全定制设计——共源共栅放大器

实践教学要求与任务:设计一个共源共栅放大器，满足如下要求：（1）电路面积最优；（2）负载10PF电容；（3）增益A=60；（4）不限其余参数；（5）采用gpdk0.18通用工艺库；（6）完成全部流程：设计规范文档、原理图输入、功能仿真、基本单元版图、整体版图、物理验证等。

工作计划与进度安排:第1-2天：讲解题目，准备参考资料，检查、调试实验软硬件，进入设计环境，开始设计方案和验证方案的准备；第3-5天：完成设计，经指导老师验收后进入模块电路设计（验收设计文档）；第6-9天：完成模块电路代码输入，并完成代码的仿真（验收代码与仿真结果）；第 9-10天：约束设计，综合（验收约束与综合结果）；第11-12天：布局布线，完成版图（验收版图结果）；第13-14天：物理验证、后仿真，修改设计（验收物理验证结果和时序仿真结果）；第15天：整理设计资料，验收合格后进行答辩。

摘要由于共源共栅放大器把电压信号转换为电流信号，而共栅放大器的输入信号可以为电压信号也可以为电流信号，如果将共源放大器输出的电流信号作为共栅放大器的输入，则构成了共源放大电路与共栅放大器的级联，即成级联放大器或共源共栅放大器，此结构放大器件与级联器件属于同一性质，可称为伸缩式级联。

本次课程设计利用全定制设计流程完成了一个共源共栅放大器，所有设计是在cadence公司全定制平台IC5141工具下完的，IC5141工具主要包括集成平台design frame work II、原理图编辑工具virtuoso schematic editor、仿真工具spectre、版图编辑工具virtuoso layout editor、以及物理验证工具diva。

设计流程（全定制）步骤包括以下内容，设计输入（Composer、ICStudio/DesignArchitecture、Sedit、ViewDraw）等，产生SPICE网表，模拟设计环境；设计验证（Hspice、Spectre、Eido、SmartSpice）等；版图编辑（Virtuso、ICStation、Ledit、Laker、CosmosLE）等包括各个Foundry的PDK；关于版图验证则需要的是DRC/ERC/LVS/LPE(Dracula/Diva/Asura、Calibre、Herculus、Tanner、Laker等；后仿真Tapeout。

关键字：virtuoso schematic editor；design frame work II；全定制；目录摘要 (3)1 绪论 (5)1.1 设计背景 (5)1.2 设计目标 (5)2 共源共栅放大器设计 (5)2.1 创建设计库 (5)2.2 电容设计 (6)2.3 原理图设计 (6)2.4 仿真电路设计..................................... 错误!未定义书签。

2.5 仿真波形. (9)3 版图编辑与物理验证 (11)3.1 电容版图设计 (11)3.2 版图编辑 (12)3.3 DRC检查.......................................... 错误!未定义书签。

3.4 LVS检查.......................................... 错误!未定义书签。

4 总结.................................................... 错误!未定义书签。

参考文献.. (17)1 绪论1.1设计背景本次共源共栅放大器设计采用全定制设计平台cadence公司的IC5141。

IC5141工具主要包括集成平台design frame work II、原理图编辑工具virtuoso schematic editor、仿真工具、版图编辑工具virtuoso layout editor、以及物理验证工具diva等等。

接下来我们着重介绍原理图编辑工具tanner和集成于ADE(Analog Design Environment)的仿真工具spectre。

这里以cadence.3.2版的180nm pdk为例简单介绍工具的配置与使用，以便于我们可以了解并熟练的掌握相关知识，并合理的完成设计目标。

1. 2 设计目标设计一个共源共栅放大器，满足如下要求：（1）电路面积最优；（2）负载10PF电容；（3）增益A=60；（4）不限其余参数；（5）采用gpdk0.18通用工艺库；（6）完成全部流程：设计规范文档、原理图输入、功能仿真、基本单元版图、整体版图、物理验证等。

2 共源共栅放大器设计2.1 创建设计库在ic5141中，设计的管理以库的方式进行。

库管理器中包含有设计使用的工艺库和ic5141软件提供的一些元件库，如analogLib，basic等。

用户在工作过程中建立的库也放在库管理器中。

无论画电路图还是设计版图，都和建库有关，建电路图库的步骤如下。

（1）CIW界面点击File菜单，出现下拉菜单，选命令File New Library，出现“New Library”对话框。

（2）在对话框Library的Name项中输入新库名mylib。

在Technology File 项中提示：“如果要在这个库中建立掩模版图或其他物理数据，需要技术文件”若只要用电路图或HDL数据，则不需要技术文件。

（3）由于新建库后面还将用于版图绘制，选第二个选项，即“Attach to an e xisting techfile”，单击“OK“按钮，选择工艺库gpdk180，点击“OK“按钮完成新库的建立。

2.2 电容设计本次设计的电路仿真是在Linux环境下，使用cadence公司IC5141的原理图编辑工具virtuoso schematic editor进行仿真的，采用的是工艺库gpdk180工艺。

根据设计要求，为了满足负载10PF电容和AV=60，我们选择多晶硅电容作为负载电容。

经计算可得，NMOS管内电容Cp=300pF。

由公式，容抗R=1/2πFC，W=2πF，g m=wc=2w Cp，Av= g mR，经过计算得出，本次设计NMOS管内电容Cp=300PF。

求容抗时，可以考虑选定频率F=20MHZ。

2.3 原理图设计由于共栅共源放大器把电压信号转换为电流信号（该电流信号在负载上产生输出电压），而共栅放大器的输入信号可以为电压信号也可以为电流信号（电压信号可以转换成相应的电流信号），如果将共栅共源放大器输出的电流信号作为共栅共源的输入，则构成了共源放大电路与共栅放大电路的级联，即称级联放大器或共源共栅放大器。

M1产生正比于Vi的小信号漏电流并经M2流过R，M1为放大器件（也称为输入器件），M2为级联器件，且M1与M2具有相同的电流。

此类结构放大器与级联器件属于同一性质（即同为NMOS或同为PMOS），可称为伸缩式级联。

设计库建好后，就可以开始画电路原理图，具体过程如下。

（1）建立设计原理图：在CIW中选菜单项File New Cellview ,出现“Create New File”对话框，填写、选择相应的选项，点击OK按钮，进入原理图编辑器virtuoso schematic editor界面。

（2）例化并添加器件：在原理图编辑器中选择菜单项Add Instance（或者按快捷键i，或者点击编辑器左侧的工具栏Instance按钮均可），正确填写相关参数后，点击Hide按钮，在原理图编辑器中出现随鼠标移动的管子的symbol，放置到相应的位置即可。

然后依次添加所有器件管子模型。

（3）器件互联：连线有粗、细之分，粗线一般用来表示总线，普通的连线一般都用细线。

选择菜单项Add Wire(narrow)，（点击工具栏或者快捷键i均可），弹出窗口直接按Hide键隐藏，进行器件连接。

（4）完成连线后直接添加pin完成原理图输入。

选择菜单项Add pin（或者快捷键p或者工具栏pin均可），弹出pin选项表，先添加输入管脚，再添加输出。

最后得到原理图如下图2.1所示，选择菜单项Design Check and Save （shift-x）。

图2.1 共栅共源放大器原理图2.4 仿真电路设计（1）创建symbol完成原理图之后，为便于进行仿真，需要进行symbol的创建。

在原理图编辑窗口，点击菜单项Design Create Cellview From Cellview，出现symbol生成选项表，按要求填写完相关参数后，点击OK按钮，symbol创建完成。

（2）创建仿真电路图完成电路原理图的输入之后，为了对设计进行仿真和性能分析，需要建立一个仿真平台，将电源、各种激励信号输入待测的电路inv，然后采用仿真器进行分析。

1、建立设计原理图：在命令解释器窗口CIW中选菜单项File New Cellview ,出现“Create New File”对话框，填写、选择相应的选项，点击OK 按钮，进入原理图编辑器virtuoso schematic editor界面。

（同前述电路原理图输入时的操作一样）。

2、例化并添加器件：在原理图编辑器中选择菜单项Add Instance（或者按快捷键i，或者点击编辑器左侧的工具栏Instance按钮均可），正确填写相关参数，并依次添加各个器件。

3、器件互联：选择菜单项Add Wire(narrow)，（点击工具栏或者快捷键i 均可），弹出窗口直接按Hide键隐藏，进行器件连接。

最后得到的仿真电路图如图2.2所示，择菜单项Design Check and Sav （shift-x）。

图2.2 共源共栅放大器仿真电路图2.5 仿真波形对于ic5141模拟设计环境ADE来说，默认的仿真器是spectre，这里直接采用spectre对设计进行仿真和分析。

（1）启动模拟设计环境ADE（Analog Design Environment）：在窗口中选择菜单项Tools Analog Environment，随即启动ADE。

（2）添加模型与仿真文件：在窗口界面中，选择菜单项Setup Model Libraries，进入Model SetupLibrary，然后点击右下角的Browse按钮，选择模型文件后缀为.scs。

在Section(opt)下的框中填入stat类型中填写NN，点击Add按钮添加模型文件，最后点击OK选中模型文件并退出。

选定模型后，还需要设置仿真文件。

选择菜单项Setup Simulation Files，弹出的窗口中填入仿真文件的路径，点击OK完成设置。

（3）设置分析类型：根据不同的需要，可以对电路进行不同类型的分析。

在ADE界面中，选择菜单项Analyses Choose，选择仿真参数和类型，点击OK 按钮完成设置回到ADE界面。