集成电路课程设计《coms异或门》武汉理工.doc

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1、集成电路课程设计coms异或门武汉理工 武汉理工大学集成电路软件课程设计说明书 课程设计任务书 学生姓名： 专业班级：电子科学与技术 班 指导教师： 刘金根 工作单位： 信息工程学院 题 目： CMOS异或门电路设计 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CMOS异或门电路。（根据自己所选题目填写） （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

2、计、模拟和仿真工作。 3、查阅至少5篇参考文献。按武汉理工大学课程设计工作规范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： 2013.11.22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。 2013.11.25-11.27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。 2013.11.28-12.5对CMOS异或门电路进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。 2013.12.6 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 武汉理工大学

3、集成电路软件课程设计说明书 目录 1绪论 3 2正文 4 2.1软件介绍 4 2.1.1 OrCAD简介 4 2.1.2 L-Edit简介 5 2.2异或门的设计 6 2.2.1异或门介绍 6 2.2.2组合逻辑构成的异或电路 6 2.3绘制电路图 7 2.3.1方法与步骤 7 2.3.2电路图 10 2.3.3仿真图 11 2.4制作版图 13 2.4.1制作过程 13 2.4.2异或门版图 16 3小结 17 4.参考文献 18 武汉理工大学集成电路软件课程设计说明书 CMOS异或门集成电路 1绪论 CMOS集成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

4、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IC设计的主流技术。在CMOS集成电路设计中，异或电路的设计与应用是非常重要的。IC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异或电路，从而实现电路的最优化设计。本文设计了四种CMOS异或单元电路，利用Candence公司的icms分别对其进行了模拟仿真。并且，将其作为设计CMOS低功耗集成电路的EDA库单元组件，应用于奇偶检测电路、单片机和微处理器系统的加法电路设计中。 武汉理工大学集成电路软件课程设计说明书 2正文 2.1软件介绍 2.1.1 OrCAD简介 OrCAD Capture (以下以Capture代称)是一款

5、基于Windows 操作环境下的电路设计工具。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。Cadence OrCAD Capture是一款多功能的PCB原理图输入工具。OrCAD Capture作为行业标准的PCB原理图输入方式，是当今世界最流行的原理图输入工具之一，具有简单直观的用户设计界面。OrCAD Capture CIS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。OrCAD Capture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。将原理图设计技术和

6、PCB布局布线技术相结合，OrCAD能够帮助设计师从一开始就抓住设计意图。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，OrCAD Capture都能为设计师提供快速的设计输入工具。此外，OrCAD Capture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。 OrCAD软件系统的功能及特点： 1.不仅可以对模拟电路进行直流、交流、瞬态等基本电路特性分析，而且可进行噪声分析、温度分析、优化设计等复杂的电路特性分析。 2.不仅可以对模拟电路进行计算机辅助分析，而且可对数字电路、数/模混合电路进行计算机模拟。 3.科研再WIND

7、OWS环境下，以人机交互方式运行。绘制好电路图以后，即可直接进行电路模拟，无需用户编制繁杂的输入文件。再模拟过程中，可以随时分析观察模拟结果，从电路图上修改设计。 4.OrCAD软件集成了电路原理图绘制、印制电路板设计、数字/模拟电路仿真、可编程逻辑器建设计等等功能，它的元器件库也是所有EDA软件中最丰富的，再世界上它一只是EDA软件的首选。 OrCAD软件系统中主要包括：OrCAD/Capture CIS(电路图设计)；OrCAD/PSpice A/D （数 武汉理工大学集成电路软件课程设计说明书 /模混合模拟）；OrCAD/Layout Plus(PCB设计)等，其中每一部分可以根据需要单

8、独使用，也可以共同组成完整的EDA系统。 2.1.2 L-Edit简介 Tanner Tools Pro是一套集成电路设计软件，包含S-Edit, T-Spice, W-Edit, L-Edit 与LVS,各软件的主要功能整理如下表所示。 Tanner Pro 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

9、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。 武汉理工大学集成电路软件课程设计说明书 2.2异或门的设计 2.2.1异或门介绍 异或电路是算术逻辑单元和比较判别电路中非常重要的单元电路，已经被广泛应用于半加器、全加器、奇偶校验和逻辑比较等电路

10、中。异或电路可以实现逻辑异或关系，输出Y与输入A、B的逻辑关系表达式为： Y?A?B?A?B?A?B 用CMOS静态逻辑电路设计的异或电路功耗低、结构简单可靠、工作速度快，成为大规模集成电路芯片设计中最重要的单元电路之一。 2.2.2组合逻辑构成的异或电路 下图是利用组合逻辑关系设计的异或电路 武汉理工大学集成电路软件课程设计说明书 PMOS管和NMOS管构成了异或逻辑关系，输出Y与输入A、B的逻辑关系表达式为： Y?AB?AB 化简可以得到： Y?A?B 该电路中PMOS、NMOS管呈现对称状态，PMOS管组成上拉通路，NMOS管组成下拉通路。当输入A、B均为低时，A、B为高，此时P3、P4

11、截止，N1、N3截止而N2、N4导通，输出Y为GND（低电平，0V）。同理，当输入A、B均为高时，N1、N3导通，输出仍为GND。当输入A、B为0、1或1、0时，P1、P4或P2、P3导通，N1、N2或N3、N4截止，输出为VDD（高电平）。由于CMOS对管总是一管导通而另一管截止，因此该电路中不存在静态直流导通电流，基本没有静态功耗利用Cadence公司的icms对该电路进行模拟仿真，取特征线宽为1mm，PMOS管沟道的宽长比W/L为4mm/2mm，NMOS管的W/L为2mm/1mm，并分别调用Cadence基本库中简单模型pmos24和nmos24，信号的阶跃响应时间为0.1ns。输出端Y

12、的高、低电平分别为VDD和GND。当输入端A、B的信号同时发生变化时，产生过渡干扰脉冲，如果VDD取值为+5V，则该脉冲干扰最大达+3.3V。 2.3绘制电路图 2.3.1方法与步骤 1、CaptureCIS的启动和退出 打开【开始】菜单，然后在“程序”选项上单击鼠标左键，找到OrCADUnisonSuite选项，单击其级联菜单中的Capture图标，进入Capture的基本操作界面； 2、创建新电路图文件 打开“File”菜单，选中“New”命令，单击“Project”,再按需要输入”NAME”及按相应需要选择相应的选项。 武汉理工大学集成电路软件课程设计说明书 3、存档后关闭 4、绘制电路

13、图原理 （1）原理图编辑器 OrCADCapture提供层次式电路和平坦式电路两种原理图绘制方式，设计师可以更快、更简捷、更直观地完成原理图设计与绘制。它提供了一个简单直观的原理图编辑界面，其中包含电路设计中所需的所有功能特征。对于大规模复杂电路设计，OrCADCapture支持多页面和层次式的电路设计，让设计师能轻松面对这些复杂电路设计。 （2）元件信息系统 元件信息系统（CIS）是OrCADCapture设计解决方案中最重要的模块。它与Capture原理图输入技术相结合，能够对元件进行有效管理，让设计师减少查找元件内容和维护元件数据的时间，提高设计效率，减少产品设计成本与生产延时。CIS与

14、微软的ODBC组件数据库兼容，能够直接调用存储在MRP、ERP、PLM系统以及工程数据库中的元件信息，并且它还可以让外部源数据与原理图设计数据同步，从而自动生成BOM报表。 CIS还提供强大的报告生成功能。CIS不会局限于原理图的内容，它还可以引用存在于企业物料库中的丰富信息，让报告生成功能进化到新的层次。设计师可以使用最新的、全面的、完整的信息生成最新BOM报表。 （3）元件调用 元件数据库和部件信息在CIS 中可以很方便的进行查询，设计师可以大大减少查找元 武汉理工大学集成电路软件课程设计说明书 器件的时间。元件信息系统（CIS）的内置系统用于创建、跟踪和认证元件，可以使用任意属性组合作为

15、元件搜索条件。当设计师调用一个元件后，CIS会提取该元件的所有相关技术数据，包含电气、物理、功能、采购以及制造特性，然后在原理图页面上可以对其进行管理。设计师如果直接从企业数据库（CIS）中添加元件，可以最大限度的减少元件报表和元件清单中的错误，还可以设定部件的行业标准，例如RoHs和WEEE。 （4）元件库编辑 元件库编辑可直接从用户界面访问，用户可以在元件库中创建和编辑元件符号库，或者直接从原理图页面对元件符号库进行编辑，不需干扰原理图设计流程。此外，库元件的创建与编辑，可以直接在原理图界面中进行直观的设计创建，也可以从电子数据表格中直接创建，两种库元件的创建与编辑都很简单直观，可以让设计

16、师节约元件库创建的时间，提高设计效率。 5、注意事项： 1、新建Project时应选择AnalogorMixed-signalCircuit； 2、调用的器件必须有PSpice模型： 首先，调用OrCAD软件本身提供的模型库，这些库文件存储的路径为 CaptureLibrarypspice，此路径中的所有器件都有提供PSpice模型，可以直接调用； 其次，若使用自己的器件，必须保证*.olb、*.lib两个文件同时存在，而且器件属性中必须包含PSpiceTemplate属性。 3、原理图中至少必须有一条网络名称为0，即接地； 4、必须有激励源； 原理图中的端口符号并不具有电源特性，所有的激励源

17、都存储在Source和SourceTM库中。 5、电源两端不允许短路，不允许仅由电源和电感组成回路，也不允许仅由电源和电容组成的割集； 解决方法：电容并联一个大电阻，电感串联一个小电阻。 6、最好不要使用负值电阻、电容和电感，因为他们容易引起不收敛。 武汉理工大学集成电路软件课程设计说明书 2.3.2电路图 所用到的元件库有ANALOG、BREAKOUT 武汉理工大学集成电路软件课程设计说明书 2.3.3仿真图 建立仿真描述文件： 在设置仿真参数之前，必须先建立一个仿真参数描述文件，点击PSpiceNewsimulationprofile，系统弹出如图对话框： 或 “Newsimulation

18、”对话框 输入name，选择Create，系统将接着弹出如图对话框： “SimulationSetting-BIAS”对话框 在Analysistype中，你可以有以下四种选择： 1.TimeDomain(Transient)：时域(瞬态)分析 2.DCSweep：直流分析 3.ACSweep/Noise：交流/噪声分析 武汉理工大学集成电路软件课程设计说明书 4.Biaspoint：基本偏置点分析 第一个是A输入，第二个是B输入，第三个是Y输出。 武汉理工大学集成电路软件课程设计说明书 2.4制作版图 2.4.1制作过程 （1） 打开L-Edit程序。 （2） 打开示范文件：选择File-O

19、pen命令，出现“打开”对话框， 在.LEdit83SamplesSPRexample1目录中选择lights.tdb文件，此文件为 L-Edit的示范电路。 （3） 设计导航：选择View-DesignNavigator命令，打开DesignNavigator窗口，显 示此文件中所有的组件（Cell），例如Lights，Nor2，Nand2，DFFC等。 （4） 层次关系:有些组件会引用到其他组件，其中的层次关系，在DesignNavigator窗 口也可以看出来。Lights组件作为一个系统布局图，是由其他组件组合而成的，可在DesignNavigator窗口中单击Lights旁的+符号，

20、观看其层次关系。如下图所示，Lights组件引用到Core与Frame等组件，Care组件引用到的最下层次有Nor2，DFFC，Nand2C等组件。 （5） 分析各图层：布局图包含了好几种图层，例如Poly，Metal1，Meta12等，可以通 过控制各图层的隐藏或显示状态来观察各图层的位置（通过View-Layer命令来更改）。以Nor2为例，只显示出Poly图层时的情况，只显示Poly,Active,Nwell图层的情况如下图所示。 武汉理工大学集成电路软件课程设计说明书 利用鼠标选取编辑窗口的对象时，在窗口左下角会出现图层性质，如下图所示，此被选图层形状为方块形(Box)，图层为Acti

21、ve，横向宽度20个格点单位，高度为10个格点单位,面积为200个平方格点单位、周长为60个格点单位。 （6） 设计规则检查:对于一个组件内的布局图，用L-Edit的DRC功能，可检查出此布局 图是否符合设计规则，以本范例的Nor2组件为例进行设计规则检查，选择 Tools-DRC命令。 （7） 转化：L-Edit也有转化的功能，能够将布局图转化成描述组件与节点状况的netlist 武汉理工大学集成电路软件课程设计说明书 文字文件。以Nor2组件为例进行转化，选择Tools-Extract命令，设定转化文件为Nor2.spc,可利用任何文字编辑器打开转化出的文件。此转化出的文字文件可在T-Sp

22、ice模拟时使用或是用于LVS对比。 （8） PMOS器件和NMOS器件的版图 PMOS器件的版图 NMOS器件的版图 （9） L-Edit使用的注意事项 1.L-Edit编辑环境是预设在P型基板上，故在P型基板上制作PMOS的第一步是需要做出NWell区，即需设定N阱区； 2.改变图形大小的方法：“alt+鼠标拖动边框”；移动图形的方法“alt+鼠标拖动图形”； 3.绘制各图层之前需先通过Tools-DRCSetup查看对应的设计规则，从而选择确定图层的大小；绘制完一个图层都需DRC进行设计规则检查； 4.各图层绘制无先后顺序的规定； 武汉理工大学集成电路软件课程设计说明书 5.绘图时可适当

23、使用“尺子”功能：“View-Objects-Rules”； ；清除图中的“尺寸”使用 2.4.2异或门版图 武汉理工大学集成电路软件课程设计说明书 3小结 CAD已经成为电子工程设计的重要手段。在21世纪的今天，作为一个大学生，掌握真正的技术是必要的，因此，CAD实习是我们必要的课程。而要掌握CAD技术就必须学会应用OrCAD软件。 这一周我们学到了很多东西，而且感到非常有趣，同时感到这一软件给我们电路分析上带来的方便与快捷，我们主要学习电路图的绘制和分析过程。而且通过这一周的学习我们可以轻松的完成一个电路和系统的设计任务。 通过本次的集成电路课程设计额，我初步掌握了这两个软件的使用方法，它

24、是很有用的软件，对我们以后的工作很有帮助。在这次课程设计之前，我曾经在实验室了解过有关该软件的一些内容，但没有具体操作过该软件，这次课设给了我一次很好的实践机会。在练习OrCAD中遇到的问题做了总结，能够熟练地画出原理图，对于在生成各种波形图过程中出现的错误，有了许多经验，能够很快地找出解决，并且在平时的时间里我也在不断的练习OrCAD,我根据模电书上的仿真图，练习了很多次，为下一步自己能够熟练的掌握这个软件做好了准备。在练习过程中，我感觉到学习一种技术，不仅需要掌握相关的知识，还需要冷静的头脑，遇到问题能够分析解决，不能自乱阵脚。 现在的我又多了一份自信与自豪感，因为这次课程设计过的充实而又

25、有意义！ 武汉理工大学集成电路软件课程设计说明书 4.参考文献 贾新章等.电子电路CAD技术-基于OrCAD9.2,西安电子科技大学出版社，2002年出版。 权海洋主编。超大规模集成电路设计与实践，西安电子科技大学出版社，2003年出版。 高德远主编。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年出版。 高保嘉主编。MOSVLSI分析与设计，电子工业出版社，2002年出版。 朱正涌编著.半导体集成电路,清华大学出版社,2001年出版. 杨之廉等编著.超大规模集成电路设计方法学导论（第2版），清华大学出版社,2002年出版。 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年3月出版。 孙润等编著。TANNER集成电路设计教程（第一、二册），北京希望电子出版社，2002年。 李伟华编著,VLSI设计基础(第2版），电子工业出版社,2011年7月. 廖裕评等编,TannerPro集成电路设计与布局实战指导书, 科学出版社,2007年01月. 武汉理工大学集成电路软件课程设计说明书 本科生课程设计成绩评定表 指导教师签字 年 月 日