1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名：王偉專業(yè)班：電子1001班講師：劉工作單位：信息工程學(xué)院標(biāo)題：基于CMOS的雙輸入與門電路初始條件：電腦，節(jié)奏軟件，編輯軟件需要完成的主要任務(wù)是：(包括課程設(shè)計(jì)的工作量及其技術(shù)要求，以及具體要求如手工編寫等)。)1.課程設(shè)計(jì)工作量：2周2.技術(shù)要求：(1)學(xué)習(xí)節(jié)奏集成電路軟件和左編輯軟件。(2)設(shè)計(jì)了一種基于CMOS的雙輸入與門。(3)利用Cadence和L-Edit軟件對(duì)系統(tǒng)、電路和電路布局進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)、仿真和仿真工作。3.參考至少5篇參考文獻(xiàn)。根據(jù)武漢理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)工作規(guī)范要求編寫設(shè)計(jì)報(bào)告。全文應(yīng)打印在A4紙上，圖紙應(yīng)符合圖紙規(guī)范。時(shí)間表：2013年

2、11月22日，分配課程設(shè)計(jì)任務(wù)和主題；說(shuō)明課程設(shè)計(jì)的具體實(shí)施方案和課程設(shè)計(jì)報(bào)告格式的要求；課程設(shè)計(jì)中的問(wèn)答。2013年11月25日至11月27日，我學(xué)習(xí)了Cadence IC和L-Edit軟件，查閱了相關(guān)資料，并復(fù)習(xí)了設(shè)計(jì)內(nèi)容的基本理論知識(shí)。2013.11.28-12.5:設(shè)計(jì)并模擬雙輸入與門電路，完成課程報(bào)告的編寫。2013年12月6日，提交國(guó)防課程設(shè)計(jì)報(bào)告。講師簽名：YY系主任(或負(fù)責(zé)老師)簽字：月、年內(nèi)容摘要.2介紹.3一、設(shè)計(jì)要求4二、設(shè)計(jì)原則4三、設(shè)計(jì)理念43.1。非4號(hào)門3.2雙輸入與非門電路63.3。雙輸入與門電路8四輸入和二輸入與門電路9的設(shè)計(jì)4.1。原理圖設(shè)計(jì)94.2。模擬分

3、析104.3。生成網(wǎng)絡(luò)表13V.布圖設(shè)計(jì).205.1。PMOS管布局設(shè)計(jì).205.2。NMOS管布局設(shè)計(jì).225.3、閘門布局設(shè)計(jì).235.4。數(shù)據(jù)中心對(duì)總體布局的檢查和程控文件的生成。六.經(jīng)驗(yàn).28七.參考.29八、附錄.本文主要使用Cadence集成電路軟件和L-Edit軟件從設(shè)計(jì)到仿真和版圖制作。設(shè)計(jì)主題是基于CMOS的雙輸入與門電路。電路設(shè)計(jì)思想是用一個(gè)雙輸入與非門和一個(gè)反相器來(lái)實(shí)現(xiàn)雙輸入與門的功能。電路設(shè)計(jì)部分采用Cadence集成電路軟件，時(shí)序仿真主要在仿真部分進(jìn)行，后續(xù)版圖制作采用L-Edit軟件。由于在布局制作中只使用了一個(gè)左編輯軟件，所以在布局完成后只進(jìn)行一次基本的右對(duì)齊檢查

4、。關(guān)鍵詞：CMOS門、與非門、非門、與門摘要本文從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)仿真和地圖的背面，主要使用了Cadence IC軟件和L - Edit軟件等。本課題設(shè)計(jì)的是基于CMOS的兩輸入與門，電路設(shè)計(jì)的思路是用一個(gè)兩輸入的與非門和一個(gè)反相器來(lái)實(shí)現(xiàn)門的輸入和功能，電路設(shè)計(jì)部分用Cadence IC軟件，主要做的是時(shí)序模擬，后面的地圖制作使用L - Edit軟件進(jìn)行模擬，由于地圖制作只使用了L - Edit軟件，所以布局完成后只做了一個(gè)基本的DRC檢查。關(guān)鍵詞： CMOS門、與非門、非門、與門介紹隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，這使得科學(xué)技術(shù)已經(jīng)融入到社會(huì)生活的各個(gè)方面。作為現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)和信息

5、社會(huì)的基礎(chǔ)，集成電路是改造和提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)。隨著全球信息化、網(wǎng)絡(luò)化和知識(shí)經(jīng)濟(jì)的到來(lái)，集成電路產(chǎn)業(yè)的地位越來(lái)越重要，已經(jīng)成為關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)、人民生活和信息安全的基礎(chǔ)性和戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。集成電路有兩種。一個(gè)是模擬集成電路。二是數(shù)字集成電路。從制造過(guò)程來(lái)看，目前使用的數(shù)字集成電路可分為雙極型、單極型和混合型。最廣泛使用的數(shù)字集成電路是CMOS集成電路，出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代末。隨著制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，CMOS電路逐漸成為當(dāng)前集成電路的主流產(chǎn)品。本課程是關(guān)于數(shù)字集成電路布局設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)。然而，在數(shù)字集成電路中，CMOS門電路的制作是非常重要的。本文討論了CMOS與門電路的設(shè)計(jì)仿真和版圖

6、設(shè)計(jì)。布局是集成電路設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)和模擬優(yōu)化電路后變換的一系列幾何圖形，它包含有關(guān)器件的所有物理信息，如集成電路的尺寸、各層的拓?fù)涠x等。集成電路制造商根據(jù)布局制造掩模。布局設(shè)計(jì)有具體的規(guī)則，由集成電路制造商根據(jù)自己的技術(shù)特點(diǎn)制定。不同的流程有不同的設(shè)計(jì)規(guī)則。設(shè)計(jì)師只有在得到制造商提供的規(guī)則后才能開(kāi)始設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)定期檢查布局，以避免錯(cuò)誤的積累和修改的困難。許多集成電路設(shè)計(jì)軟件都具有設(shè)計(jì)版圖的功能，而L-Edit軟件的版圖設(shè)計(jì)軟件幫助設(shè)計(jì)者以圖形方式繪制版圖。對(duì)于復(fù)雜的布局設(shè)計(jì)，布局設(shè)計(jì)通常分為幾個(gè)子步驟：(1)劃分為了減少處理問(wèn)題的規(guī)模，整個(gè)電路通常被分成幾個(gè)模塊。(2)布局規(guī)劃和布局是

7、為每個(gè)模塊和整個(gè)芯片選擇一個(gè)好的布局方案。(3)布線完成了模塊之間的互連，進(jìn)一步優(yōu)化了布線結(jié)果。(4)壓縮是布線完成后的優(yōu)化過(guò)程，他試圖進(jìn)一步減小芯片面積。一、設(shè)計(jì)要求1.要求：用金屬氧化物半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)雙輸入與門電路。2.內(nèi)容：用Cadence軟件繪制電路原理圖，生成網(wǎng)絡(luò)表，進(jìn)行交流/DC分析和瞬態(tài)分析。3.制作電路版圖，用編輯軟件檢查直流。二、設(shè)計(jì)原則雙輸入與門有兩個(gè)輸入端A和B以及一個(gè)輸出端Q。只有當(dāng)A和B端同時(shí)處于高電平時(shí)，輸出才會(huì)處于高電平，否則輸出將處于低電平，即Q=AB。與門的電路符號(hào)和真值表如圖1所示。ABQ000010100111圖1與門的邏輯符號(hào)和真值表因?yàn)檫@是一個(gè)由互補(bǔ)金

8、屬氧化物半導(dǎo)體晶體管構(gòu)成的雙輸入與門，而互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的基本門電路包括非門、與非門、或非門等。如果我們要用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管建立一個(gè)雙輸入與門電路，我們可以從關(guān)系式Q=AB知道一個(gè)雙輸入與非門可以與一個(gè)非門連接，這樣我們就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)雙輸入與門電路。該設(shè)計(jì)使用一個(gè)雙輸入與非門和一個(gè)非門來(lái)實(shí)現(xiàn)雙輸入與門的功能。第三，設(shè)計(jì)理念3.1非門CMOS非門，即反相器，由一個(gè)n管和一個(gè)p管組成。p管的源極連接到Vdd，n管的源極連接到GND。如果輸入in處于低電平，p管打開(kāi)，n管關(guān)閉，OUTput out處于高電平。如果輸入輸入處于高電平，則N管打開(kāi)，P管關(guān)閉，輸出輸出處于低電平。因此，

9、該電路實(shí)現(xiàn)了非邏輯運(yùn)算，構(gòu)成了一個(gè)CMOS反相器。CMOS反相器的電路圖如下圖2所示。圖2 CMOS反相器電路圖當(dāng)Ui=UIH=VDD，VTN開(kāi)啟，VTP關(guān)閉，Uo=Uol0V當(dāng)Ui=UIL=0V，VTN關(guān)閉，VTP開(kāi)啟，UO=UOHVDD低電平輸出特性當(dāng)輸出處于低電平時(shí)，即v0=VOL，反相器的p溝道晶體管關(guān)斷，n溝道晶體管導(dǎo)通。工作狀態(tài)如圖3所示，低電平輸入特性如圖4所示。圖3 CMOS反相器的低電平輸出狀態(tài)圖4 CMOS反相器的低電平輸出特性(2)高水平輸出特性當(dāng)輸出處于高電平時(shí)，即v0=VOH，逆變器的N通道管關(guān)閉，P通道管開(kāi)啟。工作狀態(tài)如圖5所示，低電平輸入特性如圖6所示。圖5 CM

10、OS反相器的高電平輸出狀態(tài)圖6低級(jí)輸入特性還有CMOS電路：的優(yōu)點(diǎn)(1)微功耗。CMOS電路的靜態(tài)電流非常小，約為納安量級(jí)。(2)抗干擾能力強(qiáng)。輸入噪聲容限可以達(dá)到VDD/2。(3)電源電壓范圍寬。大多數(shù)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體電路可以在3 18V的電源電壓范圍內(nèi)正常工作。(4)高輸入阻抗。(5)承載能力強(qiáng)。CMOS電路可以有超過(guò)50個(gè)相同類型的門。(6)大邏輯擺幅(低電平為0V，高電平為VDD)3.2雙輸入與非門電路一種雙輸入互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體與非門電路，包括兩個(gè)串聯(lián)的N溝道增強(qiáng)型金屬氧化物半導(dǎo)體管和兩個(gè)并聯(lián)的P溝道增強(qiáng)型金屬氧化物半導(dǎo)體管。每個(gè)輸入端連接到一個(gè)N溝道和一個(gè)P溝道金屬氧化物半導(dǎo)

11、體管的柵極。當(dāng)輸入端子A和B中的一個(gè)處于低電平時(shí)，連接到它的NMOS管將被關(guān)閉，連接到它的PMOS管將被打開(kāi)，并且輸出將處于高電平；只有當(dāng)a和b都處于高電平時(shí)，串聯(lián)連接的兩個(gè)NMOS晶體管才會(huì)導(dǎo)通，并聯(lián)連接的兩個(gè)PMOS晶體管才會(huì)截止，輸出才會(huì)處于低電平。設(shè)計(jì)電路圖如下圖7所示。圖7 CMOS與非門電路雙輸入與非門電路的邏輯符號(hào)和真值表如下圖8所示：圖8ABQ001011101110如上圖7所示，讓CMOS晶體管的輸出高電平為“1”，低電平為“0”。在圖中，T2和T4是兩個(gè)串聯(lián)的NMOS晶體管，T1和T3是兩個(gè)并聯(lián)的PMOS晶體管。每個(gè)輸入端(a或b)直接連接到成對(duì)的NMOS晶體管(驅(qū)動(dòng)晶體管

12、)和PMOS晶體管(負(fù)載晶體管)的柵極。當(dāng)兩個(gè)輸入中的一個(gè)或多個(gè)處于低電平“0”時(shí)，連接到低電平的NMOS晶體管仍然截止，而PMOS晶體管導(dǎo)通，使得輸出Y處于高電平。只有當(dāng)兩個(gè)輸入同時(shí)處于高電平“1”時(shí)，T2和T4晶體管導(dǎo)通，T1和T3晶體管截止，輸出Y處于低電平。從以上分析可以看出，該電路實(shí)現(xiàn)了邏輯“與非”功能，即Y=。3.3雙輸入與門電路在該設(shè)計(jì)中，雙輸入的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體與門電路由一個(gè)雙輸入的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體與非門電路和一個(gè)非門(反相器)組成，其中雙輸入的與非門包括兩個(gè)串聯(lián)的N溝道增強(qiáng)金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管和兩個(gè)并聯(lián)的P溝道增強(qiáng)金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，而反相器由一個(gè)N晶體管和一個(gè)

13、P晶體管組成。雙輸入與非門的輸出是反相器的輸入，A和B輸入端連接到N溝道和P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體管的柵極，輸出極Q是反相器的輸出端。當(dāng)輸入端A和B中的一個(gè)處于低電平時(shí)，與非門將關(guān)斷與其連接的NMOS晶體管，導(dǎo)通與其連接的PMOS晶體管，并將其輸出為高電平，從而使反相器的輸入處于高電平，導(dǎo)通反相器的PMOS晶體管，并關(guān)斷反相器的輸出，即低電平的Q端。只有當(dāng)a和b都處于高電平時(shí)，與非門中的兩個(gè)串聯(lián)NMOS晶體管導(dǎo)通，兩個(gè)并聯(lián)的PMOS晶體管截止，輸出處于低電平，反相器中的PMOS晶體管導(dǎo)通，NMOS晶體管截止，輸出端Q輸出高電平，從而實(shí)現(xiàn)雙輸入與門的功能。設(shè)計(jì)電路圖如下圖8所示。圖8與門電路的邏輯

14、符號(hào)和真值表如上圖1所示。四輸入和二輸入“與”電路的設(shè)計(jì)4.1示意圖設(shè)計(jì)首先，打開(kāi)Cadence16.5選擇設(shè)計(jì)入口配置項(xiàng)子軟件，在彈出窗口中選擇orCAD捕獲配置項(xiàng)，如下圖9所示：圖9軟件選擇進(jìn)入工作界面后，選擇菜單欄中的文件按鈕，然后選擇下的項(xiàng)目子選項(xiàng)單擊菜單欄中的“放置”按鈕，選擇“零件”選項(xiàng)以調(diào)出組件庫(kù)，然后單擊右側(cè)的位置加載所需的一些組件庫(kù)。當(dāng)從組件庫(kù)引用的模塊：編輯逆變器電路時(shí)，將使用NMOS、PMOS、Vdd和Gnd四個(gè)模塊，因此NMOS、PMOS、Vdd和Gnd四個(gè)模塊應(yīng)從組件庫(kù)中復(fù)制到文件中，并在第1頁(yè)編輯屏幕中引用。最終電路原理圖如下圖12所示：圖12雙輸入與門電路示意圖4.2模擬分析繪制電路原理圖后，進(jìn)行仿真分析。Cadence軟件提供四種分析模式：DC分析、交流分析、瞬態(tài)分析和靜態(tài)工