集成电路设计论文--刘强-20111060190.doc

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《集成电路设计导论》期末论文

——4路数据选择器电路设计、仿真与版图设计

学院：

信息学院

专业：

电子信息工程

姓名：

刘强

学号：

20111060189

任课老师：

梁竹关

摘要

数据选择器是在多路数据传送过程中，能够根据需要将其中任意一路选出来的电路，也称多路选择器或多路开关。

其在数字电路中具有广泛的应用。

同时MOS门电路：

以MOS管作为开关元件构成的门电路。

 尤其是CMOS门电路具有制造工艺简单、集成度高、抗干扰能力强、功耗低、价格便宜等优点，得到了十分迅速的发展。

所以本次实验讨论的是CMOS4路数据选择器。

首先，将从电路的工作原理方面介绍CMOS4路数据选择器的裸机功能及其电路工作原理。

了解其工作原理是进行仿真和版图设计的基础。

了解其工作原理后，本次实验利用LTspiceIV软件对设计的CMOS4路数据选择器进行仿真，以证实设计的正确性。

LTspiceIV软件是一个仿真功能非常强大的软件，基本所有的器件和电路都可以用此软件进行设计和仿真。

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。

最后版图设计，将采用Lasi软件画出符合工业设计的CMOS4路数据选择器的版图，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路数据选择器底层物质的构造，可以增加对其的了解，并且可以进一步完善对CMOS4路数据选择器的参数的设计。

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。

本实验不仅对CMOS4路数据选择器的基本功能进行了讨论，并且对于其最基础的物质构成也进行了相应的设计和讨论，使学者更加了解CMOS4路数据选择器的工作原理，并掌握了CMOS4路数据选择器的基本设计方法。

关键词：

4路数据选择器；Lasi；LTspice；仿真；版图设计；

结构化层次化设计

前言 1

第一章、电路分析 2

1、CMOS反相器 2

2、CMOS与非门 2

3、2选1数据选择器 3

4、4位数据选择器 4

图1.4四位数据选择器逻辑电路结构 4

第二章、数据选择器的电路仿真 5

1、CMOS反相器与CMOS与非门电路图设计 5

2、2选1数据选择器电路图 6

3、4路数据选择器电路仿真 6

4、4路数据选择器电路仿真结果分析 8

第三章、CMOS反相器的版图设计 8

1、NMOS管和PMOS管版图设计 9

2、CMOS反相器和CMOS与非门的版图设计 10

3、2选1数据选择器版图设计 11

3、4路数据选择器版图设计 11

4、焊盘的添加 12

第四章、结束语 15

前言

当今社会是一个电子信息的时代，电子设计当然也是人们关注的一个焦点问题，怎样设计出一些具有多方优点的电路及其器件又是当下需要解决的任务，但是这些优点中，某些优点又是相互矛盾的，怎样设计达到最优的效果又是一个值得解决的问题。

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。

CMOS电路的优点:

（1）微功耗。

CMOS电路静态电流很小，约为纳安数量级。

（2）抗干扰能力很强。

输入噪声容限可达到VDD/2。

（3）电源电压范围宽，多数CMOS电路可在3～18V的电压范围内正常工作。

（4）输入阻抗高。

（5）负载能力强。

CMOS电路可以带50个同类门以上。

（6）逻辑摆幅大（低电平0V，高电平VDD ）。

第一章、电路分析

1、CMOS反相器

反相器逻辑符号和电路图如图1.1.

图1.1CMOS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 =Uol≈0V 

当Ui= UIL=0V时,VTN截止,VTP导通,UO = UOH≈VDD  

2、CMOS与非门

与非门逻辑符号和电路图如图1.2. 

图1.2CMOS与非门工作原理图

电路工作原理

下拉管由串联的两个NMOS组成，上拉管则由两个并联的PMOS组成。

两个输入信号A和B分别加在两对互补的NMOS管和PMOS管的栅极上，输出由他们的漏极引出。

当两个输入端A和B都为高电平时，两只NMOS下拉管都导通，而两只PMOS上拉管都截止，电源Vdd到地之间没有电流通路形成，输出被导通的NMOS下拉管拉到低电平0，即输出为低电平0.只要两个输入端A、B有低电平输入，其相应的PMOS上拉管导通，但NMOS下拉管截止，电源Vdd到地之间没有电流通路形成，输出被导通的PMOS上拉管拉到高电平Vdd。

由此可知，该电路实现与非逻辑功能。

3、2选1数据选择器

2选1数据选择器功能表如表3.1

表3.12选1数据选择器功能表

得到2选1数据选择器逻辑表达式为

由逻辑表达式得到图1.3所示的2选1数据选择器逻辑电路

图3.12选1数据选择器逻辑电路

4、4位数据选择器

图1.4四位数据选择器逻辑电路结构

第二章、数据选择器的电路仿真

1、CMOS反相器与CMOS与非门电路图设计

同样，首先必须先正确安装LTspiceIV软件。

打开LTspiceIV软件，按照CMOS管的电路连接原理，在LTspiceIV软件下，电路原理图，并设置相应的输入、输出节点且把需要的电源部分连接在相应的位置，电路原理图2.1和图2.2所示：

图2.1CMOS反相器电路图图2.2CMOS与非门电路图

在LTspiceIV软件中，点击File选中NewSymbol在出现的画面中，按照反相器与与非门的符号，画出相应的逻辑符号，点击保存，与其相对应的电路图文件保存为相同的文件名。

逻辑符号如图2.3和图2.4所示：

图2.3反相器的逻辑符号

图2.4与非门的逻辑符号

2、2选1数据选择器电路图

使用刚才设计的反相器与与非门按照图3.1所示的逻辑关系连接得到2选1数据选择器电路图，如图2.5所示。

图2.52选1数据选择器电路图

同上画出2选1数据选择器逻辑符号如图2.6

图2.62选1数据选择器逻辑符号

3、4路数据选择器电路仿真

在LTspiceIV软件中，点击File选中NewSchematic在出现的画面中，调用前面已经画好的2选1数据选择器的逻辑符号，按图1.4逻辑关系连接。

并对其加上信号，设置输入和输出，设置的结果如图2.7所示：

图2.74路数据选择器仿真信号设置图

设置好输入信号的参数和输出的相应参数之后，点击图标或者点击下的Run即可出现如下对话框。

图2.84路数据选择器电路仿真结果

图2.9输出信号（上）与输入信号（下）

4、4路数据选择器电路仿真结果分析

理论输出结果：

由于S端接地为低电平，输出应为A。

实际输出结果：

在一定误差范围内，输出值与A的输入值基本保持一致。

综上可知电路设计达到实验要求。

第三章、CMOS反相器的版图设计

表3.1各物质层与画图式样对照表

ACTV

PSEL

NSEL

POL1

CONT

VIA1

MET

MET1

MET2

NWEL

本次版图设计采用结构化和层次化的实际思路，将整个电路进行分解从而实现整个版图设计的简化。

分层简化结构如图所示

图4位数据选择器两级分层结构

1、NMOS管和PMOS管版图设计

首先在电脑上安装Lasi软件，打开软件，首先画出两个基本的MOS版图，即NMOS管和PMOS管版图如图3.1和图3.2所示。

图3.1NMOS管版图

将保存后的NMOS管调出，这样多晶硅部分和有源区部分就可以不用再次重复操作，将外侧的N掺杂删除，改为P掺杂，并且在最外面加上N—well物质层，点击保存，这样一只PMOS管就操作结束了。

图3.2PMOS管版图

2、CMOS反相器和CMOS与非门的版图设计

前面已经把NMOS和PMOS管的版图画好了，在Lasi软下直接调用前面画好的NMOS管和PMOS管，按照相应的规则连接起来就得到最终需要的CMOS反相器，CMOS反相器的版图如图3.3所示：

图3.32种不同结构的CMOS反相器的版图

同理可得到CMOS与非门版图如图3.4所示

图3.4CMOS与非门版图

3、2选1数据选择器版图设计

调用已保存的CMOS反相器和CMOS与非门版图按照图1.3的逻辑关系连接得到CMOS2选1数据选择器版图。

在连接过程中需注意不同的物质层连接需要CONT连接和不同的金属层需要VIA1连接。

如图3.5所示

图3.5连接图

得到最终的2选1数据选择器版图如图3.6.

图3.62选1数据选择器版图

3、4路数据选择器版图设计

同理调用已保存的2选1数据选择器版图按照图1.4关系连接得到4路数据选择器版图如图3.7.

图3.74路数据选择器版图

4、焊盘的添加

由于内部电路为us级电路难以与外部电路实现连接，故需要添加焊盘方便实现内部电路与外部的连接。

VDD，VSS和普通输入输出3种焊盘如图3.8所示

图3.83种不同的焊盘版图

4位数据选择器具有8个输入，4个输出选择控制端和4个输出及1个VDD和1个VSS，故总共需要18个焊盘，采用4*5的分布方式有20个焊盘即可满足需要，焊盘排列方式如图3.9

图3.9焊盘排列方式

内部电路与焊盘的连接

内部电路的输入输出与之相对应的焊盘用金属层进行连接，在连接过程中采用了不同的金属层，不同金属层之间的连接需要VIA1连接。

连接好的版图如图3.10和图3.11所示。

图3.10完整的CMOS4路数据选择器版图

图3.11连接焊盘后的内部电路

到此，一只CMOS4路数据选择器版图已经画好，可以根据规则检测画好的版图是否满足规则。

在Lasi软件中，可以检测画好的版图是否满足相应的规则，点击软件中的按钮，在出现的对话框中点击按钮。

再在出现的对话框中点击，在出现的对话框中设置如下所示：

在设置完成后，点击OK，软件就自动检测画好的版图管是否满足设计的规则，根据最后的检测结果，此管子的设计基本满足设计规则，也就满足设计的要求。

第四章、结束语

数据选择器在实际生活中，运用非常广泛，尤其实在数字电路中，CMOS电路更是必不可少的基本电路之一。

本次实验，首先通过LTspiceIV软件，我们看到的是芯片内部电路的工作情况，而不像我们原来进行实验时只是仅看它是什么芯片实现什么功能。

只是将其看作为一个黑匣子，只关注他实现的功能。

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CMOS4路数据选择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。

设计底层的版图，对于了解CMOS4路数据选择器有很大的帮助，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。

同时在检查所画版图是否符合设计要求时，通过人眼观察只适用于图形较为简单的版图。

如果版图较大且较为复杂时刻采用软件里存有的设计规则来进行检查时较为方便的，它可以找出你哪里错误并提示你修改。

同时了解到了简单芯片的设计制作并不是一件简单容易的事，尤其是具有复杂电路的芯片。

虽然具有较多的设计规则可以使设计简单化但却会造成功耗增高等影响。

因此英特尔才会采用人工画图，以得到更好的性能。

在实验中电路的设计是我们巩固了对数字电路中数据选择器的了解，同时在进行电路仿真是需要保证电路图与相应的逻辑符号一一对应。

否则在进行仿真是就会出现一系列的错误，判断其是否一一对应最简单的办法就是双击要看的逻辑符号如果弹出与之相对应的电路图则说明对应关系正常。

反之对应关系不正常仿真就会出错。

其次在版图设计时，虽然采用层次化的设计思路能使设计过程相对简化，但在调用使用时如果要对其进行修改则必须返回到原版图文件进行修改相对较为不方便。

通过本次实验在加深对相应知识了解的情况下也大大提高了我们的动手能力。

对于我们专业而言动手能力要求较高，这种教学方式比纸质的考试对我们帮助更大。

第五章、参考文献

【1】Digital Intergrated Circuits A Design Prespective.  Jan M.Rabaey ,Anantha Changdrakasn,Borivoje Nikolic  北京：

电子工业出版社，2005．P130-133

【2】tC2wjT0xA1GcpeDCoXPZPM_EXcW5R81f442DfNtOChB9uSZxcGVhIhlFfGvAtX4FXKF6MpZESsy

【3】CMOS Analog Circuit Design. Phillip E Allen，Douglas R Holberg 北京：

电子工业出版社，2005．P145-148

【4】MOS管集成电路设计梁竹关赵东风编著科学出版社