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2024年3月14日发(作者:正版matlab官网)

目 录

1.目的与任务„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1

2.教学内容基要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1

3.设计的方法与计算分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1

3.1 74HC138芯片简介„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1

3.2 电路设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3

3.3功耗与延时计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6

4.电路模拟„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14

4.1直流分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„15

4.2 瞬态分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17

4.3功耗分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„19

5.版图设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 19

5.1 输入级的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„19

5.2 内部反相器的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„19

5.3输入和输出缓冲门的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„22

5.4内部逻辑门的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„23

5.5输出级的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„24

5.6连接成总电路图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„24

5.3版图检查„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„24

6.总图的整理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„26

7.经验与体会„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„26

8.参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 26

附录A 电路原理图总图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„28

附录B 总电路版图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„29

1

集成

1. 目的与任务

本课程设计是《集成电路分析与设计基础》的实践课程,其主要目的是

使学生在熟悉集成电路制造技术、半导体器件原理和集成电路分析与设计基

础上,训练综合运用已掌握的知识,利用相关软件,初步熟悉和掌握集成电

路芯片系统设计→电路设计及模拟→版图设计→版图验证等正向设计方法。

2. 教学内容基本要求

2.1课程设计题目及要求

器件名称:3-8译码器的74HC138芯片

要求电路性能指标:

⑴可驱动10个LSTTL电路(相当于15pF电容负载);

⑵输出高电平时,

I

OH

≤20uA,

V

OH,min

=4.4V;

⑶输出低电平时,

I

OL

≤4mA,

V

OL,man

=0.4V

⑷输出级充放电时间

t

r

=

t

f

t

pd

<25ns;

⑸工作电源5V,常温工作,工作频率

f

work

=30MHZ,总功耗

P

max

=15mW。

2.2课程设计的内容

1. 功能分析及逻辑设计;

2. 电路设计及器件参数计算;

3. 估算功耗与延时;

4. 电路模拟与仿真;

5. 版图设计;

6. 版图检查:DRC与LVS;

7. 后仿真(选做);

8. 版图数据提交。

2.3课程设计的要求与数据

1. 独立完成设计74HC138芯片的全过程;

2. 设计时使用的工艺及设计规则: MOSIS:mhp_ns5;

3. 根据所用的工艺,选取合理的模型库;

4. 选用以lambda(λ)为单位的设计规则;

3. 设计的方法与计算分析

3.1 74HC138芯片简介

2

74HC138是一款高速CMOS器件,74HC138引脚兼容低功耗肖特基TTL

系列

图3-1 74HC138管脚图

表3-1 74HC138真值表

由于74HC138芯片是由两个2-4译码器组成,两个译码器是独立的,所以,

这里只分析其中一个译码器。由真值表可以看出,Cs为片选端,当其为0时,

芯片正常工作,当其为1时,芯片封锁。A1、A0为输入端,Y0-Y3为输出

端,而且是低电平有效。

分析其逻辑功能,可以得到逻辑表达式:

3

图3-2 74HC138逻辑图

3.2 电路设计

本次电路设计采用的是ml2_模型的各参数。其参数如下:

N管:

ox

=3.9×8.85×

10

12

F/m

N

=700

10

4

m/Vs

2

μm

V

tn

1.0V

t

ox

0.1

P管:

ox

=3.9×8.85×

10

12

F/m

p

30010

4

m

2

/Vs

t

ox

0.1μm

V

tp

1.0V

3.2.1输出级电路设计

据要求,输出级等效电路如图3-3所示,输入Vi为前一级的输出,可认为是

理想的输出,即

V

iL

=

V

SS

V

iH

,=

V

DD

4

图3-3 输出级等效电路

⑴输出级N管

(W/L)

N

的计算

当输入为高电平时,输出为低电平,N管导通,后级TTL有较大的灌电

流输入,要求

式:

I

OL

≤4mA,

V

OL,man

=0.4V,依据MOS管的理想电流统一方程

I

ds

1

2

ox

t

ox

(

W

)[(V

G

V

T

V

S

)(V

G

V

T

V

D

)]

L

N

22

可以求出

(W/L)

的值。其主要计算如下:

2I

dsn

t

ox

W



2

ox

n

V

g

V

tn

V

S

V

g

V

tn

V

d

L

N

2

=

410

3

0.1

10

53.98.85700107.60.4

≈109

⑵输出级P管

W/L

p

的计算

当输入为低电平时,输出为高电平,P管导通。同时要求N管和P管的

充放电时间

①以

I

OH

t

r

t

f

,分别求出这两个条件下的

V

OH,min

4.4V

W/L

P,min

极限值,然后取大者。

≤20uA,为条件计算

W/L

P,min

极限值,用MOS管理

想电流方程统一表达式:

I

ds

1

2

ox

t

ox

(

W

)[(V

G

V

T

V

S

)(V

G

V

T

V

D

)]

L

的值。其主要计算如下:

22

可以求出

W/L

p

2I

dsp

t

ox

W



2

L

P

ox

p

V

g

V

tp

V

s

V

g

V

tp

V

d

2

5

=

22010

3.98.8510

12

6

0.110

4

6

3501043.4

22

≈0.75≈1

②N管和P管的充放电时间

t

r

t

f

t

f

表达式分别为

19V

dd

20V

tn

C

L

t

ox

L

2

V

tn

0.1V

dd

1



ln

2

V

dd

V

tn

ox

n

W

n

V

dd

V

tn

V

dd

C

L

t

ox

L

2V

tp

0.1V

dd

t

r





2

ox

p

W

p

VV

ddtp

1

V

dd

V

tp

19V

dd

20V

tp

ln

V

dd

t

r

t

f

计算

W/L

P,min

的值。其计算如下:

Kn

L

2

V

tn

0.1V

dd



2

ox

n

W

n

V

dd

V

tn

t

ox

t

ox

1

V

dd

19V

dd

20V

tn

ln

V

tn

V

dd

1

Kp

ox

p

L

2V

tp

0.1V

dd



2

W



p

V

dd

V

tp

V

dd

V

tp

19V

dd

20V

tp

ln

V

dd

1

t

r

t

f

,故有

L

2

V

tn

0.1V

dd



2

n

W

n

V

dd

V

tn

1

1

V

dd

19V

dd

20V

tn

ln

V

tn

V

dd

1

p

L

2V

tp

0.1V

dd



2

W

p

V

dd

V

tp

V

dd

V

tp

19V

dd

20V

tp

ln

V

dd

代入数据,化简可以得

7

L

L

W



,代入



109



3

W

n

W

p

L

n

W



255

L



P

比较两种方法的

6

W

W

,取其中的最大值,即取



255

L

L



P



P

3.2.2内部基本反相器中的各MOS 尺寸的计算

内部基本反相器如图3-4所示,它的N管和P管尺寸依据充放电时间

t

r

t

f

方程来求。关键点是先求出式中的

C

L

(即负载)。

图3-4 内部反相器

它的负载由以下内部反相器(如右图所示)的负载由CL以下三部分电

容组成:

①本级漏极的PN结电容CPN;②下级的栅电容Cg;③连线杂散电容CS。

①本级漏极PN结电容CPN计算

C

PN

=C

j

×(Wb)+C

jsw

(2W+2b)

其中C

j

是每um

2

的结电容,Cjp是每um的周界电容,b为有源区宽度,

可从设计规则获取。在这里,最小孔为2λ×2λ,孔与多晶硅栅的最小间距

为2λ,孔与有源区边界的最小间距为2,则取b=6λ。

总的漏极PN结电容应是P管 的和N管的总和,即:

C

PN

=(C

j,n

×W

N

+C

j,p

×W

P

)b+C

jsw,n

×(2W

N

+2b)+ C

jsw,p

×(2W

P

+2b)

采用的模型参数有:

C

j.N

210

C

j.P

210

4

F/m

C

jsw.n

110

F/m

C

jsw.P

110

29

29

F/m

4

F/m

代入数据到

C

PN

的式子得

C

PN

(210

10

9

4

W

N

210

4

W

P

)60.310

)

6

10

9

(2W

N

260.310

6

)

(2W

P

260.310

6

=

(3.610

10

210

9

)(W

P

W

N

)7.210

15

=

2.3610

9

(W

N

W

P

)7.210

15

F

②栅电容Cg计算

7

ox

C

g

C

g,N

C

g,P

A

N

t

ox



A

p

ox



t



ox

2

(W

N

W

P

)L(

ox

)

t

ox

12

7

(109255)(0.610

4.5310

14

6

)

3.98.8510

110

③连线杂散电容Cs

一般C

PN

+C

g

≈10C

S

,可忽略C

S

作用。所以,内部基本反相器的总负载电容

C

L

为上述各电容计算值之和。即有

C

L

C

PN

C

g

2.3610

2.3610

9

9

(W

N

W

P

)7.210

14

15

4.5310

14

(W

N

W

P

)5.2510

根据tr=tf=2.5ns的条件

W

N

2.510

9

3

7

W

P

W

p

14

4

7

3

W

N

7

L



0.74

W



P

6

2.3610

2.3610

94

(W

N

W

P

)5.2510

12

10

3.98.8510

94

30010

14

2.510

2.510

2

(W

N

W

P

)5.2510

14

0.610

W

P

10

7

3.98.85310

14

0.74

142

3.98.85310

7

W

p

(2.3610

9

W

p

5.2510)0.610

6

0.74

W

p

9.6103.2

4

4

3

W



W

2



21

2

7

L

P

L

N

由于仿真时候阈值电压过小,所以把宽长比都调为4

3.2.3 内部逻辑门MOS尺寸的计算

W



W

=4



L

N,与非门

L

N,内部反相器

W



W



LL



P,与非门



P,内部反相器

代入内部反相器的宽长比,可以算出逻辑MOS尺寸:

W



W

=4



L

N,与非门

L

N,内部反相器

W



W



L

P,与非门

L

P,内部反相器

4

2

8

为了方便绘图,把与非门的pmos宽长比设定为4

图3-5 内部逻辑门电路

3.2.4输入级设计

由于本电路是与TTL兼容,TTL的输入电平V

iH

可能为2.4V,如果按正常内部

反相器进行设计,则N

1

、P

1

构成的CMOS将有较大直流功耗。故采用图3-6示的电

路,通过正反馈的P

2

作为上提拉管,使V

iH

较快上升,减小功耗,加快翻转速度。

图3-6 输入级电路

(1)提拉管P

2

的(W/L)

P2

计算

为了节省面积,同时又能使V

iH

较快上升,取(W/L)

P2

=1。理论上,这里

取L=2λ,W=2λ。而且为了方便画图,宽长比设定为6。

9

(2)CMOS 反相器P

1

管(W/L)

P1

的计算

此P

1

管应取内部基本反相器的尺寸这里取

W

10

L

P

(3)CMOS 反相器N1管(W/L)N1的计算

由于要与TTL电路兼容,而TTL的输出电平在0.4~2.4V之间转换,因此要选

取反相器的状态转变电平:

V

I

*

V

iL,max

V

iH,min

2

1.4V

n

/

p

又知:

V

I

*=

V

dd

V

tp

V

tn

1

n

/

p

,代入数据,有

1.4=

51

1

n

/

p

n

/

p

W



7

L

n

3

W



L



p

n

p

6.5

n

p

42.25

n

p

n

W

L

n

W

L



p

p

3

W

3

W



42.25



84.536.2137

7

L

P

7

L

N1

3.2.5 缓冲级设计

⑴输入缓冲级

由74HC138的逻辑图可知,在输入级中有三个信号:Cs、A1、A0。其中

Cs经一级输入反相器后,形成

C

S

, 用

C

S

去驱动8个四输入与非门,故需要缓

冲级,使其驱动能力增加。同时为了用

C

S

驱动,必须加入缓冲门。由于A2、

A1、A0以及

A2

A1

A0

各驱动内部与非门2个,所以可以不用缓冲级。

Cs缓冲级的设计过程如下:

Cs的缓冲级与输入级和内部门的关系如图3-7所示。

图3-7 Cs的缓冲级

图中M1为输入级,M2为内部门,M3为缓冲级驱动门。M1的P管和N管的尺寸即

为上述所述的输入级CMOS反相器P1管和 N1管尺寸,M2的P管和N管的尺寸即

为内部基本反相器P1管和 N1管尺寸,M3的P管和N管的尺寸由级间比值(相邻

级中MOS管宽度增加的倍数)来确定。如果要求尺寸或功耗最佳,级间比值为2~

10

10。具体可取

N

。N为扇出系数,它的定义是:

前级等效反相器栅的面积

在本例中,前级等效反相器栅的面积为M

2

的P管和N管的栅面积总和,下级

栅的面积为4个三输入与非门中与C

s

相连的所有P管和N管的栅面积总和。

因此,

N=

N=

下级栅的面积

8(24)0.6

(21)0.6

28.8

1.8

16

N4

W



=414

L

N3

则有:

W



428

L

P3

所以三输入与非门的尺寸为:

W



=3412

L

N

W



8

L

P

⑵缓冲输出级

由于输出级部分要驱动TTL电路,其尺寸较大,因而必须在与非门输出与输

出级之间加入一级缓冲门M

1

,如图3-8所示。将与非门M

0

等效为一个反相器,类

似上述C

s

的缓冲级设计,计算出M

1

的P管和N管的尺寸。

计算类似于输入级:

N=

(109255)0.6

(21)0.6

122

W



L

N

W



L

P

W

N

L

N,逻辑

W

N

L

P,逻辑

122112

122223

至此,完成了全部器件的参数计算,汇总列出各级N管和P管的尺寸如下:

输入级:

11

W

W



W

6



37



10

L

P,提拉管

L

N

L

P

W

N

74

W

P

20

W

P,提拉管

12

内部反相器;

W



4

L

N

W



4

L

P

W

N

8

W

P

8

输入缓冲级:

W



12

L

N

W



8

L

P

W

N

24

W

P

16

内部逻辑门:

W



4

L

N

W



4

L

P

W

N

8

W

P

8

缓冲输出级:

W



12

L

N

W



23

L

P

W

N

24

W

P

46

输出级:

W



110

L

N

W



255

L

P

W

N

220

W

P

510

3.3 功耗与延迟估算

在估算延时、功耗时,从输入到输出选出一条级数最多的支路进行估算。74HC138

电路从输入到输出的所有各支路中,只有Cs端加入了缓冲级,因而增加了延时与

功耗,因此在估算延时、功耗时,就以Cs支路电路图(如下图所示)来简化估算。

12

图3-10 估算延时、功耗Cs支路电路

3.3.1 模型简化

由于在实际工作中,八个四输入与非门中只有一个可被选通并工作,而另七

个不工作,所以估算功耗时只估算上图所示的支路即可。

在Cs端经三级反相器后,将不工作的七个四输入与非门等效为负载电容C

L1

而将工作的一个四输入与非门的两个输入接高电平,只将Cs端信号加在反相器

上。在X点之前的电路,由于S

1

,S

2

,Cs均为输入级,虽然S

1

,S

2

比Cs少一个反相

器,作为工程估算,可以认为三个输入级是相同的,于是,估算功耗时对X点这

前的部分只要计算Cs这一个支路,最后将结果乘以3倍就可以了。在X点之后的电

路功耗,则只计算一个支路。

3.3.2 功耗估算

CMOS电路的功耗中一般包括静态功耗、瞬态功耗、交变功耗。由于CMOS

电路忽略漏电,静态功耗近似为0,工作频率不高时,也可忽略交变功耗,则估

算时只计算瞬态功耗P

T

即可。P

T

是上述C

s

支路各级器件功耗的总和(共有6级),

即:

P

T

=C

L

V

dd

2

f

max

其中:

C

L总

C

PN

为本级漏极PN结电容,按3.2.2①相关公式计算:

C

PN

C

g

C

s

C

L1

C

L

C

PN,X前

2.3610

9

9

13

9

(W

N

W

P

)7.210

15

3

7.210

15

3

13

2.3610

2.3610

1.1510

37212122

(322282)

1320.310

F

6

7.210

15

3

C

PN,X后

2.3610

9

9

13

9

(W

N

W

P

)7.210

15

3

15

2.3610

2.3610

5.9510

42122109

8100.310

F

6

2

(222322552)

7.210

15

3

7.2103

C

g

为与本级漏极相连的下一级栅电容,按3.2.2②的

C

g

计算

C

g,X前

(40320)(0.610

15

6

)

3.98.8510

110

7

12

7.8310F

12

C

g,X后

(635364)(0.610

14

6

)

2

3.98.8510

110

7

5.0310

F

C

L1

为断开的七个四输入的非门栅电容:

C

L1

7(128)(0.610

560.3610

6.9610

3

12

6

)

3.98.8510

110

5

7

12

3.98.8510

pF

C

L

为最后一级(即输出级)的下一级栅电容,即负载电容15pF。

C

L总

3(1.1510

5.0310

1.6010

14

11

13

7.8310

12

15

06.9610

15

)5.95410

13

01510

F

对于74HC138器件,整个芯片功耗为2P

T

:

P

2P

T

21.610

11

53010

26

24mW150mW

符合设计要求。

3.3.3 延迟估算

算出每一级等效反相器延迟时间,总的延迟时间为各级(共6级)延迟时间的

总和。各级等效反相器延迟时间可用下式估算:

t

pd

1

2

1

2

6

(t

pLH

t

pHL

)

(

t

r

2

t

f

t

pd

t

i1

pdi

2

)

各字母的意义如图3-11所示。

14

图3-11 延迟时间,上升与下降时间

由上面的计算可以看出,

C

L

,即最后一级(即输出级)的下一级栅电容比起其它电容

都大得多,在这里为了简化运算,用最后一级功耗乘以级数进行估算。

t

f

C

L

K

n

(

t

r

C

L

K

p

(

L

W

L

W

)

n

3.0610C

L

(

)

p

7.1410C

L

(

4

4

L

W

L

W

)

n

)

n

t

f

1

t

r

1

所以有

t6()60.892.67ns25ns

符合设计要求。

2222

4.电路模拟

电路模拟中为了减小工作量,使用上述功耗与延迟估算部分用过的Cs支路电

路图。为了计算出功耗,在两个电源支路分别加入一个零值电压源V

I1

和V

I2

,电压

值为零(如下图3-12所示),在模拟时进行直流扫描分析,然后就可得出功耗。

15

图3-12 电路模拟用Cs支路电路

4.1直流分析

直流分析:当V

CS

由0.4V变化到2.4V过程中,观察波形得到阈值电压(状态转

**

变电平)V

I

。V

I

的值应为1.4V。直流分析的电路图如图4-1所示,其对应的SPICE

文件如图4-2所示,直流分析的输入输出电压曲线如图4-3所示。

16

图4-1 直流分析电路图

图4-2 直流分析SPICE设置

17

图4-3 直流分析输入输出电压关系

分析:从电压关系可以看出,转变电平大约在1.4V左右,符合设计的要求。因

此所画电路通过了直流分析测试。

4.2 瞬态分析

从波形中得到t

pLH

、t

pHL

、t

r

和t

f

,然后进行相关计算。瞬态分析的电路图见图4-4

所示,其对应的瞬态分析的SPICE文件设置见图4-5所示。对应的瞬态分析的结果

见图4-6。

图4-4 瞬态分析电路图

18

图4-5 瞬时分析SPICE设置

图4-6 瞬态分析输入输出电压关系

由W-edit可以得到其瞬态参数如下:

t

r

=7s t

f

=10 t

pLH

=10 t

pHL

=5s

1

t

pd

(t

pLH

t

pHL

)

2

t

f

1t

r

()4.25ns

222

19

满足电路设计要求。

4.3 功耗分析

对电压源V

I1

和V

I2

进行直流扫描分析:“.dc lin source VI1 0 5 0.1 sweep lin

source VI2 0 5 0.1 ”,输出“.print dc p( VI1) p(VI2)”。功耗分析的

电路原理图见图4-7,SPICE文件设置见图4-8,功耗分析结果见图4-9。

这里的功耗分析采用的是静态功耗,所以这里没有加入脉冲源,只有直流电源。

图4-7 功耗分析电路原理图

20

图4-8 功耗分析SPICE设置

图4-9 功耗分析结果

从波形中得出p( VI1 )max=-50pW p(VI2)max=-202nW,总功耗:

P

total

=2×[3×p( V

I1

)

max

+p(V

I2

)

max

]=405nW

模拟分析得到的结果与设计指标比较。可以看出,这次的电路设计满足设计要求。

21

5. 版图设计

层次化、全手工设计版图。

所谓的层次化设计版图,就是先设计单元版图,由简单的单元版图再组成较复杂

的单元版图,一层层设计,直至完成芯片的整体版图。

5.1 输入级的设计

输入级的设计如图5-1所示,这里根据电路图,由于提拉管的宽长比只有1,所

以这里的多晶硅栅的宽度采用6λ,其余的多晶硅栅采用2λ的设计方法。

图5-1 输入级版图

5.2 内部反相器的设计

内部反相器的宽长比比较小,考虑到这个原因,采用了将源、漏极的区域扩大的

方法,以保证能够符合设计规则。设计的版图见图5-2。

22

图5-2 内部反相器版图

5.3 输入和输出缓冲门的设计

对于缓冲门,由于其管的宽长比比较大,这里采用了梳状结构,从而减少了其管

的面积,有效的利用的设计空间,其设计原理与内部反相器类似。具体的版图见

图5-3-1和5-3-2。

图5-3-1 3输入与非门

23

图5-3-2 输出缓冲门

5.4 内部逻辑门的设计

内部逻辑门涉及到的管比较多,区别于梳状结构,这里采用了多条多晶硅栅,而

又考虑到尽量只用第一层金属线来布线(这样在总图连接引线会更加方便,更加

容易),这里引出了多晶硅栅分别接输入端口。所设计的版图见图5-4。

24

图5-4 内部4输入与非门版图

5.5 输出级的设计

从计算中可以看出,输出级的管的宽长比相比其它级来说是最大的,因此这里必

须采用梳状结构。而且需要多个管并联来实现较大的宽长比。输出级的版图见图

5-5。

图5-5 输出级的版图

5.6 连接成总电路图

把设计好的每一个模块都进行lvs,然后再把它们按照电路总图绘出来得到

最终的电路版图(见附录B)。

5.7 版图检查

5.7.1 版图设计规则检查(DRC)

在画每一个模块的时候都进行DRC检查,在全部通过后,将单元组合成电路,最

终做一次全版图的DRC,以确保全版图正确。总图的版图设计规则检查见图5-7

所示。

25

图5-7 总图的DRC检查。

5.7.2 电路网表匹配(LVS)检查

电路图提取的网表文件(.sp)与版图提取的网表文件(.spc),进行元件和节

点的匹配检查。如果匹配,表明版图的连接及版图中各管子的生成是正确的。因

此,只要保证电路图是正确的,LVS检查就可以验证版图的正确性。LVS检查的结

果见图5-8。

26

图5-8 总图LVS对照检查结果

由结果可以看出,电路原理图与电路版图匹配正确。

6. 总图的整理

到这里,原理图以及版图的设计都完成了。整理总的原理图和总的版图(见

附录A、附录B、)。

7. 设计体会

由于平时没有认真学习,结果这次课程设计做起来很吃力,还好感谢那些

不吝赐教的同学,在与大家的交流当中获益良多,最后也总算把设计做出来了,

在以后的时间里要好好补习一下这方面的知识

8. 参考文献

⑴ 数字集成电路分析与设计.

⑵ Tanner Pro 集成电路设计与布局实战指导

27

附录A 电路原理图总图

28

附录B 总电路版图

29


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