课程设计
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电子与信息工程学院
电子科学系
CMOS二输入与非门的设计
一、概要
随着微电子技术的快速发展，人们生活水平不断提高，使得科学技术已融入到社会生活中每一个方面。

而对于现代信息产业和信息社会的基础来讲，集成电路是改造和提升传统产业的核心技术。

随着全球信息化、网络化和知识经济浪潮的到来，集成电路产业的地位越来越重要，它已成为事关国民经济、国防建设、人民生活和信息安全的基础性、战略性产业。

集成电路有两种。

一种是模拟集成电路。

另一种是数字集成电路。

本论文讲的是数字集成电路版图设计的基本知识。

然而在数字集成电路中CMOS与非门的制作是非常重要的。

二、CMOS二输入与非门的设计准备工作
1.CMOS二输入与非门的基本构成电路
使用S-Edit绘制的CMOS与非门电路如图1。

图1 基本的CMOS二输入与非门电路
2.计算相关参数
所谓与非门的等效反相器设计，实际上就是根据晶体管的串并联关系，再根据等效反相器中的相应晶体管的尺寸，直接获得与非门中各晶体管的尺寸的设计方法。

具体方法是：将与非门中的VT3和VT4的串联结构等效为反相器中的NMOS 晶体管，将并联的VT 1、VT 2等效PMOS 的宽长比(W/L)n 和(W/L)p 以后，考虑到VT3和VT4是串联结构，为保持下降时间不变，VT 3和VT 4的等线电阻必须减小为一半，即他们的宽长比必须为反相器中的NMOS 的宽长比增加一倍，由此得到(W/L)VT3,VT4=2(W/L)N 。

因为考虑到二输入与非门的输入端IN A 和IN B 只要有一个为低电平，与非门输出就为高电平的实际情况，为保证在这种情况下仍能获得所需的上升时间，要求VT 1和VT 2的宽长比与反相其中的PMOS 相同，即(W/L)VT1,VT2=(W/L)P 。

至此，根据得到的等效反向器的晶体管尺寸，就可以直接获得与非门中各晶体管的尺寸。

如下图所示为t PHL 和t PLH ，分别为从高到低和从低到高的传输延时，通过反相器的输入和输出电压波形如图所示。

给其一个阶跃输入，并在电压值50%这一点测量传输延迟时间，为了使延迟时间的计算简单，假设反相器可以等效成一个有效的导通电阻R eff ，所驱动的负载电容是C L 。

图2 反相器尺寸确定中的简单时序模型
对于上升和下降的情况，50%的电都发生在：
L eff C R 69.0=τ
这两个Reff 的值分别定义成上拉和下拉情况的平均导通电阻。

如果测量t PHL 和t PLH ，可以提取相等的导通电阻。

由于不知道确定的t PHL 和t PLH ，所以与非门中的NMOS 宽长比取L-Edit 软件中设计规则文件MOSIS/ORBIT 2.0U SCNA Design Rules 的最小宽长比及最小长度值。

3.分析电路性质 根据数字电路知识可得二输入与非门输出AB F =。

使用W-Edit 对电路进行仿真后得到的结果如图4和图5所示。

图3 图4 基本的CMOS二输入与非门仿真结果（inA是inB相位提前100ns波形）可以看到，仿真结果与理论基本符合。

三、使用L-Edit绘制基本CMOS二输入与非门版图
在设计中采用Tanner Pro 软件中的L-Edit组件设计CMOS二输入与非门的版图，进而掌握L-Edit的基本功能和使用方法。

操作流程如下：进入L-Edit—>建立新文件—>环境设定—>编辑组件—>绘制多种图层形状—>设计规则检查—>修改对象—>设计规则检查—>电路转化—>电路仿真。

1.CMOS二输入与非门设计的规则与布局布线
使芯片尺寸在尽可能小的前提下，避免线条宽度的偏差和不同层版套准偏差可能带来的问题，尽可能地提高电路制备的成品率。

设计的规则应考虑器件在正常工作的条件下，根据实际工艺水平(包括光刻特性、刻蚀能力、对准容差等)和成品率要求，给出的一组同一工艺层及不同工艺层之间几何尺寸的限制，主要包括线宽、间距、覆盖、露头、凹口、面积等规则，分别给出它们的最小值，以防止掩膜图形的断裂、连接和一些不良
物理效应的出现。

2.CMOS二输入与非门的版图绘制与实现
为了便于版图设计，将图1所示电路修改如下图：
图5 修改布局后的CMOS二输入与非门电路
接下来按照电路图进行版图布线，布线时应注意设计规则，完成版图如下图：
图6 完成的基本CMOS二输入与非门版图
四、总结
1）如果对版图设计的基本规则不熟悉，可以打开DRC Setup，这里列出了所有的设计规则，可学习和记忆其中的一些主要和常用的版图设计规则。

2）在进行版图设计规则检查时，应选择输出检查文件一项，版图设计中出现的所有错误，都可以在该输出文件中列出，并标明出错的原因，与哪条规则相违背，可打开规则进行对照，并在版图上进行相应的修改。

3）通过此次设计，我也认识到了自己所学知识的片面，不熟悉CMOS工艺流程等等问题。

尤其是对于重要参数宽长比的问题上求解了两天半的时间未能解决，最终通过寻求指导老师的帮助才解决了问题。

4）一些保险设计比如共态导通保护电路，反向保护电路及吸收电容，负载电容等，因为并非完整的芯片设计而省略，实际制作中针对这些问题必须对核心器件进行保护。

五、参考文献：
《模拟CMOS集成电路设计》毕查德·拉扎维著，西安交通大学出版社，2003年
《CMOS模拟集成电路设计》Phillip·E·AllenS 著，电子工业出版社，2005年
《集成电路设计》王志功等编著，电子工业出版社，2011年
《数字集成电路分析与设计-深亚微米工艺》David A.Hodges等著，电子工业出版社，2005年。