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1、共源级放大器的电路设计与版图实现共源级放大器的电路设计与版图实现摘 要集成电路设计技术是现在信息时代的关键技术之一,当今的超大规模集成电路VLSL设计也已经离不开计算机辅助CAD.Tanner 就是 CAD 软件的一种,它是由 Tanner Research 公司开发的基于 windows 平台的用于集成电路设计的工具软件,该软件功能强大,从电路设计、分析模拟到电路布局都可实现.本设计就是基于 tanner 软件实现共源级放大器的电路图设计与版图绘制.共源极放大器是CMOS电路中的基本增益级.它是典型的反向放大器,负载可以是有源负载或者电流源 .共源极放大器需要得到比有源负载放大器更大的增益.
2、设计电流源负载共源极放大器对学习了解 IC 有着本质的帮助和提高,这是理论与实践的相结合 .本论文主要设计三种情况的放大器电路 ,他们是电阻负载共源级放大器 、二极管连接的负载的共源级放大器和电流源负载共源级放大器电路 ,通过这三种放大器的设计能让我们更好的使用共源级放大器 .关键词：关键词：共源级放大器 ；版图； Tanner ToolsCircuit Design and Layout Implementation of the Dommon-source AmplifierAbstractIC design technology is now one of the key technol
3、ogies of the information age, todays VLSI has been inseparable from puter-aided design . Tanner is a CAD software, which is based IC design software tools for windows platform, powerful functionality of the software developed by the Tanner Research, analog circuit design, analysis of the circuit lay
4、out can be realized. This design is the circuit diagram tanner mon source software based amplifier design and layout drawing. Is a mon-source amplifier circuit of the basic CMOS gain stage. It is a typical inverting amplifier, or the load may be an active load current source. mon-source amplifier ne
5、eds to be greater than the active load amplifier gain. Design current source load mon-source amplifier IC has to learn to understand the nature of the help and improve, which is a bination of theory and practice. This thesis amplifier circuit design three cases, they are a mon source amplifier resis
6、tive load of source-level amplifier and a current source diode connected load of the load mon source amplifier circuit, amplifier design by these three make us more Use good mon source amplifier.Key word:CAD；TANNER；mon-source Amplifier目录目录中文摘要 I英文摘要 II引言 11 TANNER TOOLS 软件简介 21.1 TANNER TOOLS软件的组成 2
7、1.2 TANNER TOOLS设计综合流程 32 共源级放大器电路图和版图设计与其仿真 42.1 电阻负载共源级放大器电路原理分析 42.1.1 电阻负载共源级放大器电路图设计 52.1.2 电阻负载共源级放大器电路图 SPICE 文件设置 52.1.3 电阻负载共源级放大器电路图仿真图 62.1.4 电阻负载共源级放大器版图设计 72.1.5 DRC 规则检查 72.1.6 电阻负载共源级放大器版图 spice 文件设置 82.1.7 电阻负载共源级放大器版图仿真图 82.2 二极管连接负载的共源级放大器电路原理分析 92.2.1 二极管负载共源级放大器电路图设计 92.2.2 电路图验证
8、 102.2.3 二极管负载共源级放大器电路图 SPICE 文件设置 102.2.4 二极管连接负载的共源级放大器电路图仿真图 112.2.5 二极管负载共源级放大器版图设计 112.2.6 DRC 规则检查 122.2.7 二极管负载共源级放大器版图 spice 文件设置 132.2.8 二极管负载共源级放大器版图仿真图 132.3 电流源负载共源级放大器电路原理分析 132.3.1 电流源负载共源级放大器电路图设计 142.3.2 电路图验证 152.3.3 电流源负载共源级放大器电路图 SPICE 文件设置 152.3.4 电流源负载共源级放大器电路图仿真图 152.3.5 电流源负载共
9、源级放大器版图设计 162.3.6 DRC 规则检查 172.3.7 电流源负载共源级放大器版图 spice 文件设置 172.3.8 电流源负载的共源级放大器版图仿真图 183 LVS 对比 183.1 电阻负载共源级放大器电路 LVS 对比 183.2 二极管连接负载的共源级放大器电路 LVS 对比 193.3 电流源负载共源级放大器电路 LVS 对比 204 结束语 20参考文献 22引言引言1947 年在美国的新泽西州的贝尔实验室诞生世界上第一个晶体管,自此开始了集成电路的发展,在 1958 年,基尔比德州仪器工程师发明了世界上第一个集成电路IC.而正是这枚小小的 IC 拉开了微电子学
10、的大幕,从此集成电路的发展便开始走上了一条飞速发展的道路.1964 年,摩尔提出了著名的摩尔定律：晶体管的集成度每 18 个月翻一倍.集成电路的的飞速发展不仅给人们的生活带来了便捷,同时在军事、医学、科技等各方面发挥着巨大的作用.电路物理实现的设计实际是为集成电路的版图设计,称其为物理设计.IC 设计生产的基础是集成电路的版图设计,将电路的逻辑描述形式转化成版图的描述形式是版图设计的任务,并通过 Mask 光刻从而实现版图到集成电路芯片的物理转化.集成电路的版图设计关系到集成电路的功能是否正确,同时还关系到集成电路的性能、成本、面积和功耗的大小.因此设计出性能较高、功耗低、并能实际可靠地工作的
11、版图相当重要.大规模 IC 制造技术、IC 版图设计技术、ASIC 测试和封装技术、FPGA/CPLD 编程下载技术与自动测试技术等在硬件实现方面融合了 EDA1技术；在计算机辅助工程方面融合了计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助测试和计算机辅助工程技术以与多种计算机语言的设计概念.随着集成电路发展的要求,集成电路 EDA2,准确地说是整个电子设计自动化必须要有大的发展.EDA 的优点在于不是对单个单元的优化,而是对于全局的优化,从总体出发,保证其形状和尺寸最适于总的布局,是引线占的面积尽可能的小.EDA 的重要性在于使设计便于处理,具有处理高度复杂电路而不出错的能力.集成电路的的飞速发
12、展不仅给人们的生活带来了便捷,同时在军事,医学,科技等各方面发挥着巨大的作用.随着科技的不断进步,对集成电路的要求也在越来越高,设计出面积小、功耗低、成本低、性能良好的集成电路越发的重要.在现代科技中,计算机辅助设计的科学技术得以飞速发展.所以 EDA 技术是一门综合性学科,渗透于各个学科之中,EDA 技术是电子设计与应用的发展方向.1 Tanner Tools 软件简介软件简介由 Tanner Research 公司基于 Windows 平台开发的 Tanner Tools 设计软件用于集成电路的设计3,从电路设计、分析模拟到电路布局一一俱全.其中国内广泛应用的 L-Edit 版图编辑器,知
13、名度很高.由 Tanner EDA4软件公司所出品的 L-Edit Pro 是一个 IC 设计与验证的高性能软件系统模块,具有效率高,交互式等特点,从IC 设计到输出,以与最后的加工服务完善且强大的功能,完全可以和百万美元级的 IC 设计软件媲美.L-Edit Pro 包含 IC 设计编辑器、自动布线系统、线上设计规则检查器DRC 、组件特性提取器Device Extractor 、设计布局与电路 netlist 的比较器、CMOS Library、Marco Library,这些模块组成了设计与验证的完整 IC 解决方案.L-Edit Pro 快速、易用、精确的设计系统工具为每个 IC 设计
14、者与生产商提供了完善丰富的功能.通过这款软件可完成 IC 的设计、版图编辑、自动布局布线、波形仿真和模拟验证等一系列的功能；它的编辑功能全面、电路图处理快速和模拟仿真与波形功能较好.主要解决电路图的电路设计,版图规划与它们相应的模拟仿真验证等问题.1.1 Tanner Tools 软件的组成软件的组成Tanner Tools 工具包括 S-Edit、T-Spice、W-Edit、L-Edit 与 LVS 五个相关软件.它们的主要实现功能如下：1S-Edit：S-Edit 主要功能是编辑电路图,每个电路图都有电路图和符号图两种模式.Tanner EDA 格式的电路图具有等级结构电路图,由不同等级
15、的模块组成这种电路图,高等级的模块是由低等级的模块组成.S-Edit 还可以使当前模块的电路图转化为不同的网表.2T-Spice：T-SPICE 主要功能是电路分析与模拟.由 Tanner 公司提供 T-SPICE 电路模拟器是专门用来模拟电路的软件程序.在 T-SPICE 的文本文件窗口中可以创建、打开和编辑各种文件文本与插入各种 T-SPICE 命令.对输入文件进行模拟仿真必须用 T-SPICE 电路描述语言写入的输入文件后才可以.3W-Edit：W-Edit 的主要功能是显示 T-SPICE 的模拟结果,即显示 T-SPICE 模拟出的波形图,可进行简单的设置使得更加方便清晰观察模拟出的
16、波形图.4L-Edit：设计规则与检查、编辑布局版图、截面观察、电路转换、自动配置与绕线；5LVS：对比布局图和电路图的网表.1.2 Tanner Tools 设计综合流程设计综合流程先用 S-Edit 编辑要设计电路的电路图,然后将该电路图导出 Spice 文件.接着利用 T-Spice 软件将电路图模拟并输出成 Spice 文件,设置输入电平参数,然后进行运行,用 W-Edit 观察输出波形.假如模拟结果不对,接着回到 S-Edit 检查电路图,如果 T-Spice 没有错误,就用 L-Edit 对照电路图进行版图设计.版图绘制完后要以DRC 进行设计规则检查,如果没有违反设计规则,再将版
17、图进行修改直到设计规则检查没有错误为止.然后将验证过的版图导出 Spice 文件,再利用 T-Spice 模拟,如果有错误,再回到 L-Edit 修改版图设计.最后利用 LVS 进行 S-Edit 电路图导出的 Spice 文件和 L-Edit 版图导出的 Spice 文件对比,如果结果对比不相等,则回去修改 S-Edit 图或者 L-Edit 图.直到验证没有错误后,将 L-Edit 设计好的版图输出成 GDSII 类型文件,最后交给工厂去制作半导体过程中需要的光罩,流程如图 2-1所示.图 2-1 设计综合流程图2 共源级放大器电路图和版图设计共源级放大器电路图和版图设计与其仿真与其仿真2
18、.1 电阻负载共源级放大器电路原理分析电阻负载共源级放大器电路原理分析电阻负载共源级放大器由于自身的跨导,MOS管可以将栅-源电压的变化转换成小信号5漏极电流,于是输出电压由小信号漏电流流过电阻产生,如图2-2所示.图 2-2 小信号分析当,M1 截止：inTHVVoutDDVV饱和区： 122()outDDDnoxinTHWVVRu CVVL转折点： 2111()2inTHDDDnoxinTHWVVVRCVVL线性区： 212()2outDDDnoxinTHoutoutWVVRCVVVVL深线性区： 2()outinTHVVV所以 onoutDDonDRVVRR1()DDnoxDinTHVW
19、CR VVL小信号增益： outvinVAV ()DnoxinTHWRCVVL oDvmoDr RAgrR mDg R 总结：在CMOS工艺下,精确阻值的电阻难加工,阻值小时增益小,阻值大时电阻的尺寸太大,还会降低输出摆幅,一般采用MOS管代替电阻做负载.2.1.1 电阻负载共源级放大器电路图电阻负载共源级放大器电路图设计设计电阻负载共源级放大器电路图如图 2-3 所示.图 2-3 电阻负载共源级放大器电路图对完成的电路图进行验证：选择ToolsDesign Checks点击,验证结果如下图2-4所示.图 2-4 电路图验证2.1.2 电阻负载共源级放大器电路图电阻负载共源级放大器电路图 SP
20、ICE 文件设置文件设置T-SPICE 主要的功能是电路分析和模拟,T-SPICE 电路模拟器是由 Tanner 公司提供的专门用来模拟仿真电路的软件程序.T-SPICE 的文本文件窗口中可以编辑、创建和打开各种文本文件,还可以在打开的文件中写入各种 T-SPICE 命令.T-SPICE 输入用 T-SPICE 电路描述语言写成的输入文件后,就可以对输入文件进行模拟仿真.对 SPICE 文件进行设置,包括加载包含文件、设定电源电压、输入信号、分析设定、设定输出6等.设定好后 T-SPICE 文件中会多出如图 2-5 信息,设定好后需要保存 SPICE 文件.选择FileExportExport
21、 SPICE把设计好的共源极放大器电路图输出成SPICE文件,输出的SPICE文件打开后最后面会看到如下图2-5的文字.图 2-5 电阻负载共源级放大器 SPICE 文件分析与输出设定：分析设定如下图 2-6,输出设定如下图.图 2-6 电阻负载共源级放大器 SPICE 文件2.1.3 电阻负载共源级放大器电路图仿真图电阻负载共源级放大器电路图仿真图电阻共源级放大器电路图仿真图如图 2-7 所示.图 2-7 电阻负载共源级放大器电路图仿真图2.1.4 电阻负载共源级放大器版图电阻负载共源级放大器版图设计设计电阻共源级放大器版图如图 2-8 所示.图 2-8 电阻负载的共源级放大器版图 DRC
22、规则检查规则检查DRC 规则检查如下图所示.图 2-9 电阻负载的共源级放大器版图2.1.6 电阻负载共源级放大器版图电阻负载共源级放大器版图 spice 文件设置文件设置电阻共源级放大器版图 spice 文件如图 2-10.图 2-10 电阻负载共源级放大器 spice 文件2.1.7 电阻负载共源级放大器版图仿真图电阻负载共源级放大器版图仿真图电阻共源级放大器版图仿真如图 2-11.图 2-11 电阻负载共源级放大器版图仿真图2.2 二极管连接负载的共源级放大器电路二极管连接负载的共源级放大器电路原理分析原理分析在大多数 CMOS 工艺条件下,制作精确控制的阻止或者具有合理的物理尺寸的电阻
23、是很困难的,因此一般采用 MOS 管代替电阻作为负载7.增益： ()vmoDAgr R 忽略 ro 的影响 11222111mmmmbmggggg 2mnoxDWgCIL12()1() 1vW LAW L 总结：忽略随的变化时,增益只与W/L有关,与偏置电压、电流无关,而outV且线性度很好.2.2.1 二极管负载共源级放大器电路图设计二极管负载共源级放大器电路图设计二极管共源级放大器电路如图 2-12.图 2-12 二极管连接的负载的共源级放大器电路图2.2.2 电路图验证电路图验证电路图验证如图 2-13 所示.图 2-13 电路图验证2.2.3 二极管负载共源级放大器电路图二极管负载共源
24、级放大器电路图 SPICE 文件文件设置设置二极管共源级放大器电路图 SPICE 文件如图 2-14.图 2-14 二极管连接的负载的共源级放大器 SPICE 文件2.2.4 二极管连接负载的共源级放大器电路图仿真图二极管连接负载的共源级放大器电路图仿真图二极管共源级放大器电路图仿真图如图 2-15.图 2-15 二极管负载的共源级放大器电路图仿真图2.2.5 二极管负载共源级放大器版图二极管负载共源级放大器版图设计设计二极管共源级放大器版图如图 2-16 所示.图 2-16 二极管负载的共源级放大器版图2.2.6DRC 规则检查规则检查DRC 规则检查如图 2-17.图 2-17 二极管连接
25、的负载的共源级放大器版图2.2.7 二极管负载共源级放大器版图二极管负载共源级放大器版图 spice 文件文件设置设置二极管负载共源级放大器版图 spice 文件如图 2-18.图 2-18 二极管连接的负载的共源级放大器 spice 文件2.2.8 二极管负载共源级放大器版图仿真图二极管负载共源级放大器版图仿真图二极管负载共源级放大器版图仿真图如图 2-19.图 2-19 二极管负载共源级放大器版图仿真图2.3 电流源负载共源级放大器电路电流源负载共源级放大器电路原理分析原理分析应用中有时要求单级具有很大的电压增益8,关系式表示,我们可vmDAg R 以增大共源极的负载电阻阻止.但是对于电阻
26、或者二极管连接的负载而言,增大阻值会限制输出电压的摆幅.一个更切实可行的方法是用电流源代替电阻或者二极管负载,使电路中两个管子都工作在饱和区9.因此在输出结点所看到的总的输出阻抗等于所以增益为102orr1102()vmoAgrr 当远大于时 02r1or1112vm onox DDWAg rC ILI 总结：在漏电流一定时,只增大 L 可增大增益,但同时会使寄生电容增大,单纯的增大会使增益减小10.DI2.3.1 电流源负载共源级放大器电路图设计电流源负载共源级放大器电路图设计电流源共源级放大器电路如图 2-20.图 2-20 电流源负载共源级放大器电路图2.3.2 电路图验证电路图验证电路
27、图验证如图 2-21.图 2-21 电路验证图2.3.3 电流源负载共源级放大器电路图电流源负载共源级放大器电路图 SPICE 文件文件设置设置电流源共源级放大器电路图 SPICE 文件如图 2-22.图 2-22 电流源负载共源级放大器电路图 SPICE 文件2.3.4 电流源负载共源级放大器电路图仿真图电流源负载共源级放大器电路图仿真图电流源共源级放大器电路图仿真图如图 2-23.图 2-23 电流源负载共源级放大器电路图仿真图2.3.5 电流源负载共源级放大器版图电流源负载共源级放大器版图设计设计电流源共源级放大器版图如图 2-24.图 2-24 电流源负载共源级放大器版图2.3.6 D
28、RC 规则检查规则检查DRC 规则检查如图 2-25.图 2-25 电流源负载共源级放大器版图2.3.7 电流源负载共源级放大器版图电流源负载共源级放大器版图 spice 文件文件设置设置电流源共源级放大器版图 spice 文件如图 2-26.图 2-26 电流源负载共源级放大器 spice 文件2.3.8 电流源负载的共源级放大器版图仿真图电流源负载的共源级放大器版图仿真图电流源共源级放大器版图仿真图如图 2-27.图 2-27 电流源负载共源级放大器版图仿真图3LVS 对比对比LVS 是电路图与版图的结果对比工具,用于把由 L-Edit 生成的版图反向提取的 SPC 网表与由 S-Edit
29、 设计的逻辑电路图输出的 SP 网表进行对比,实现版图检查和对照分析,检测绘制的版图和电路图是否一致电路的工具,LVS 工具不光能检测出部件和布线,还能够检测出这些器件类型是否正确.3.1 电阻负载共源级放大器电路电阻负载共源级放大器电路 LVS 对比对比电阻共源级放大器电路 LVS 对比如图 2-28.图 2-28 LVS 对比图3.2 二极管连接负载的共源级放大器电路二极管连接负载的共源级放大器电路 LVS 对比对比二极管共源级放大器电路 LVS 对比如图 2-29.图 2-29 LVS 对比图3.3 电流源负载共源级放大器电路电流源负载共源级放大器电路 LVS 对比对比电流源共源级放大器
30、电路 LVS 对比如图 2-30.图 2-30 LVS 对比图4 结束语结束语本次的论文课题主要为研究共源级放大器的电路与版图的具体设计与实现.采用 EDA 技术里的 Tanner Tools 软件工具对其进行整体设计 ,完成电路的设计后 ,由输出 SPICE 文件与 W-Edit 工具对进行模拟仿真；然后在绘制无误的版图与后续软件的基础上 ,同样进行模拟与仿真 ,并与之前的仿真结果进行在波形上的对比 ,最终将两种设计得出的结果做个比较 .通过此设计进一步熟悉 Tanner13 软件与其设计流程 ,同时对共源级放大器的电路结构进行进一步了解 ,了解共源级放大器的用途 .版图设计的任务就是将电路
31、图元件用版图模拟器件设计者自己编辑也有部分直接调用来代替,用钣金模拟材料代替导线进行布线,添加输入数出端口,生成 SPICE 文件进行仿真,然后矫正,直到满足设计要求.整个过程可以简单分为划分、布图规划、布局、布线和压缩等子过程,在不同的设计要求和模式下所需要的设计子程序不尽相同,像这次设计就只需要用到布局和布线这两个子程序.当今社会已处于信息时代 ,它的基础是各种信息技术 ,而微电子是构成信息技术的基石 ,因此集成电路的发展 ,是现代化信息社会里 ,提升和变革传统产业链的重点 .我国早已成为电子信息产品需求与生产大国,但实际上 ,我国的内部供应与创新能力远不与变更的需求量.因而,积极发展中国
32、特有的集成电路产业 ,成为当下国内集成电路与软件方面急需解决的问题.EDA 技术的实现需要功能强大的计算机辅助 .在 EDA 软件平台上 ,能自动完成逻辑编译,逻辑综合 ,逻辑化简 ,结构综合 ,以与逻辑优化 与仿真测试 ,直至能实现特定的电子系统线路 功能是硬件描述语言 HDL是系统逻辑描述手段完成的设计文件 .EDA 技术让设计者的工作局限于利用软件方式 ,通常情况下结合硬件描述语言与EDA 软件就能完成实现系统硬件功能 ,使工作效率极大地提高了 .参考文献参考文献1 何宾.EDA 原理与应用M.:清华大学,2009:3-18.2潘松,黄继业.EDA 技术实用教程第四版M.:科学,2010
33、:5-21.3廖裕评,陆瑞强.Tanner Pro 集成电路设计与布局实战指导M.科学,2011:61-73.4金鸿,王颖.集成电路版图设计与 Tanner EDA 工具的使用M.机械工业,2009:112-203.5王毓银.数字电路逻辑设计第二版M.:高等教育,2009:76-118.6曾庆贵.集成电路版图设计M.:机械工业,2008:17-49.7康华光.电子技术基础电子技术基础数字部分M.:高等教育,2006:32-51.8郭明琼,李萧.常用数值集成电路原理与应用M.人民邮电,2005:43-46.9 唐金艺.超前进位加法器研究J.现代计算机专业版,2008:17-18.10UyemuraJP,周润德译.超大规模集成电路与系统导论M.:电子工业,2004:56-60.
