地降低了电路的尺寸和成 本 而由于追求集成度的提高 渐渐设计者不得不利用 CAD 工具设计集成电 路的版图 这样大大提高了工作效率 在此单元中 我将介绍集成电路及 CAD 发展现状 本次课设所用 EDA 工具的简介以及集成电路设计流程等相关内容 1 1介绍介绍 1 1 1 集成电路的发展现状集成电路的发展现状 2014 年 在国家一系列政策密集出台的环境下 在国内市场强劲需求的推 动下 我国集成电路产业整体保持平稳较快增长 开始迎来发展的加速期 随 着产业投入加大 技术突破与规模积累 在可以预见的未来 集成电路产业将 成为支撑自主可控信息产业的核心力量 成为推动两化深度融合的重要基础 1 1 2 集成电路设计流程及数字集成电路设计流程集成电路设计流程及数字集成电路设计流程 集成电路设计的流程一般先要进行软硬件划分 将设计基本分为两部分 芯片硬件设计和软件协同设计 芯片硬件设计包括 功能设计阶段 设计描 述和行为级验证 逻辑综合 门级验证 Gate Level Netlist Verification 布局 和布线 模拟集成电路设计的一般过程 电路设计 依据电路功能完成电路 的设计 前仿真 电路功能的仿真 包括功耗 电流 电压 温度 压摆幅 输入输出特性等参数的仿真 版图设计 Layout 依据所设计的电路画版图 后仿真 对所画的版图进行仿真 并与前仿真比较 若达不到要求需修改或重 北京工业大学 3 新设计版图 后续处理 将版图文件生成 GDSII 文件交予 Foundry 流片 数字集成电路设计流程 1 设计 输入电路图或硬件描述语言 2 逻辑综合 处理硬件描述语言 产生电路网表 3 系统划分 将电路分成大小合适的块 4 功能仿真 5 布图规划 芯片上安排各宏模块的位置 6 布局 安排宏模块中标准单元的位置 7 布线 宏模块与单元之间的连接 8 寄生参数提取 提取连线的电阻 电容 9 版图后仿真 1 1 3 CAD 发展现状发展现状 CAD CAM 技术 20 世纪 50 年代起源于美国 经过近 50 年的发展 其技术和水 平已经到达了相当成熟的阶段 日本 法国 德国也相继在机械制造 航空航 天 汽车工业 建筑化工等行业中广泛使用 CAD CAM 技术 CAD CAM 技术在发 达国家已经成为国民经济的重要支柱 我国 CAD CAM 技术的应用起步于 20 世纪 60 年代末 经过 40 多年的研究 开发与推广应用 CAD CAM 技术已经广泛应用于国内各行各业 综合来看 CAD CAM 技术的在国内的应用主要有以下几个特点 1 起步晚 市场份额小我国 CAD CAM 技术应用从 20 世纪 80 年代开始 七五 期间国家支持对 24 个重点机械产品进行了 CAD CAM 的开发研制工作 为我国 CAD CAM 技术的发展奠定了一定的基础 国家科委颁布实施的 863 计划 也大大促进了 CAD CAM 技术的研究和发展 九五 期间国家科委又颁发了 1995 2000 年我国 CAD CAM 应用工程发展纲要 将推广和应用 CAD CAM 技 术作为改造传统企业的重要战略措施 有些小企业由于经济实力不足 技术人 才缺乏 CAD CAM 技术还不能够完全应用到生产实践中 国内研发的 CAD CAM 软 件在包装和功能上与发达国家还存在差距 市场份额小 2 应用范围窄 层次浅 CAD CAM 技术在企业中的应用在 CAD 方面主要包括 二维绘图 三维造型 装配造型 有限元分析和优化设计等 其中 CAD 二维绘 图技术在企业应用情况较好 这一方面得益于国家大力推进 甩图板 工程 另 一方面是由于二维绘图技术解决的是所有企业的共性问题 三维造型软件由于 早期没有推出微机版本 需要在工作站环境中工作 投资较大 所以只有部分大企 业有所应用 在 CAM 方面 目前企业普遍应用的只是数控程序编制 国内企业已 经开始广泛使用华中数控系统 南京 SKY 系统 日本 FUNUC 系统 德国 SIEMENS 系统 而广义的 CAM 只有少数大型企业采用 中小企业极少应用 3 功能单一 经济效益不突 CAD CAM 技术在企业中的应用只是单元的智能 技术应用 是从企业生产的几个侧面来提高效率 功能分散的 CAD CAM 技术其效 果是有限的 只有将 CAD CAPP CAM PDM 等技术集成在一起 综合应用在设计 与制造生产的过程中 才能产生显著的经济效益 北京工业大学 4 2 电路设计电路设计 2 1运算放大器电路运算放大器电路 运算放大器是具有很高放大倍数的电路单元 在实际电路中 通常结合反 馈网络共同组成某种功能模块 它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器 其输出信号可以是输入信号加 减或微分 积分等数学运算的结果 2 1 1 工作原理工作原理 运放有两个输入端 a 反相输入端 b 同相输入端 和一个输出端 o 也 分别被称为倒向输入端非倒向输入端和输出端 当电压 U 加在 a 端和公共端 公共端是电压为零的点 它相当于电路中的参考结点 之间 且其实际方向 从 a 端高于公共端时 输出电压 U 实际方向则自公共端指向 o 端 即两者的方 向正好相反 当输入电压 U 加在 b 端和公共端之间 U 与 U 两者的实际方向 相对公共端恰好相同 为了区别起见 a 端和 b 端分别用 和 号标出 但不 要将它们误认为电压参考方向的正负极性 电压的正负极性应另外标出或用箭 头表示 一般可将运放简单地视为 具有一个信号输出端口 Out 和同相 反相 两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元 因此可采用运放制作同相 反相及差分放大器 运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种 对于双电源供电运放 其输出可在零电压两侧变化 在差动输入电压为零时输出也可置零 采用单电 源供电的运放 输出在电源与地之间的某一范围变化 运放的输入电位通常要求高于负电源某一数值 而低于正电源某一数值 经过特殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化 甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许 这种运放称为轨到轨 rail to rail 输入运算放大器 运算放大器的输出信号与两个输入端的信号电压差成正比 在音频段有 输出电压 A0 E1 E2 其中 A0 是运放的低频开环增益 如 100dB 即 倍 E1 是同相端的输入信号电压 E2 是反相端的输入信号电压 2 1 2 电路设计电路设计 1 启动Aether 在完成启动环境设置后 通过cd命令进入到用户的设计目录 输入工具的启动命令Aether 启动工具界面 cd aether 北京工业大学 5 2 设置PDK和创建设计库 本次课设将基于018um PDK进行电路的设计 我 们需要完成018um PDK的添加 在DM中 激活Tools Library Path Editor 将 弹出Library Path Editor编辑窗口 在Library Path Editor编辑窗口中 激活Edit Add Library 进行018um PDK的添加 在Add Library窗口中 点击OK button 即完成library的添加 北京工业大学 6 3 创建设计库 在DM的窗口中 通过菜单命令File New Library激活New Library命令 在激活New Library后 弹出New Library创建窗口 在New 北京工业大学 7 Library的窗口中进行相应的指定 点击OK 既可以完成Library的创建 4 创建放大器电路原理图 在Design Manager中 通过菜单命令File New Cell View 在弹出的New Cell View对话框中 在对话框中分别进行设置 完成 design cp amp schematic 的创建 当点击New Cell View窗口中的OK键 原理图 编辑器Schematic Editor将自动弹出原理图编辑界面 北京工业大学 8 5 添加元器件Instance 接下来 介绍通过Create Instance Copy Move Stretch命令完成放大器电路的 器件添加 首先 通过Create Instance命令完成器件的创建 如图3 4所示 1 通过菜单Create Instance命令弹出Create Instance选项设置窗口 2 点击Browse Button 在Browse窗口中将Library Cell View选择为 018um PDK p18 symbol 3 在Create Instance窗口中将p18的参数值设置为 Length 0 6u Entry 北京工业大学 9 Switch FingerWidth Finger Width 8u Fingers 4 SD Metal Width 0 23u 通过快捷键 实现对器 件 的R90 MY MX操作 4 p18的symbol卡通将出现在Schematic Editor编辑区中 在Schematic Editor 编辑区内 通过鼠标移动可以进行p18摆放位置的移动 点击鼠标左键 LMB 确定p18的摆放外置 完成p18的创建 6 修改MOS器件的Property 1 选中需要修改参数的MOS器件 2 选中MOS器件后 激活Property命令 3 Property命令被激活后 将调出的Edit Instance Properties窗口 在Edit Instance Properties窗口中 即可完成对MOS器件的参数修改 4 当选中多个器件时 可以通过First Next Previous和Last进行切换 北京工业大学 10 7 创建输入输出 Pin 通过菜单命令Created Pin Cretae Pin命令激活后 将 弹出Create Pin窗口 可以进行Pin Name的添加 8 添加连线Wire 接下来 我们要对已经摆放好的MOS器件和Pins完成Wire 连线 1 通过菜单Created Wire 快捷键方式激活命令 2 激活Create Wire命令后 单击键 可以弹出Create Wire选项设置窗 口 3 在Schematic Editor中 通过单击鼠标左键 即可完成连线 9 Check Check and Save 完成放大器原理图设计后 必须通过Check Check and Save 对原理图进行 电学规则 ERC 检查 以确保原理图的正确性 激活Check and Save命令 分别完成对原理图数据的Save操作和电学规则的 检查 并将Check的结果显示在Check Save Report窗口中 通过Verify Finde Marker命令显示Check信息 对ERC错误进行详细定位 已经完成的运算放大器的原理图如下 北京工业大学 11 2 2D 触发器电路触发器电路 D 触发器 该触发器由 4 个与非门组成 其中 G1 和 G2 构成基本 RS 触发 器 电平触发的主从触发器工作时 必须在正跳沿前加入输入信号 如果在 CP 高电平期间输入端出现干扰信号 那么就有可能使触发器的状态出错 而边沿 触发器允许在 CP 触发沿来到前一瞬间加入输入信号 这样 输入端受干扰的 时间大大缩短 受干扰的可能性就降低了 2 2 1 反相器反相器 反相器是可以将输入信号的相位反转 180 度 这种电路应用在模拟电路 比如说音频放大 时钟振荡器等 在电子线路设计中 经常要用到反相器 北京工业大学 12 2 2 2 传输门传输门 所谓传输门 TG 就是一种传输模拟信号的模拟开关 CMOS 传输门由 一个 P 沟道和一个 N 沟道增强型 MOSFET 并联而成 北京工业大学 13 2 2 3 与非门与非门 与非门是数字电路的一种基本逻辑电路 若当输入均为高电平 1 则输 出为低电平 0 若输入中至少有一个为低电平 0 则输出为高电平 1 与非门可以看作是与门和非门的叠加 2 2 4 D 触发器触发器 该 D 触发器电路由 4 个与非门 4 个传输门以及三个反相器组成 如下 北京工业大学 14 北京工业大学 15 3 版图设计版图设计 首先 设计版图的基础便是电路的基本原理 以及电路的工作特性 硅加 工工艺的基础 以及通用版图的设计流程 之后要根据不同的工艺对应不同的 设计规则 一般来说通用的版图设计流程为 制定版图规划记住要制定可能会被遗忘的特殊要求清单 设计实现考虑特殊要求及如何布线创建组元并对其进行布局 版图验证执行基于计算机的检查和目视检查 进行校正工作 最终步骤工程核查以及版图核查版图参数提取与后仿真 3 1运算放大器运算放大器 3 1 1 运算放大器版图设计运算放大器版图设计 1 在版图绘制过程中 利用 PDK 本身的功能 将 MOS 管的栅极都连接 起 来 省去手工布线连接栅极的麻烦 2 接下来是对各 MOS 的源漏极进行连接 以左下角的 NM0 和差分对管 NM2 NM3 为例 NM0 是作为尾电流源给其他两个管子提供固定电流 北京工业大学 16 则应将 NM0 的漏极跟 NM2 NM3 共同的源极相接 因为 Metal1 已经 用于连接栅极 所以使用 Metal2 走线 在 NM0 的漏极加上从 Metal1 到 Metal2 的 Via M2 M1 同理连接好其他 MOS 3 按 F3 弹出选项设置窗口 确定勾选上 Auto Detect Edge 和 With Same Layout 这两个选项可以保证不会错误产生其他层的连线 使所绘制 连线宽度保持和自动探测到的 Via 中已有 Metal2 宽度一致 4 完成该版图的后一步是添加 Guardring Guardring 的作用一般有两个 为 NMOS 提供衬底连接以杜绝栓锁效应 Latch up 隔离噪声 3 2D 触发器触发器 为了方便 D 触发器的版图设计 1 反相器 传输门 与非门这三个模块的版图要采用一致的高度 5 34 2 横向的走线尽量采用 M2 竖向的走线尽量采用 M1 3 D 触发器版图采用两行分布 3 2 1 反相器反相器 北京工业大学 17 3 2 2 传输门传输门 3 2 3 与非门与非门 北京工业大学 18 3 2 4 D 触发器触发器 北京工业大学 19 4 总结与体会总结与体会 通过集成电路版图设计的课程 我学会了统筹的安排版图的各部分 这是 在其他课上没有学习到的 这次仅仅通过电路图来自己想 自己画版图 大大 锻炼了我的识图以及画图能力 版图课程设计的过程中 不断地学习与实践 我了解了版图设计这一领域中不少的知识 版图设计从普通 N P MOS 管的画图 到触发器等各种复杂电路图的制作中 从单一的小元器件到整个电路图 每一 个