专用集成模拟电路(上机步骤及考试复习).doc

第 周 第 次课 20 年 月 日
教学时数
2
章节：第十讲 IC设计工具Tanner Pro

教学目的及要求：（1）掌握如何运用Tanner Tools进行原理图及版图设计
（2）掌握采用S-edit、TSPICE、SPR、L-Edit等软件进行ASIC设计的步骤
（3）掌握本课程的主要内容
教学重点：掌握采用S-edit、TSPICE、SPR、L-Edit等软件进行ASIC设计的步骤
教学难点：掌握采用S-edit、TSPICE、SPR、L-Edit等软件进行ASIC设计的步骤
教学手段：多媒体
教学方法：课堂提问、讨论、启发

教学内容提要（教学过程）
时间分配
备 注
第一部分设计流程

第二部分 上机步骤

90分钟

小结与改进措施：
运用Tanner Tools进行ASIC设计，包括原理图及版图设计；总结本课程的主要内容，并答疑

复习：
一. 基本概念—第1、2、3、4、5章。
1) 摩尔定理
2) 设计规则；特征尺寸
3) ASIC；IC
4) 氧化；光刻；扩散；淀积
5) 深亚微米集成电路
6) CIF格式；GDSП格式；
7) DRC; ERC; LPE; LVS；
8) PN 结
9) 方块电阻
10) 噪声容限；高电平噪声容限；低电平噪声容限
11) CMOS反向器的功耗；静态功耗；动态功耗；功耗周期延迟积
12) 你自己认为的Digital/Analog/SOC IC设计过程
二、集成电路工艺按制作工艺主要分为哪几大类，并简述各工艺的主要特点及应
用范围
三、画出双极晶体管（NPN、横向PNP及纵向PNP）的剖面图、版图及给出简化的标准双极工艺流程
四、版图检查与验证主要包括什么?
五、简述版图设计规则包括了那些内容？
六、选择工艺的主要依据是什么？
七、集成电路中常用的电阻类型及其特点、；电容类型；
八、单管MOS开关及CMOS传输门的特点；并画出CMOS传输门的电路结构。
九、画出CMOS反相器的剖面图和版图。
十、用你自己的话解释微电子学、集成电路、ASIC的概念，并列举
出你见到的、想到的不同类型的集成电路及其主要作用
十一、集成电路设计的一般流程
十二、简述反向器的上升时间、下降时间、延迟时间。
十三、采用传输门构成D触发器的电路结构
十四、恒流源的电路结构及特点
十五、集成运算放大器电路结构及基本的跨导运算放大器电路
十六、简述带隙基准电压源的实现原理，并给出一种简化的CMOS实现结构图。
十七、上机作业（（30分）
必做题目：（1）自己设计一个简单的数字电路，如D触发器或全加器。要求用S－edit画图、Ledit/SPR自动布局布线、T－spice功能仿真。
（2）手工画出CMOS结构Nand2或Nor2版图
选做题目：（1）对一个模拟电路如差分对完成S－edit画图、T－spice功能仿真、Ledit手工画出版图。
（3）必须交上机试验报告（也为一道考题），可以是手写的。包括详细设计过程、电路图、仿真波形示意图及工作原理和结果分析。不需要当场交，各班班长于上机结束后三天内收齐交曹老师、李老师（科技试验楼1212房间，Tel：[phone]），过期不候。

有关考试注意事项
1、上机30%,考试70%；考试时间见课表。上机时间待通知。
2、上机交实验报告(也为考试一道题)，可以是手写的。包括详细设计过程、电路图、仿真波形示意图、版图示意图、及工作原理和结果分析。
3、考试形式为半开卷。
1) 不许带教材、笔记或其它书籍。
2) 如果自己认为必要，可将本课的所有内容浓缩在一页A4大小的纸上，也可正反面。考试只许带这一张纸和笔。
3) 纸张展开超过A4大小则无效。该纸先写上姓名和学号，并必须与试题、试卷一起上交，作为评分依据。
4) 该纸必须是自己亲自整理的，任何复印、复写及其他一式多份的复制无效，监考老师会收走。

第十讲 IC设计工具Tanner Pro
一. 设计流程
Technology Mapping 激励.vec
工艺映射库
SCMOS等
NetTran
SDT/Viewdraw
图形符号库
SchemLib
GateSim/Viewsim
S P R
L—Edit
D R C
版 图 库
SCMOSLIB
Extract
L V S
Device.lib Libraries(TML)
schemlb1.
lib～ .sim命令文件
schemlb4.lib .net
.sch Actel
.wir 网表与 Harris门阵列
电路级 测试矢量 National
.tpr 输出 etc.

版图级

MOSIS
掩模数据输出 VLSI
.cif HP等
二. 原理图绘制与转换
⒈ 设计步骤举例

⑴ OrCAD/SDT中装有符号库Scemlb1～Schemlb4 (用draft/c安装)
draft hadd.sch↙ 画图如上所示，注意：接上IPAD,OPAD等；
⑵ Annotate, Cleanup, ERC 等后处理；
⑶ Netlist hadd.sch hadd.wir wirlist /s /l /p↙
⑷ NetTran -M scmos2tpr.mac hadd.wir hadd.tpr↙
↘使用宏文件 (用SCMOSLIB库)
NetTran –M+++
scmos2sim.mac hadd.wir ↙
⑸ GateSim ...
⑹ SPR ...
B
IPAD
IPAD
OPAD
OPAD
A
CARRY
SUM
图3.21 版图设计举例
三. 逻辑模拟器
⒈ 模拟仿真示意框图
*.vec激励文件
GateSim模拟器
*.sim命令文件
*.net
网表文件

图3.22 模拟仿真示意框图
四. 全定制版图编辑L-Edit
五. 版图设计命令
文件(File) 编辑(Edit) 观察(View) 单元(Cell)
排列(Arrange) 设置(Setup) 特殊功能(Special)
⒈ 文件(File)命令
⒉ 编辑(Edit)命令
⒊ 显示(View)命令
⒋ 单元(Cell)命令
⒌ 排列(Arrange)命令
⒍ 环境设置(Setup)命令
⒎ 特殊(Special)命令
六. 标准单元库
Tanner中有价值的是它的经过验证的标准单元库，包括电路符号库、功能参数库和实体版图尺寸库三个子库，SPR布局布线就是对其进行。
七. 自动布局布线
八. 设计规则检查
⒈功能(Design Rule Check)
检查各层的最小宽度、最小间距和最小覆盖。也可以检查导出层。
九. 版图校验
Layout Versus Schematic，又称网表比较器—校验版图与逻辑图的拓扑.LVS
十. 版图网表、器件及参数提取
⒈ 功能和用途
它可以从版图中提取网表、器件和参数，包括寄生器件和参数，其输出 是一个标准的Spice格式网表。它可以用于Spice模拟、LVS版图校验及其它场合。

上机步骤：
一、用S-edit 输入原理图：
1、双击S-Edit图标，就可以启动S-Edit。
在启动时，S-Edit会创建一个名叫File0的文件（这个文件具有一个模块Module0，显示页码为Page0）。
启动S-Edit打开一个未存在的文件时，S-Edit就会寻找文件sedit.sdb，阅读这个文件可以得到设置信息。
2、加库：Module>symbol browser （add library）。
如 D：\Edasoft\tanner\library\Scoms.lib,或spice.lib。
3、放置元件，在 module Name Conflict对话框中选择第四个选项。

图1
移动元件：先选中元件，用ALT+左键移动。
4、Schematic toolbar（原理图工具栏）（如图2所示）提供了一些用于创建电对象如连线、端口、属性的工具。

图2
5、加电源（vdd和gnd之间）。（spice库中有电源）
6、添加输入信号。
7、完成原理图后，确认无误时，保存原理图。
8、在S-EDIT窗口中点击T-SPICE图标，进入T-SPICE仿真环境。
二、T-SPICE 仿真
1、 加入SPICE 仿真命令。在T-Spice 界面中，点击Edit下拉菜单中Insert Commad,其包含基本的spice命令语句，例如参数设置、交、直流分析以及输出的结果等。
（1）、Setting（设置） Patameters。例调用Scoms库中的单元，要定义l 值，可设l＝1u。
（2）、File Include File：加入模型库。
（3）、Analysis Transient：运行时间、步长、起始时间等。
（4）、Output Transient Rusult：需要看的输出节点。（一定要给出参考电压）。
加完spice 仿真命令后，可以运行模拟。
2、 Simulate Start Simulation
运行没错误的情况下，软件自动调用波形文件，显示输出波形结果。
三、用SPR自动布局布线。
SPR 的一般使用流程:
（1）、生成设计电路图。此原理图与仿真的原理图不同的地方在于要加上电源、地以及输入、输出PAD，并且去掉信号源。
（2）、输出EDIF或TPR的网表。L-EDIT支持EDIF200,EDIF level 0,关键词Level 0,显示网表类型。
（3）、启动L-EDIT。
用File>New生成你的设计文件（即版图文件）。这需要通过在New File的对话框 Copy TDB setup from file 项中输入你的单元库文件名，从而将单元库的工艺设置信息传递给设计文件（即版图文件）。
（4）、用File>Save 储存设计文件。
（5）、选择Tools>SPR>Setup。出现SPR Setup对话框，指定标准单元库文件名和网表文件，电源、地节点及在电路图中所用的端口名。（此名必须和标准单元的电源、地的端口名称一致）。
（6）、 点击Initialize Setup按钮。此步会读入网表并且用网表的信息初始化以下的设置对话框。
（7）、点击 Core Setup, Padframe Setup和 Pad Route Setup 的按钮。
（8）、选择Tools>SPR>Place and Route。设置适当的参数。
（9）、点击Run 按钮。
S-EDIT、TSPICE、SPR使用说明
一．用S-EIDT输入原理图
1．双击S-EDIT图标就可启动S-EDIT，正常启动时，S-EDIT会创建一个名叫File0的文件（这个文件具有一个模块Module0，显示页码为Page0）。启动S-EDIT打开一个不存在的文件时，S-EDIT就会寻找文件 *.sab。阅读这个文件就可以得到设置信息。
2．加库：选择Module>Symbol blowser…>Add library…
如 C:\Tanner\S-Edit\library\scmos.sdb
C:\Tanner\S-Edit\library\spice.sdb

图1. 添加模型库图示
3. 放置元件 使用菜单Module>Symbol blowser或图标，在Symbol blowse对话框中选者要放置的元件，如INV，然后点击place按扭放置元件。
如果在原理图中已经有相同的元件，则会出现如图2所示的Module.Name.confilct对话框，选择第四个选项。

图2. 添加元件图示
若要移动元件，则先选中元件，再用AIt+左键移动，或使用鼠标中键。
4. 连线：点击Schematic toolbar (原理图工具栏)中的连线图标，在原理图中用鼠标左键确定连线的起点，右键确定连线的终点，将各个元件按功能连接起来。
5. 添加输入输出端口：点击Schematic toolbar中的输入端口图标和输出端口图标，添加输入输出端口到原理图中。
6. 从Module>Symbol blowser加入电源和地（Vdd和gnd）（spice中有电源）
7. 添加输入信号。
8. 完成原理图后，确认无误时，保存原理图。如图3所示。

图3. 已完成的S-EDIT原理图
9. 在S-EDIT窗口中点击T-SPIC图标进入T-Spice仿真环境。
二．T-Spice仿真
1．加入 spice仿真命令。在T-Spice界面中，点击EDIT下拉菜单中Imand。其中包含基本的Spice命令语句。例如参数设置，交流分析，直流分析以及输出的结果等。也可以在S-Edit中加入MODULE命令来设置参数，要确保仿真命令输入完全正确。
（1）Analysis……Transient 设置瞬态分析扫描参数
如：.tran 1N 500N
（2）Files……Include加入模型库。
如：.include "D:\tanner\tanner\TSpice70\models\ml1_typ.md"
（2）Settings……Parameters 设置参数值。
如：.param l=1U
(3 ) Output…… Transient Results 加入需要看的输出节点。
如：.print tran v(A) v(B)
.print tran v(CARRY) v(sum)
加完Spice仿真命令后可以点击运行模拟仿真。
2.若仿真出现错误则再次回到网表中检查命令是否加入完全,参数设置是否正确.也可以手动修改或加入参数。
运行没错误的情况下，软件自动调用波形文件，或点击T-SPICE中的显示输出波形结果。如图4所示：

图4 W-edit 显示的输出波形
三．用SPR自动布局布线。
SPR的一般使用流程。
（1）生成设计电路图，原理图与仿真的原理图。不同的地方在于要加上电源，地以及输入输出PAD并且去掉信号源。如图5所示：

图5 SPR设计原理图
（2）输出EDIF或TPR的网表。L-EDIT支持EDIF200，EDIF.LEVEL.0 关键词LEVEL.0显示网表类型。
（3）启动L-EDIT
用File>NEW生成你的设计文件（即版图文件）这需要通过在NEW ……File的对话框COPY TDB Setup from file项中输入你的单元库文件名，从而将单元库的工艺设置信息传递给设计文件（即版图文件）。
（4）用File>save储存设计文件。
(5) 选择Tools>SPR>Set up出现SPR.setup对话框。指定标准单元库文件名和网表文件。电源，地节点及在电路图中所用的端口名（此名必须和标准单元的电源，地的端口名一致）。
（6）点击Initialize setup按纽,此步会注入网表，并且用网表使信息初始化以下的设置对话框。
（7）点击core set up 、Padframe set up和Pad Route set up的按纽。
（8）选择Tools>SPR>Place and Route设置适当参数。
（9） Run。
运行没有错误的情况下，L-edit将显示自动布局布线好的版图。如图6，图7所示：

图6 整体半加器框图 图7 SPR下的半加器框图

L—Edit教程
一、 简单介绍
1、 鼠标的使用
L—Edit希望使用三键鼠标，如果使用两键鼠标，则中键的功能由按下ALT
键的同时按下左键来实现。
2、 屏幕显示
空格键用于屏幕刷新，而其他键和鼠标任一键可中断屏幕刷新； 、、、、用于显示窗口的上下左右移动；“+”用于屏幕的放大而“-”用于缩小屏幕中的内容。
3、 调整网格点
可通过Setup中的design中的grid来调节网格宽度，通常设一个网格为1um。
二、 设计规则检查DRC
1、 DRC的设置
设计规则检查可用Tools中下拉菜单DRC Setup命令项进行设置（或点击界面左上方第三个小图标）。可以根据不同的设计规则进行调节。
2、 运行DRC
完成布线后，应对版图作设计规则检查，其方法是在Tools中下拉菜单运行DRC．．．命令项（或点击界面左上方第一个小图标），这时就会出现一个是否要将错误信息存入一个文件的对话框。点确定后即可得到相关信息。
三、 基本命令
１、 文件操作命令（File）
（1） New :打开一个新的设计文件 ，单键命令：Ctrl+N
（2） Open:打开一个已存在的磁盘文件，此格式必须为TDB、CIF或GDSⅡ，单键命令：Ctrl+O
（3） Save:将当前设计保存，单键命令：Ctrl+S
（4） Close:关闭当前打开着的L—Edit设计，单键命令：Ctrl+W
（5） Quit:退出L—Edit，单键命令：Ctrl+Q
２、 编辑命令（Edit）
（1） Undo : 取消以前的编辑命令，单键命令：Ctrl+Z
（2） Cut : 将当前选中的目标剪下来放入缓冲区paste中，单键命令：Ctrl+X
（3） Copy : 将当前选中的目标复制到缓冲区paste中，单键命令：Ctrl+C
（4） Paste : 将缓冲区paste中的内容恢复到屏幕中，必须将其移到规定的位置。单键命令：Ctrl+V
（5） Clear : 删除当前所选中的目标，与Cut的区别是目标并不拷入缓冲区paste中，单键命令：Ctrl+B
（6） Duplicate : 为当前的所选目标产生一个副本。单键命令：Ctrl+D
（7） Select All : 在有效空间中选中所有目标，单键命令：Ctrl+A
四、 举例
1、模拟电路：如图1所示，为一基本差动对电路，输入为A和B，单端输出为OUT，BIAS1为PMOS管提供电流偏置信号，从而为差动对提供电流源负载。BIAS2为最下方的NMOS管提供电流偏置信号，从而为差动对提供恒定的尾电流源。

图1：以PMOS电流源为负载的差分对
如果采用CMOS工艺，则版图层次依次为：N阱——确定有源区——多晶（MOS管的栅）——P+扩散——N+扩散——引线孔刻蚀——金属连线。
其详细步骤如下（工艺设计选择λ规则）:
(1) 在File下拉菜单中击New,出现下面的对话框,在File中选择Layout,在Copy TDB setup from中选择已存在的版图文件,点击OK后就会出现一个同你选择的版图文件一样的设计界面。

(2) 在屏幕左侧的版图层次框中选择N-Well,点击BOX快捷键在界面的相应位置画出一矩形代表N阱；
(3) 在屏幕左侧的版图层次框中选择Active,在N阱中画两个矩形有源区准备作PMOS管，在N阱外大于5λ处画三个有源区，准备作NMOS管，有源区间的最小距离为3λ；
(4) 在屏幕左侧的版图层次框中选择Poly，在所有有源区中间画一细长多晶做MOS管的栅，最小宽度为2λ，栅在有源区的最小伸展为2λ；
(5) 在屏幕左侧的版图层次框中选择P-Select，在N阱中覆盖两个有源区，最小覆盖为2λ，在阱外也画一块P扩散区，作NMOS管的衬底；
(6) 在屏幕左侧的版图层次框中选择N-Select，在阱外覆盖所有NMOS的有源区，并且在阱内相应位置画一N扩散区，作PMOS管的衬底；
(7) 在屏幕左侧的版图层次框中选择Poly Contact，在多晶上打接触孔。孔的边长为2λ；在屏幕左侧的版图层次框中选择Active Contact，在有源区上打接触孔，边长也为2λ，孔间距为2λ；在屏幕左侧的版图层次框中选择Origin Layer，在衬底上打接触孔，边长都是2λ；
(8) 在屏幕左侧的版图层次框中选择Metal1，把相应的接触孔连接起来，输入输出信号可以利用点击Port快捷键写出线名，如果还有二铝的话，先在一铝上打过孔（Via1），再选择二铝（Metal2）进行连接。

图2：基于CMOS的差动对版图

2、数字电路：(1)如图3所示：为一非门电路。版图工艺及详细步骤同上：

图3：非门电路
具体版图如下：

图4：非门的版图(LAYOUT)电路
(2)：一位半加器
SUM＝A⊕B
CARRY=AB
其电路原理图为：

其版图如下所示：
其详细步骤同上，但在此例中加入Metal 2连线。

图5：一位加法器的版图设计
(1)在File下拉菜单中击New,出现下面的对话框,在File中选择Layout,在Copy TDB setup from中选择已存在的版图文件,点击OK后就会出现一个同你选择的版图文件一样的设计界面。

(2)在屏幕左侧的版图层次框中选择N-Well,点击BOX快捷键在界面的相应位置画出一矩形代表N阱；
(3)在屏幕左侧的版图层次框中选择Active,在N阱中画四个矩形有源区准备作PMOS管，在N阱外大于5λ处画四个有源区，准备作NMOS管，有源区间的最小距离为3λ；
(4)在屏幕左侧的版图层次框中选择Poly，在所有有源区中间画一细长多晶做MOS管的栅，最小宽度为2λ，栅在有源区的最小伸展为2λ；
(5)在屏幕左侧的版图层次框中选择P-Select，在N阱中覆盖两个有源区，最小覆盖为2λ，在阱外也画一块P扩散区，作NMOS管的衬底；
(6)在屏幕左侧的版图层次框中选择N-Select，在阱外覆盖所有NMOS的有源区，并且在阱内相应位置画一N扩散区，作PMOS管的衬底；
(7)在屏幕左侧的版图层次框中选择Poly Contact，在多晶上打接触孔。孔的边长为2λ；在屏幕左侧的版图层次框中选择Active Contact，在有源区上打接触孔，边长也为2λ，孔间距为2λ；在屏幕左侧的版图层次框中选择Origin Layer，在衬底上打接触孔，边长都是2λ；
(8)在屏幕左侧的版图层次框中选择Metal 1，把相应的接触孔连接起来，输入输出信号可以利用点击Port快捷键写出线名，对在一铝交错的连线，先在一铝上打过孔（Via1），再选择二铝（Metal2）进行连接。
注意：
1：画版图时，一定要注意版图层次和工艺几何设计规则。例如：有源区在多晶层前画；引线接触孔边长要小，但要大于工艺所要求的最小边长（在λ规则中为2λ）等等；
2：移动元件用Alt+鼠标左键来实现；
3：各层的默认习惯颜色分别为 :多晶——红色；
有源区——草绿色；
接触孔——黑色；
N阱——土黄色（带网格）；
P扩散（P Select）——棕红色（带网格）；
N扩散（N Select）——墨绿色（带网格）；
金属连线——蓝色。
4：常用版图设计规则有微米规则与λ规则：前者是以微米为尺度表示的版图最小允许值的大小，后者是以λ为基本单位的几何设计规则，它将版图规定尺寸均取为的整数倍来表示。

工艺设计参数
λ规则
微米规则

*调整后
A.N阱区

A.1N阱最小宽度
10λ
5 2
A.2N阱最小宽度（相同电位）
6λ
3 2
A.3N阱最小宽度（不同电位）
8λ
4 2
B.有源区或薄氧化层区

B.1有源区最小宽度
3λ
1.5 1
B.2有源区之间最小间隔
3λ
1.5 1
B.3N阱内P扩到阱边的最小间隔
5λ
2.5 1
B.4N阱内N扩到阱边的最小间隔
3λ
1.5 1
B.5N阱到阱外N扩的最小间隔
5λ
2.5 5
B.5N阱到阱外P扩的最小间隔
3λ
1.5 3
C.多晶硅1（第一层多晶）

C.1多晶最小宽度
2λ
1 1
C.2多晶硅之间最小间隔
2λ
1 1
C.3多晶至有源区最小间隔
1λ
0.5 0.5
C.4多晶硅栅在有源区的最小伸展
2λ
1 1
D.P扩区（或N扩区）

D.1P扩区对有源区的最小覆盖
2λ
1 1
D.2P扩区最小宽度
7λ
3.5 3
D.3在毗邻接触中有源区P扩，N扩注入区的最小交叠
1λ
0.5 2
E.接触孔

E.1接触孔最小边长
2λ
1 0.75
E.2有源区接触孔最小间距
2λ
1 1

21