CMOS反相器电路设计

1、论文题目：cmos反相器电路设计、仿真及版图设计学生姓名：欧阳倩学 号：20131060189专 业：通信工程任课教师：梁竹关摘要：本文着重介绍了ltspice和lasi软件的相关设计原理和简单的设计操作，对此，我首先将从电路的工作原理方面介绍cmos4反相器的结构、特性及其电路工作原理。了解其工作原理是进行仿真和版图设计的基础。然后我选择利用ltspice来进行cmos反相器的设计仿真以此来证实其设计正确性，之后采用lasi画出符合工业设计的cmos反相器的版图。通过本次设计实验可以更加了解cmos4反相器的工作原理，并掌握了cmos4反相器的基本设计方法。关键词：cmos反相器 ltspi

2、ce lasi版图设计 封装测试目 录第一章 引言4第二章 cmos反相器42.1 cmos反相器的结构原理42.2 cmos反相器的特性分析5第三章 cmos反相器的电路仿真83.1 cmos反相器的电路图设计93.2 cmos反相器的仿真及结果分析11第四章 cmos反相器的版图设计12结束语20参考文献21引言现在是一个电子信息高速发展得时代，电子产品无处不在，我们也越来越离不开各式各样的电子产品，集成电路作为电子产品的核心同样也受到了重视，电子设计也是当今社会的一大焦点问题，怎样才能设计出集性能、高效、便捷、低价为一体的电路器件又是当下人们急需解决的任务，因此培养集成设计人才也是众多高

3、校重视的任务。以mos管作为开关元件的门电路称为mos门电路。由于mos型集成门电路具有制造工艺简单、集成度高、功耗小以及抗干扰能力强等优点，因此它在数字集成电路产品中占据相当大的比例。与ttl门电路相比，mos门电路的速度较低。mos门电路有三种类型：使用p沟道管的pmos电路、使用n沟道管的nmos电路和同时使用pmos和nmos管的cmos电路。其中cmos性能更优，因此cmos门电路是应用较为普遍的逻辑电路之一。利用cmos逻辑电路就可以设计出各种功能的逻辑电路，与非门就是其中比较简单的一种。集成电路设计主要有电路设计和版图设计两个主要内容。对于如此复杂高要求的工艺技术，我们在此只简单

4、使用ltspice来设计仿真cmos反相器，。经过仿真，此设计的cmos反相器的功能得以实现，实现输入与输出的反向功能，并验证其设计正确性，然后利用lasi来画出cmos反相器的版图，同时在版图设计时采用结构化和层次化的设计思想，从而简化版图的设计。利用lasi 软件，可以充分认识到，cmos4反相器的构造，可以增加对其的了解，并且可以进一步完善对cmos4反相器参数的设计。最终利用现在已有的规则对设计的版图进行检测，看其是否满足现有的基本规则，经过检测，此次设计基本满足设计规则。由于是初学者，对相关知识缺乏足够的认识，希望能通过这次的设计实验能够学会集成电路设计的相关知识，并且能够基本掌握相

5、关设计烦躁=仿真软件的使用，出错在所难免，希望老师可以提出批评及建议。第二章 cmos反相器2.1 cmos反相器的结构两个mos管的开启电压vgs(th)p0，通常为了保证正常工作，要求vdd|vgs(th)p|+vgs(th)n。若输入vi为低电平(如0v)，则负载管导通，输入管截止，输出电压接近vdd。若输入vi为高电平(如vdd)，则输入管导通，负载管截止，输出电压接近0v。综上所述，当vi为低电平时vo为高电平；vi为高电平时vo为低电平，电路实现了非逻辑运算，是非门反相器。图一反相器cmos反相器由一个p沟道增强型mos管和一个n沟道增强型mos管串联组成。通常p沟道管作为负载管，

6、n沟道管作为输入管。这种配置可以大幅降低功耗，因为在两种逻辑状态中，两个晶体管中的一个总是截止的。处理速率也能得到很好的提高，因为与nmos型和pmos型反相器相比，cmos反相器的电阻相对较低。图二 逻辑符号 图三 cmos反相器工作原理图电路图工作原理当ui=uih=vdd,vtn导通,vtp截止,uo=uol0v当ui=uil=0v时,vtn截止,vtp导通,uo=uohvdd2.2、coms反相器的特性cmos反相器特点：vin 作为pmos和nmos的共栅极；vout 作为共漏极； 图四 说明例图 vdd 作为pmos的源极和体端；gnd作为nmos的源极和体端；2.2 cmos反相

7、器的特性分析电压传输特性和电流传输特性(1)cmos反相器的电压传输特性曲线可分为五个工作区。图五 cmos反相器电压传输特性工作区：由于输入管截止，故vo=vdd，处于稳定关态。工作区：pmos和nmos均处于饱和状态，特性曲线急剧变化，vi值等于阈值电压vth。工作区：负载管截止，输入管处于非饱和状态，所以vo0v，处于稳定的开态。(2)cmos反相器的电流传输特性曲线，只在工作区时，由于负载管和输入管都处于饱和导通状态，会产生一个较大的电流。其余情况下，电流都极小。图六 cmos反相器电流传输特性输入特性与输出特性（1） 输入特性为了保护栅极和衬底之间的栅氧化层不被击穿，cmos输入端都

8、加有保护电路。由于二极管的钳位作用，使得mos管在正或负尖峰脉冲作用下不易发生损坏。考虑输入保护电路后，cmos反相器的输入特性如图七所示：viovddii1v图七 cmos反相器输入特性（2） 输出特性a.低电平输出特性当输入vi为高电平时，负载管截止，输入管导通，负载电流iol灌入输入管，如图八所示。灌入的电流就是n沟道管的ids，输出特性曲线如图九所示。输出电阻的大小与vgsn(vi)有关，vi越大，输出电阻越小，反相器带负载能力越强。 (idsn)iolvo=volvddtnrlvi=vddtpiol vi(vgsn)vol(vdsn) 图八 输出低电平等效电路 图九 输出低电平时特性

9、b. 高电平输出特性vgspioh (isdp)ovsdpvdd当输入vi为低电平时，负载管导通，输入管截止，负载电流是拉电流，如图十所示。输出电压voh=vdd-vsdp，拉电流ioh即为isdp，输出特性曲线如图十一所示。由曲线可见，|vgsp|越大，负载电流的增加使voh下降越小，带拉电流负载能力就越强。图十一 输出高电平时特性图十 输出高电平等效电路vohvddtnrlvi=0tpioh 电源特性cmos反相器的电源特性包含工作时的静态功耗和动态功耗。静态功耗非常小，通常可忽略不计。cmos反相器的功耗主要取决于动态功耗，尤其是在工作频率较高时，动态功耗比静态功耗大得多。当cmos反相

10、器工作在第工作区时，将产生瞬时大电流，从而产生瞬时导通功耗pt。此外，动态功耗还包括在状态发生变化时，对负载电容充、放电所消耗的功耗。 第三章 cmos反相器的电路仿真3.1 cmos反相器的电路图设计第一步：首先利用ltspice进行电路图设计的仿真，步骤如下： 1、添加pmos(nmos管同理)：注意:其中，mos管的初始方向都是同向的，所以pmos要旋转倒置，其中ctrl+r的功能是旋转，而ctrl+e的功能是镜像的作用。如图所示： 2、设置两mos管的参数：将鼠标移至pmos或者nmos管上，待出现手指图案时就点击鼠标右键，则会出现mos管的设置窗口，本文将参数均设置为0.12u。图4

11、.4 3、在电路输入界面中的edit下拉菜单中找到draw wire或点击工具栏图标，可以实现原件互连。而后，鼠标放置在线的终端，单击鼠标右键，选择label net，设置相应的标签或者点击工具栏图标可放置地线，点击工具栏图标可以添加并设置输入/输出口。布线后结果如图：添加其他器件及连接线，完成图：4、 封装： 5、接入信号源电路做好后，在电路输入端加激励信号源，才能观察到电路的反应如何。接入信号源的步骤如下：第一步，在元器件库中找到独立电压源voltage；第二步，双击voltage，让它进入画图界面；第三步，拖动voltage图标，移到电路输入端；第四步，右击voltage图标，对它进行设

12、置。在弹出的的窗口中选择pulse，它的pulse参数分别为（0 5v 0.5ms 1n 1n 1s 2s 10）, 这些参数表示为（低电平 脉冲大小 延时 上升沿时间 下降沿时间 脉冲宽度 脉冲周期 仿真周期个数），如图：6、仿真设置在运行仿真命令之前，首先必须设置仿真类型。在电路原理图输入窗口中，找到simulate选项，单击它，选中edit simulation cmd。对cmos反相器运行transient仿真，进行功能和时序分析。在edit simulation cmd选中transient，然后在出现的对话框中进行设置， transient仿真设置后得到的结果如图所示。3.2、cm

13、os反相管的结果分析 设置完成后，单击工具栏图标即可进行仿真，仿真结果如图所示：第四章 cmos反相器的版图设计1、画pmos和nmos的有源区（勾选参数如下图红框内） 2、画nmos的n-select（勾选参数如下图红框内）3、画pmos的p-select（勾选参数如下图红框内）4、画pmos的n阱（勾选参数如下图红框内）5、画接触孔（勾选参数如下图红框内）6、画多晶硅栅极（勾选参数如下图红框内）7、画两个mos管漏极的金属层连线（勾选参数如下图红框内）8、画nmos地线9、画nmos管的存底有源区（勾选参数如下图红框内）10、画nmos管存底的p掺杂（勾选参数如下图红框内）11、给nmos

14、管存底打金属孔（勾选参数如下图红框内）12、把nmos管的源极与存底相连（勾选参数如下图红框内）13、画pmos管的n阱、n掺杂存底（勾选参数如下图红框内）14、如图把pmos的存底与源极相连（勾选参数如下图红框内）15、在多晶硅栅极上引出电源输入端16、标注文字17、drc检查通过五、结束语 此次试验首先通过ltspiceiv软件，我们看到的是芯片内部电路的工作情况，真实的感受到了芯片内部电路的实际运行情况。其次，通过lasi软件对cmos4路数据选择器的最底层物质进行设计，这样加深了学者对反相器的基本构成物质结构的学习，使学者在学习cmos4路数据选择器的过程中更加清楚其工作的原理。，只有知道最底层的结构，才可能改变某些参数，使之达到最优的运行状态。通过本次实验，更加清晰的了解和认