反相器设计前仿与后仿流程

1 目录目录 前端电路设计与仿真 2 第一节双反相器的前端设计流程 2 1 画双反相器的 visio 原理图 2 2 编写 sp 文件 2 第二节后端电路设计 4 一 开启 linux 系统 4 2 然后桌面右键重新打开 Terminal 6 双反相器的后端设计流程 7 一 schematic 电路图绘制 7 二 版图设计 20 画版图一些技巧 29 三 后端验证和提取 30 第三节后端仿真 36 其它知识 39 2 前端电路设计与仿真前端电路设计与仿真 第一节双反相器的第一节双反相器的前端前端设计流程设计流程 1 画双反相器的 画双反相器的 visio 原理图原理图 V VD DD D i in n M M0 0 M M1 1 V VD DD D M M2 2 M M3 3 o ou ut t f fa a 图 1 1 其中双反相器的输入为 in 输出为 out fa 为内部节点 电源电压 VDD 1 8V MOS 管用的是 TSMC 的 1 8V 典型 MOS 管 在 Hspice 里面的名称 为 pch 和 nch 在 Cadence 里面的名称为 pmos2v 和 nmos2v 2 编写 编写 sp 文件文件 新建 dualinv txt 文件然后将后缀名改为 dualinv sp 文件 具体实例 sp 文件内容如下 3 lib F Program Files synopsys rf018 l TT 是 TSMC 用于仿真的模型文件位置 和选择的具体工艺角 这里选择 TT 工艺角 划红线部分的数据请参考 excel 文件 尺寸对应 6 参数 MOS 管的 W 不同 对应的 6 个尺寸是不同的 但是这六个尺寸不随着 L 的变化而变化 划紫色线条处的端口名称和顺序一定要一致划紫色线条处的端口名称和顺序一定要一致 MOS 场效应晶体管描述语句 场效应晶体管描述语句 与后端提取 pex 输出的网表格式相同 MMX D G S B MNAME 2 1 在 在 windowXP 开始开始 程序这里打开程序这里打开 Hspice 程序程序 2 2 弹出以下画面然后进行仿真 弹出以下画面然后进行仿真 1 打打开开 sp 文文件件 2 按按下下仿仿 真真按按钮钮 3 查查看看波波 形形 存存放放 sp文文件件的的地地址址 查看波形按钮按下后弹出以下对话框 4 单单击击此此处处 如果要查看内部节点的波形 双击 Top 处 单单击击这这些些 节节点点即即可可 查查看看波波形形 如如果果有有多多 个个子子电电路路 请请单单击击此此 处处的的T To op p 查查看看 如果要查看测量语句的输出结果请查看 MTO 文件 用记事本打开 至此前端仿真教程结束 第二节后端电路设计第二节后端电路设计 前序 打开 Cadence 软件 一 开启一 开启 linux 系统系统 双击桌面虚拟机的图标 5 选择 Power on this virtual machine 开启 linux 之后 在桌面右键选择 Open Terminal 输入 xhost local 命令 按回车 之后输入 su xue 命令 按 回车 这样就进入了 xue 用户 6 1 输入命令加载 calibre 软件的 license 按回车 等到出现以下画面再关闭 Terminal 窗口 2 然后桌面右键重新打开 然后桌面右键重新打开 Terminal 进入学用户 开启 Cadence 软件 如下图 然后出现 cadence 软件的界面 关闭这个 help 窗口 剩下下面这个窗口 这样 cadence 软件就开启了 7 如果在操作过程中关闭了 cadence 只需要执行步骤 2 即可 步骤 1 加载 calibre 的 license 只在 linux 重启或者刚开启的时候运行一次就可以了 双反相器的双反相器的后端后端设计流程设计流程 一 一 schematic 电路图绘制电路图绘制 1 注意注意 在在 Cadence 中画中画 schematic 电路图时 每一个节点都需要命名电路图时 每一个节点都需要命名 不然在参数提取之后没有 命名的那些节点会被系统自动命名 导致用 HSPICE 查看内部节点波形时难以迅速找到自己 需要的节点 2 打开 打开 Cadence 软件新建库和单元软件新建库和单元 Cell View 用命令 icfb 打开 Cadence 软件后弹出以下 CIW 窗口 选择 Flie New Libirary 之后弹出以下窗口 这里我们新建一个名为 ttest 的库 注意 注意 在新建在新建 library 的时候要的时候要 attach to an existing techfile 8 点击 OK 以后弹出以下窗口 在 technology library 这里选择我们的 TSMC 库 tsmc18rf 然后点击 OK 在 CIW 窗口的 tools 菜单中选择第二个 library manager 之后弹出以下窗口 我们可以看到左边 Library 里面有我们之间建立的 ttest 库 用鼠标左键选择 ttest 发现它的 Cell 和 View 都是空的 然后在该窗口的 File New Cell View 新建一个单元 Cell View 弹出以下窗口 在窗口的 Cell name 中输入我们需要取的名字 这 里取的是 dualinv 点击 OK 后自动弹出画 schematic 的窗口 9 3 画 画 schematic 电路图电路图 点击上面的这个作图版面 在键盘上按快捷键 i 会出现添加器件的窗口 点击 Browse 后弹出以下窗口 这里选中 TSMC 的库 tsmc18rf 在 Cell 中选中 pmos2v view 中选中 symbol 然后鼠标移到外面的画图板上 就会出现一个 PMOS 管 左键点击就可以放上 去了 按按 ESC 回到正常的光标状态回到正常的光标状态 10 同理 选中 TSMC 库中的 nmos2v 就可以添加 NMOS 管 按快捷键按快捷键 M 然后 然后 再点击一下 选中 器件即可以移动器件再点击一下 选中 器件即可以移动器件 接下来修改 MOS 管的尺寸 我们看到上述 MOS 管的默认尺寸都是 L 180n W 2u 我们这里将 PMOS 管修改为 W 720n NMOS 管修改为 W 220n 注意 注意 TSMC 0 18um 库库 nmos2v 和和 pmos2v 最小的最小的 W 只能设置到只能设置到 220nm 而 而 不能设置到不能设置到 180nm 鼠标左键选中一个器件 如 M0 然后按快捷键 Q property 出现以下调整 MOS 管属性窗口 在 w M 的文本框中修改前面的 2u 修改成我们需要的 720n 然后点击 OK 即可 同理修改 NMOS 管的 W 220n 之后开始连线 按快捷键 W wire 即可 11 然后添加 PIN 脚 即与外部信号相连的端口 从图 1 1 可以看出这个双反相器电 路涉及到的 PIN 脚有 in out vdd gnd 注意 由于目前的工艺是注意 由于目前的工艺是 P 阱衬底 所以全部阱衬底 所以全部 NMOS 管的衬底即管的衬底即 B 端要接端要接 gnd 而 而 PMOS 管的衬底可以接自己的管的衬底可以接自己的 S 端或者端或者 vdd 一般只接 一般只接 VDD 不接不接 S 知识补充 MOS 管的衬底 B 端接 S 才能不引起衬偏 衬偏了会造成阈值电压 增大 按快捷键 P 就可以添加 PIN 脚 在 pin name 中输入名称 Direction 中选中 pin 脚的方向 其中 in 的 direction 是 input out 的 direction 是 output gnd 和 vdd 的 direction 是 inputoutput 然后按回车 光标上就会出现一个 pin 的光影 点击鼠标左键即可摆放 摆放 pin 脚之后 将 PIN 脚与电路相连 同样用快捷键 W 来连线 12 由于图 1 1 中还有一个内部节点 fa 这里我们就需要给内部节点命名 按快捷 键 L 出现命名窗口 在 names 这里输入 fa 然后按回车 然后鼠标上出现 fa 光影 将 fa 移到内部需要命名的线上点击左键即可 然后保存电路 通用 也可以用快捷键 L 来连接两个单元 这样就不用连线 却能保证两个单元连接到一起 13 在画图板左边工具栏里面选中第一个 check and save 4 将电路图创建成为一个 将电路图创建成为一个 symbol 用于仿真电路 用于仿真电路 选择 Design Create Cellview From Cellview 弹出以下窗口 14 点击 OK 弹出以下窗口 这里主要是 Top Pins 和 Botton Pins 这里需要修改 修改成如下图 点击 OK 弹出以下电路 点击 save 按钮保存 这样我们就会看到在 library manager 里面就多出了一个该电路的 symbol 15 5 用 用 spectre 仿真器仿真电路仿真器仿真电路 这里仿真一下电路主要是验证一下自己电路有没有画错 如果电路逻辑功能正 确 那么基本上可以保证自己刚才画的电路是正确的 新建一个名为 dualtest 的 Cell View 单元 在 Library Manager 下 16 点击 OK 按快捷键 i 添加我们之前给双反相器电路创建的 symbol 然后出现下图 接下来就要给各个端口加激励信号和电源了 按 I 添加器件 在 analoglib 中首先选择直流电压 Vdc 另外还要选择 vpwl 作为 线性分段信号源 按 Q 修改 vdc 的属性 17 在 DC voltage 这里将电压值设置为 1 8v 注 意 只要填入 1 8 即可 不要带入单位 同样修改 vpwl 的属性 这里我们设置一个 3 段线性信号 即 6 个点 如下图 此外我们还要添加一个 gnd 器件作为基准地信号 在 analoglib 中选择 添加完器件之后如下图 18 注意 电路的注意 电路的 gnd 与标准地与标准地 gnd 之间要添加一个之间要添加一个 0V 的直流电压的直流电压 接下来连线以及给输出端添加一个 PIN 如下图 然后按 check and save 保存 选择 tools 中的 Analog environment 弹出以下窗口 19 选择右边工具框中的第二个 弹出以下窗口 这里设置仿真的停止时间 该时间根据自己具体需要填写 然后点 OK 接下来设置需要看波形的那些端口 outputs To Be Plotted Select On Schematic 然后在要看波形的线条上单击鼠标左键点一下即可 20 点完之后该线条会变颜色以及闪烁 之前的 Analog environment 窗口的 outputs 中也会出现相应的名称 然后点击右边工具栏中得倒数第三个 Netlist and Run 电路正确的话就会有波形 点击该图标是分离重叠的波形 其他快捷键 E 看 symol 里面的电路 Ctrl E 退出看内部电路 F 让原理图居中 P PIN 管脚快捷键 W 连线 L 命名连线 21 C 复制 Q 器件属性 M 移动 U 撤销 其他相关设置 其他相关设置 设置回退次数 CIW 窗口 options user preference 多个器件属性一起修改 用 shift 选中以后然后选 all selected 原先是 only current 二 版图设计二 版图设计 打开 dualinv 的 schematic 电路图 然后 Tools Design Synthesis Layout XL 之后弹出以下对话框 点击 OK 后弹出 22 点击 OK 就会自动弹出画 layout 的版面 此时键盘上按 E 键 出现设置窗口 这里修改分辨率 将将 X Snap Spacing 和和 Y Snap Spacing 修改为修改为 0 005 方便之 后的画图 点击 OK 在画 layout 版面的菜单中选择 Design Gen From source 然后弹出以下窗口 23 点击 OK 即可 版面上就生成与原 schematic 电路图相对于尺寸的 MOS 管 如下图 注注 可以不 gen from source 而直接在画版图的版面按快捷键 I 添加 layout 器件 再修改尺寸 这样也可以通过 LVS 经过测试即使版图中经过测试即使版图中 MOS 的编号和的编号和 schematic 中的不同 但是最终输出子电路中中的不同 但是最终输出子电路中 MOS 管编号跟管编号跟 schematic 是相同是相同 的的 选择那四个绿色的方框和紫色的线 按 delete 删除 删除后就剩下四个 MOS 管 按 shift F 将 MOS 管转换为可视的 layout 结构 并用 M 快捷键来移动 MOS 管 此时整个版面上就剩下四个 MOS 管了 Ctrl F 可以还原为 Schematic 结构 如下图 24 工具栏左边的放大镜可以放大和缩小 或者使用快捷键快捷键 Z 放大放大 shift z 缩小缩小 按了 Z 键要选某一个区域才能放大 不是直接放大与缩小 接下来开始画图 1 画画 PMOS 管和管和 NMOS 管相连的栅极管相连的栅极 用用 LSW 窗口中得窗口中得 POLY1 来画来画 选中 POLY1 drw 然后点版图 然后按 R 画方框 Q 属性可以看到是 dg 在空白处 按 S 键 鼠标移到矩形框的边 就能修改矩形框 修改之后让矩形框与 PMOS 管 NMOS 管的栅极对齐 一定要对齐 不然一定要对齐 不然 DRC 报错报错 放大可以看到他们是否对齐 这样的是对齐的 这样就是没对齐 画好 POLY1 以后如下图 25 2 画金属走线 画金属走线 由于该电路简单 只需要一层金属即可 所以只需要 LSW 中的 metal1 在 LSW 中选中 METAL1 drw 然后点版图 然后按 P 走线 然后按 F3 设置 线宽为 0 5 Q 属性可以看到是 dg 画完后如下图 注意金属要整个覆盖住注意金属要整个覆盖住 MOS 管的管的 D 端端 接触面积大才能保证电 流 3 画 画 POLY1 和和 metal1 之间的连接之间的连接 不同材料之间相连要打孔不同材料之间相连要打孔 比如 Metal1 和 poly1 相连 就选 M1 POLY1 Metal1 和 Metal2 相连就选 M2 M1 NMOS 的衬底接触和体相连 用 M1 SUB PMOS 管的衬底接触和体相连用 M1 NWELL LSW 中选中 poly1 drw 按 P 按 F3 设置为 0 5 宽度 画一段 poly 26 然后在这段 poly 上打孔 按字母 O 键 弹出以下窗口 在 Contact Type 这里选择 M1 POLY1 Rows 这里输入 2 然后回车 鼠标右键可以旋转器件鼠标右键可以旋转器件 将这个通孔放于之前的 poly1 上 然后 metal1 与这个通孔相连即实现了金属 1 层与 poly1 之间的连接 27 接下来输入信号 in 这里也要这样画 画好之后的整体图如下 4 画衬底接触 画衬底接触 这里要分别画 PMOS 管的衬底接触和 NMOS 管的衬底接触 按快捷键字母 O 在 Contact Type 这里选择 M1 SUB 这个是 NMOS 管的衬底接触 28 按快捷键字母 O 在 Contact Type 这里选择 M1 NWELL 这个是 PMOS 管的 衬底接触 5 给 给 PMOS 管打阱管打阱 因为现在是 P 阱工艺 整个画图的版面就是一个 P 型衬底 而 NMOS 管是做 在 P 型衬底上面的 所以画 NMOS 管的时不需要画阱 而画 PMOS 管时要画 nwell 即它的衬底 nwell 要包围住要包围住 PMOS 管和它的衬底接触管和它的衬底接触 在 LSW 中选中 NWELL drw 按 R 画矩形框 如下图 6 画管脚 画管脚 PIN 在 LSW 中选中 metal1 pin 29 接着点击空白处 然后按快捷键 L 弹出以下窗口 在 Label 这里输入名称 注意这个名称要与注意这个名称要与 schematic 图中节点的名称要相同图中节点的名称要相同 Height 这里设置字体的高度 Font 这里设 置字体的样式 然后按回车 将 PIN 脚摆放到正确位置 7 补全其它连线 补全其它连线 因为上图并不完整 还有很多连线没有连 在熟悉版图画法之后这一步是放在在熟悉版图画法之后这一步是放在 前面做的 因为我们熟悉画法后就知道哪里是前面做的 因为我们熟悉画法后就知道哪里是 VDD gnd 输入和输出 输入和输出 画完这个 7 步骤以后点左边工具栏的 SAVE 保存 然后就可以进行后面的 DRC LVS 和 PEX 了 补充知识补充知识 多层金属连线 多层金属连线 30 以下讲解两层金属以下讲解两层金属 metal1 和和 metal2 的布线的布线 由于金属走线经常会交叉 所以单层金属是不够的 这就涉及到多层金属的布 线 metal2 drw 是金属层 2 metal1 和 metal2 之间用通孔 M2 M1 画版图一些技巧 画版图一些技巧 1 所有的 MOS 管最好同方向 竖方向 不要有有横有竖 最好是最好是 PMOS 管放管放 一起一起 比如一起放上面比如一起放上面 NMOS 管放一起管放一起 一起放下面一起放下面 不一定是按照 schematic 电路图上的 MOS 管顺序来摆放 2 走线不要穿过 MOS 管 要绕过去 3 单排衬底接触最长不要超过 100um 比较敏感的管子要多加些接触 两排或 多排 衬底接触少了电阻会大 一般情况我们采用单排衬底一般情况我们采用单排衬底 即即 rows 或或 columns 1 4 横线用金属 2 竖线用金属 1 金属越宽电阻越小 我们一般取我们一般取 0 5u 宽度宽度 寄生电容与发生寄生电容的两导体面积成正比 因此线宽就 0 5u 够了 能承受 1mA 不需要再大 TED 5 版图的 PMOS 管和 NMOS 管 源极和漏极是不区分的 上下的 poly1 都是栅 极 6 衬底接触一般在下面画一排接触即可衬底接触一般在下面画一排接触即可 对于数模混合电路某个 MOS 管是特 别敏感的那用衬底全包围 7 走线尽可能短 尽量画的紧凑 减少延时走线尽可能短 尽量画的紧凑 减少延时 8 尽量不用尽量不用 POLY 来走线来走线 如果两个栅极之间具体太长 中间用金属走线 poly 的长度最多是 3 5um 9 同一层 Metal 之间的距离要大于最小值 0 23um 一般是设置成大于 0 5um 比如两条比如两条 metal1 走线之间的距离要大于走线之间的距离要大于 0 5um 10 PMOSPMOS 管的衬底全部接管的衬底全部接 VDDVDD NMOSNMOS 管的衬底全部接地管的衬底全部接地 各种器件之间的距离 各种器件之间的距离 1 PMOS 管和 NMOS 管之间的距离一般控制在 1um 以上 太近 DRC 报错 2 两个不同电压 nwell 之间的距离要大于 1 4u 因此一开始要预留 5um 3 Nwell 和 NMOS 管之间的距离推荐是大于 1u 4 Nwell 和衬底接触以及 PMOS 管的距离 0 5u 左右 5 衬底接触和 mos 管距离一般设置为 0 5u 31 电容和电阻器件不选择 analoglib 里面的 cap 和 res 这两个是理想电容电阻 电 容一般选择 tsmc 里面的 mimcap 电阻则要看电阻率等具体要求 TED 黄 快捷键 K 尺寸距离 shift k 撤销尺寸 S 修整 M 移动 选上后右键可旋转 Z 放大 ctrl z 放大两倍 shift z 缩小两倍 Shift 选择多个器件 Shift F 显示 NMOS 和 PMOS 器件的版图 O 打孔 pmos 管衬底属性选择 M1 NWELL nmos 管选择 M1 SUB 金属和 poly 打孔属性选择 M1 POLY1 三 后端验证和提取三 后端验证和提取 后端仿真首先要 DRC 然后 LVS 然后 PEX 提取寄生参数 最后用 Hspice 仿 真器仿真提取参数后的网表 这里主要用到的是 calibre 工具 1 DRC 上面工具栏中 calibre 选择 Run DRC 弹出下面窗口 Runset File 是 RUN DRC 时需要填入的一些设置 方便于下次 RUN 可直接取 消掉 32 DRC 主要设置 rules 的位置和 DCR Run 的路径 其余的都默认 Rules 这里选择 TSMC 库文件中 calibre 文件下的 calibre drc 这里的 DRC Run Directory 是自己创建的一个文件夹 su xue cd home xue mkdir drc 这里 dcr 改为 verify dcr 然后点击 Run DRC 弹出以下窗口 运行完成之后的弹出的窗口 点开看 如果是 area coverage 那就是覆盖率的问题 这种错误不用理会 比如 上图中得这 8 个错误是没关系的 2 Run LVS 同样 Runset File 点取消 33 设置 rules 和 input 的 netlist 新 lvs 改为 verify lvs Inputs Netlist 这里选择 Export from schematic viewer 点击 run LVS 后弹出以下窗口 34 如果是绿色笑脸则表示 LVS 通过 表示版图和 schematic 原理图是匹配的 说 明我们的版图没有画错 如果是红色脸蛋 表示有错误 那要点开看具体的错 误说明 再排除错误 3 Run PEX 同样 Runset File 点取消 Rules 设置 新 home gengliang ic verify pex Inputs netlist 设置 Export from schematic view 选上 Outputs extraction type 选择选择 R C 即提取寄生电阻和电容 format 这里选择这里选择 hspice 用于 Hspice 仿真器仿真 如果后仿是用 spectre 仿真器仿真 那么 format 这里选择 CALIBREVIEW 35 NEW 36 Outputs reports 这里 选上 generate PEX report 和 View report after PEX finishes NEW 然后 run PEX 之后在 home xue pex 文件夹下面生成三个我们需要用到的文件 list 里面是电路的网表 list pex 里面是各个节点的寄生参数 list DUALINV pxi 里面是一些调用子电路的命令 注 在 XP 系统下用写字板打开可查看这三个文件的内容 MOS 场效应晶体管描述语句 场效应晶体管描述语句 pex 输出的网表格式 MMX D G S B MNAME 37 第三节后端仿真第三节后端仿真 1 用 用 Hspice 仿真器进行后仿真仿真器进行后仿真 将上述三个文件复制到 XP 系统下面 然后新建一个 dualinv sp 文件 即新建文 本文档 后缀改成 sp 这样同一目录下就有四个文件 如下 将 list 文件中的电路复制到 dualinv sp 文件中 即蓝色框内这部分 注意 注意 list 文件里面那两行文件里面那两行 include list pex 和和 include list DUALINV pxi 千万不要忘记复制过来 千万不要忘记复制过来 第一行一定要加一个第一行一定要加一个 符号 符号 然后在 dualinv sp 中加激励信号以及一些测试语句即可以仿真 如下 38 这是 dualinv sp 文件 注意 注意 Hspice 不区分字母大小写不区分字母大小写 接下来用 Hspice 仿真器仿真这个 dualinv sp 文件 然后看输出波形 看功耗延 时参数 这些就已经是后端仿真的参数了 Attention 1 1 初始值要根据实际条件修改 初始