针对IO的缓冲器版图设计

《集成电路版图设计》实验（二）：

针对IO的缓冲器版图设计

一．实验内容

参考课程教学中互连部分的有关讲解，根据下图所示，假设输出负载为5PF，单位宽长比的PMOS等效电阻为31KΩ，单位宽长比的NMOS等效电阻为13KΩ；假设栅极和漏极单位面积（um2）电容值均为1fF，假设输入信号IN、EN是理想阶跃信号。与非门、或非门可直接调用LEDIT标准单元库，在此基础上，设计完成输出缓冲部分，要求从输入IN到OUT的传播延迟时间尽量短，可满足30MHz 时钟频率对信号传输速度的要求（T=2T p）。

二．实验要求

要求：实验报告要涵盖分析计算过程

V DD

In

En

En

Out 图1.常用于IO的三态缓冲器

三、实验分析

为了满足时钟频率对信号传输速度的要求，通过计算与非门和或非门的最坏延时，再用全局的时钟周期减去最坏的延时，就得到了反相器的应该满足的延时要求，可以得到反相器N管和P管宽度应该满足什么要求。标准与非门和或非门的电容、电阻可以通过已知条件算出。由于与非门、或非门可直接调用LEDIT标准单元库，所以本设计的关键在于后级反相器的设计上（通过调整反相器版图的宽长比等），以满足题目对电路延时的要求。由于输入信号IN和是理想的阶跃信号，所以输入的延时影响不用考虑。所以计算的重点在与非门和或非门的延时，以及输出级的延时。对于与非门，或非门的延时，由于调用的是标准单元，所以它的延时通过提取标准单元的尺寸进行估算，输出级的尺寸则根据延时的要求进行设计。

四、分析计算

计算过程：

（1）全局延时要求为：

30MHz的信号的周期为T=1/f=33ns；

全局延时对Tp的取值要求，Tp<1/2*T=16.7ns；

（2）标准单元延时的计算：

所用到的标准单元如下图所示：

图2.与非门和或非门标准单元版图

通过在ledit软件中使用尺子测量与非门和或非门的晶体管的尺寸，得到了L=2um，W=28um，漏极的长度为LD=6um。pmos和nmos采用的是等尺寸的。

NMOS的电阻为：R n=13 kΩ/(w/l)n=13 kΩ/14=0.93 kΩ

PMOS的电阻为：R p=31 kΩ/(w/l)p=31 kΩ/14=2.2 kΩ

栅极的寄生电容为C g=2⨯28⨯1fF=56fF

漏极的寄生电容为C d=6⨯28⨯1fF=168fF

分别计算与非门和或非门的上拉和下拉网络的延迟时间，以找到最坏路径的延时，将最坏延时确定这一级的延时。CL为后级pmos 的栅极电容，由于栅极电容的量级一般在fF量级，从上面的结果知道，栅电容为56fF，对其延时影响有限，所以我们忽略栅电容的影响，只计算无负载延时。

(3)计算与非门的无负载延时

图三.与非门管级电路图

1、与非门下拉网络的无负载延时,即C1通过一个MOS管放电加上C2通过两个MOS管的放电时间：

T PHL=0.69*（0.93kΩ*168fF+(0.93kΩ+0.93kΩ)*168fF）=0.32ns

2、与非门上拉网络的最坏延迟时间即单管导通的延时：

T PLH =0.68⨯2.3kΩ⨯168fF=0.256ns；

所以比较可知与非门的最坏延时为下拉时间T PHL =0.32ns；（4）或非门的无负载延时

图4.或非门的管级电路图

1、或非门下拉网络的最大延迟即单管导通延迟：

T PHL =0.69*0.93kΩ*168fF=0.108ns；

2、或非门上拉网络的最大延迟：

T PLH =0.69*（2.3kΩ⨯168fF+(2.3kΩ+2.3kΩ)⨯168fF）=0.765ns；所以比较可知或非门的最大延时T PLH =0.765ns。

可见：与非门和或非门的最坏延时由或非门的上拉网络决定，其无负载的延时为0.765ns。实际中或非门的下级负载是反相器NMOS 的栅极电容，从上面的结果知道，栅电容为56fF,可知栅极电容是比较小的，取一个适当的栅电容值100fF。

(5) 输出级的延时应该满足的数值

当负载电容为100 fF时的延时为：

T P栅=0.69*（2*R P*C g）=0.69*2*2.2*10^3*100*10^(-15)=0.304ns 得到反相器前的最坏延迟为:

tp=T PLH+ T P栅=0.765ns+0.304ns=1.093ns

所以输出级的延时应该小于16.7ns-1.093ns=15.607ns。

(6)反相器尺寸的确定

由于漏极电容的量级在fF量级，所以，输出的电容负载近似的认为仅有CL=5pf提供。

1、设PMOS的栅宽为W p，栅长由工艺决定2um，所以上拉网络延时应该满足的关系为：

0.69*31 kΩ/（W P/2）*5*10^(-12)F<15.607ns

得到：W P>13.705 um。

2、设NMOS的栅宽为W n，栅长由工艺决定2um，所以上拉网络延时应该满足的关系为：

0.69*13 kΩ/（W n/2）*5*10^(-12)F<15.607ns

得到：W P>5.747 um。

五、版图绘制的过程概述

（1）计算后分析

我们通过计算得到了输出端NMOS和PMOS的最小尺寸，分别为

5.747um和13.705um，其对应的栅电容比标准与非门和或非门小很多，前面计算得知标准与非门的栅电容仅仅为栅电容为56fF,可知栅极电容是比较小的，因此我们在前面取的或非门的后级负载电容量100fF 是满足设计要求的。通过上面计算可以知道，NMOS的尺寸只要大于5.747um，PMOS的尺寸只要大于13.705um就可以满足时钟频率对信

号传输速度的要求。由于布线，设计规则的限制，导致版图面积会变大，所以N管有源区的面积可以绘制大一些也并不会增大整体版图面积。综合选定了反相器PMOS的的宽度为14 um，反相器NMOS的尺寸为12 um。

（2）绘制版图的过程

1、打开ledit软件，新建new layout,通过file中的replace setup 选择lights.tdb文件，使用里面的参数设置来绘制版图。

2、调用标准与非门和或非门，将两个门放置在同一高度。

3、下面绘制反相器版图，根据前述的计算，在P衬底上绘制有源区，再画N select,将有源区包裹住，进行设计规则检查。

4、在有源区上绘制1条多晶硅，宽度为最小尺寸，。需满足最小尺寸