bimos逻辑与非门电路 超大规模集成电路课程设计解读.docx
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bimos逻辑与非门电路超大规模集成电路课程设计解读
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
电子1102班
指导教师：
工作单位：
信息工程学院
题目:
Bi-mos逻辑与非门电路
初始条件：
计算机、ORCAD软件，L-EDIT软件。
要求完成的主要任务:
（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1、课程设计工作量：
2周
2、技术要求：
（1）学习ORCAD软件，L-EDIT软件。
（2）设计一个Bi-mos逻辑与非门电路电路。
（3）利用ORCAD软件，L-EDIT软件对该电路进行系统设计、电路设计和版图设计，并进行相应的设计、模拟和仿真工作。
3、查阅至少5篇参考文献。
按要求撰写设计报告书。
全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。
时间安排：
2014.12.29布置课程设计任务、选题；讲解课程设计具体实施计划与课程设计报告格式的要求；课程设计答疑事项。
2014.12.29-12.31学习ORCAD软件，L-EDIT软件，查阅相关资料，复习所设计内容的基本理论知识。
2015.1.1-1.8对半加器电路进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。
2015.1.9提交课程设计报告，进行答辩。
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
目录
目录2
摘要I
AbstractII
1与非门的设计1
1.1与非门介绍1
1.2与非门逻辑符号1
2软件介绍2
2.1OrCAD简介2
2.2L-Edit简介2
3Bi-mos逻辑与非门电路的设计3
4Bi-mos电路的版图设计6
4.1版图设计的目标6
4.2Bi-mos电路版图设计6
4.2.1PMOS单元的绘制6
4.2.2NMOS单元的绘制7
4.2.3新增PMOS衬底接触点单元的绘制8
4.2.4新增NMOS衬底接触点单元9
4.2.5沉底接触点单元和MOS单元的连接9
4.2.6三极管的绘制10
4.2.7Bi-cmos电路的绘制10
5心得与体会12
摘要
Bi-mos逻辑与非门电路由于工艺技术的进步以及功耗低、稳定性高、抗干扰性强、噪声容限大、可等比例缩小、以及可适应较宽的环境温度和电源电压等一系列优点，成为现在设计的主流技术。
在Bi-mos逻辑与非门电路设计中，与非电路的设计与应用是非常重要的。
设计者可以根据芯片的不同功能和要求采用各种不同结构的与非电路，从而实现电路的最优化设计。
本文介绍了用ORCAD软件，L-EDIT软件来绘制Bi-mos逻辑与非门电路的方法步骤，以及版图等相关容。
主要包括Bi-mos逻辑与非门电路的原理、ORCAD软件，L-EDIT软件的介绍、用ORCAD软件，L-EDIT软件搭建电路和进行电路仿真以及绘制版图的具体步骤等内容。
关键词：
Bi-mos逻辑与非门电路、ORCAD软件、L-EDIT软件、仿真
Abstract
Bi-nandgateMOSlogiccircuitduetotheprogressoftechnologyandlowpowerconsumption,highstability,stronganti-interference,noisetolerance,canbereducedproportion,andcanadapttoawidetemperatureandsupplyvoltageandaseriesofadvantages,andisnowthemainstreamtechnologyofthedesign.IntheBi-nandgateMOSlogiccircuitdesign,andthecircuitdesignandapplicationisveryimportant.Designercanaccordingtothedifferentfeaturesandrequirementsofthechipusedinavarietyofdifferentstructureandthecircuit,soastorealizetheoptimizationofcircuitdesign.
WithORCADsoftwarehasbeenintroducedinthispaper,L-EDITsoftwaretomaptheBi-nandgateMOSlogiccircuitmethodstep,andlandscape,etc.MainlyincludestheBi-nandgateMOSlogiccircuitprinciple,ORCADsoftware,theintroductionofL-EDITsoftware,withORCADsoftware,L-EDITsoftwaretobuildcircuitandcircuitsimulationanddetailedstepoflandscape,etc.
Keywords:
Bi-nandgateMOSlogiccircuit、ORCADsoftware,L-EDITsoftware、Simulation
1与非门的设计
1.1与非门介绍
与非门是数字电路的一种基本逻辑电路。
与非门是与门和非门的结合，先进行与运算，再进行非运算。
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。
简单说，与非与非，就是先与后非。
与非门真值表如表1所示。
表1与非门真值表
A
B
Y
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
0
逻辑表达式为
。
1.2与非门逻辑符号
图1即为与非门的逻辑符号。
图1与非门的逻辑符号
2软件介绍
2.1OrCAD简介
OrCADCapture即为Capture。
利用Capture软件，能够实现绘制电路原理图以及为制作PCB和可编程的逻辑设计提供连续性的仿真信息。
CadenceOrCADCapture是一款多功能的PCB原理图输入工具。
OrCADCaptureCIS具有功能强大的元件信息系统，可以在线和集中管理元件数据库，从而大幅提升电路设计的效率，提供了完整的、可调整的原理图设计方法，能够有效应用于PCB的设计创建、管理和重用。
不管是用于设计模拟电路、复杂的PCB、FPGA和CPLD、PCB改版的原理图修改，还是用于设计层次模块，OrCADCapture都能为设计师提供快速的设计输入工具。
此外，OrCADCapture原理图输入技术让设计师可以随时输入、修改和检验PCB设计。
2.2L-Edit简介
TannerToolsPro是一套集成电路设计软件，包含S-Edit,T-Spice,W-Edit,L-Edit与LVS。
TannerPro的设计流程很简单。
将要设计的电路先以S-Edit编辑出电路图，再将该电路图输出成SPICE文件。
接着利用T-Spice将电路图模拟并输出成SPICE文件，如果模拟结果有错误，则回到S-Edit检查电路图，如果T-Spice模拟结果无误，则以L-Edit进行布局图设计。
用L-Edit进行布局图设计后要以DRC功能做设计规则检查，若违反设计规则，再将布局图进行修改直到设计规则检查无误为止。
将验证过的布局图转化成SPICE文件，再利用T-Spice模拟，若有错误，再回到L-Edit修改布局图。
最后利用LVS将电路图输出的SPICE文件与布局图转化的SPICE文件进行对比，若对比结果不相等，则回去修正L-Edit或S-Edit的图。
直到验证无误后，将L-Edit设计好的布局图输出成GDSII文件类型，再交由工厂去制作整个电路所需的掩膜板。
3Bi-mos逻辑与非门电路的设计
Bi-mos电路即为在MOS电路的基础上加以改进，增加输出推动级，构成双极型三极管与MOS管混合电路结构的或非门电路，简称Bi-MOS电路。
其结构特点是电路的逻辑功能部分采用COMS电路结构，可以保留COMS门电路低功耗的工作特点，而逻辑门电路的输出级则采用双极型三极管组成互补输出电路，降低电路的输出电阻，从而提高电路的工作速度，尤其负载是电容负载的情况。
图2即为在orcad上绘制的Bi-mos电路图。
图2Bi-mos电路图
此电路图由2个PMOS管和5个NMOS构成，两个时钟输入以及一个输出。
在菜单栏中选择PSpice中的run进行电路仿真。
如图3所示。
图3电路仿真运行
出现界面如图4所示。
图4电路仿真
点击菜单栏Trace中的AddTrace出现如图5所示界面。
选择V（OUT）作为输出，选择V（T1g）和V（T2g）作为两个输入。
点击ok即可进行仿真。
图5输入输出设置
仿真结果如图6所示，其中有两个上面的输入，一个下面的为输出。
图6仿真图
由仿真图可以看出，符合与非门的逻辑表达式
。
4Bi-mos电路的版图设计
4.1版图设计的目标
版图是集成电路从设计走向制造的桥梁，它包含了集成电路尺寸、各层拓扑定义等器件相关的物理信息数据。
版图设计是创建工程制图的精确的物理描述过程，即定义各工艺层图形的形状、尺寸以及不同工艺层的相对位置的过程。
其设计目标有以下三方面：
满足电路功能、性能指标、质量要求；
尽可能节省面积，以提高集成度，降低成本；
尽可能缩短连线，以减少复杂度，缩短延时，改善可能性。
4.2Bi-mos电路版图设计
在Bi-mos电路中，有两个PMOS管和五个NMOS管以及两个三极管。
所以在绘制的版图中，具有三个子文件和一个总文件。
4.2.1PMOS单元的绘制
绘制PMOS时，要进行图层的设置：
在Layers面板的下拉列表中选取图层。
PMOS版图需要用到NWell、Active、NSelect、Pselect、Ploy、Matal1、Matal2、ActiveContact、Via等图层。
在Layers面板的下拉列表中选取NWell选项，再从Drawing工具栏中选择按钮，在Cell0编辑窗口画出横向24格纵向15格的方形即为NWell。
在Cell0编辑窗口的NWell中画出横向14格纵向5格的方形Active区，依次画出横向18格，纵向9格的PSelect区，长为2个栅格、宽为7个栅格的矩形POLY区。
横向2格、纵向2格的方形ActiveContact区，横向4格、纵向4格的方形Metal1。
如图7所示。
图7PMOS版图
此时可以点击菜单栏的Tools中的Cross-Section进行截面的观察，如图8所示。
图8截面的观察
4.2.2NMOS单元的绘制
绘制NMOS单元和PMOS单元是一个道理，根据绘制PMOS单元的过程，依次绘制Active图层、NSelect图层、Ploy图层、ActiveContact图层与Metal1图层，完成后的NMOS单元如图9所示。
其中，Active宽度为14个栅格，高为5个栅格；Ploy宽为2个栅格，高为9个栅格；NSelect宽为18个栅格，高为9个栅格；两个ActiveContact的宽和高皆为2个栅格；两个Metal1的宽和高皆为4个栅格。
图9NMOS版图
4.2.3新增PMOS衬底接触点单元的绘制
由于pmos的衬底要接电源，所以需在NWell上建立一个欧姆接触点，其方法为在NWell上制作一个N型扩散区，再利用ActiveContact将金属线接至此N型扩散区。
而N型扩散区必须在NWell图层绘制出Active图层和NSelect图层，再加上ActiveContact图层与Metal1图层，使金属线与扩散区接触。
执行Cell/New命令，打开CreateNewCell对话框，在Newcellname栏内输入“Basecontactp”，然后单击OK按钮，绘制PMOS衬底接触点单元，其中NWell宽为15栅格、高为15栅格，Active宽为5个栅格、高为5栅格，NSelect宽为9个栅格、高为9个栅格，ActiveContact宽为2个栅格、高为2个栅格，Metal1宽为4个栅格，高为4个栅格。
绘制如图10所示。
图10新增PMOS衬底接触点单元的绘制
4.2.4新增NMOS衬底接触点单元
执行Cell/New命令，打开CreateNewCell对话框，在Newcellname栏内输入“Basecontactn”，然后单击OK按钮，绘制NMOS衬底接触点单元，Active宽为5个栅格、高为5栅格，PSelect宽为9个栅格、高为9个栅格，ActiveContact宽为2个栅格、高为2个栅格，Metal1宽为4个栅格，高为4个栅格。
绘制如图11所示。
图11新增NMOS衬底接触点单元
4.2.5沉底接触点单元和MOS单元的连接
引用Basecontactp和Basecontactn单元：
执行Cell/Instance命令，打开SelectCelltoInstance对话框，分别选择Basecontactp和Basecontactn单元，将其复制到Ex2中，如图12（a）,（b）所示。
图12（a）连接后的PMOS单元
图12（b）连接后的NMOS单元
4.2.6三极管的绘制
如上绘制MOS管同样道理绘制出三极管的图形如图13所示。
图13三极管
4.2.7Bi-cmos电路的绘制
绘制完PMOS,NMOS以及三极管的版图，可将其整合为整个Bi-mos电路的版图。
加上连接点以及电源VCC，地GND之后。
如图14所示。
图14Bi-mos电路
5心得与体会
本次课程设计的完成，收获颇多，首先，我更加明白了Bi-mos电路的的基本概念，对于PMOS,NMOS以及与非门等电路有了认识。
其次，数电是在大二学习的一门课程，此次课程设计让我重温了一遍数电，因为很多东西忘掉看书让我又一次的查漏补缺。
并且此次课程设计涉及多个方面，最终能够顺利完成，自己感到很开心也真的是受益颇多。
不论是从课题的选择还是数据的测试，电路的仿真，版图的绘制，都让自己费了一些功夫。
尤其是版图的设计，不太接触过所以摸索着来感觉学到很多，对于两个软件也会使用了。
受益匪浅。
参考文献
[1]权海洋.超大规模集成电路－系统和电路的设计原理.高等教育出版社.2003.
[2]贾新章.OrCAD/CaptureCIS9实用教程.西安电子科技大学出版社.2000.
[3]邓红辉等译.CMOS集成电路版图---概念、方法与工具.电子工业出版社.2006.
[4]孙润等编.TANNER集成电路设计教程.北京希望电子出版.2002
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