反相器设计前仿与后仿流程

目录
前端电路设计与仿真 (2)
第一节双反相器的前端设计流程 (2)
1、画双反相器的visio原理图 (2)
2、编写.sp文件 (2)
第二节后端电路设计 (4)
一、开启linux系统 (4)
2、然后桌面右键重新打开Terminal (6)
双反相器的后端设计流程 (7)
一、schematic电路图绘制 (7)
二、版图设计 (21)
画版图一些技巧： (30)
三、后端验证和提取 (31)
第三节后端仿真 (37)
其它知识 (40)
前端电路设计与仿真
第一节双反相器的前端设计流程1、画双反相器的visio原理图
in
V DD
M2
M3
out
图1.1
其中双反相器的输入为in 输出为out，fa为内部节点。

电源电压V DD=1.8V，MOS 管用的是TSMC的1.8V典型MOS管(在Hspice里面的名称为pch和nch，在Cadence里面的名称为pmos2v和nmos2v)。

2、编写.sp文件
新建dualinv.txt文件然后将后缀名改为dualinv.sp文件
具体实例.sp文件内容如下：
.lib 'F:\Program Files\synopsys\rf018.l' TT 是TSMC用于仿真的模型文件位置和选择的具体工艺角*****这里选择TT工艺角***********
划红线部分的数据请参考excel文件《尺寸对应6参数》，MOS管的W不同对应的6个尺寸是不同的，但是这六个尺寸不随着L的变化而变化。

划紫色线条处的端口名称和顺序一定要一致
MOS场效应晶体管描述语句：(与后端提取pex输出的网表格式相同)
MMX D G S B MNAME <L=val> <W= val > <AD= val > <AS= val > <PD= val > <PS= val > <NRD= val > <NRS= val >
2.1、在wind owXP开始--程序这里打开Hspice程序
2.2、弹出以下画面然后进行仿真
1、打开.sp
文件
2、按下仿真按钮3
形
存放.sp文件的地址
查看波形按钮按下后弹出以下对话框
单击此处
如果要查看内部节点的波形，双击Top 处
单击这些节点即可查看波形
请单击此处的Top 查看
如果要查看测量语句的输出结果请查看 .MTO 文件(用记事本打开)
至此前端仿真教程结束
第二节后端电路设计
前序(
打开Cadence 软件)
一、开启linux 系统
双击桌面虚拟机的图标
选择Power on this virtual machine 开启linux之后
在桌面右键选择 Open Terminal
输入 xhost local：命令按回车
之后输入 su xue命令按回车，这样就进入了xue用户
1、输入命令加载calibre软件的license，按回车，等到出现以下画面再关闭Terminal窗口
2、然后桌面右键重新打开Terminal
进入学用户，开启Cadence软件，如下图
然后出现cadence软件的界面
关闭这个help窗口，剩下下面这个窗口，这样cadence软件就开启了
[如果在操作过程中关闭了cadence，只需要执行步骤2即可，步骤1加载calibre 的license只在linux重启或者刚开启的时候运行一次就可以了。

]
双反相器的后端设计流程
一、schematic电路图绘制
1、注意----
在Cadence中画schematic电路图时，每一个节点都需要命名，不然在参数提取之后没有命名的那些节点会被系统自动命名，导致用HSPICE查看内部节点波形时难以迅速找到自己需要的节点。

2、打开Cad ence软件新建库和单元Cell View
用命令icfb&打开Cadence软件后弹出以下CIW窗口
选择Flie-New-Libirary之后弹出以下窗口
这里我们新建一个名为ttest的库。

(注意：在新建library的时候要attach to an existing techfile)
点击OK以后弹出以下窗口
在technology library这里选择我们的TSMC库tsmc18rf
然后点击OK
在CIW窗口的tools菜单中选择第二个library manager之后弹出以下窗口
我们可以看到左边Library里面有我们之间建立的ttest库，用鼠标左键选择ttest，发现它的Cell和View都是空的。

然后在该窗口的File-New-Cell View新建一个单元Cell View
弹出以下窗口
在窗口的Cell name中输入我们需要取的名字，这
里取的是dualinv。

点击OK后自动弹出画schematic的窗口
3、画schematic电路图
点击上面的这个作图版面，在键盘上按快捷键i会出现添加器件的窗口
点击Browse后弹出以下窗口
这里选中TSMC的库tsmc18rf，在Cell中选中pmos2v，view中选中symbol 然后鼠标移到外面的画图板上，就会出现一个PMOS管，左键点击就可以放上去了，按ESC回到正常的光标状态。

同理，选中TSMC库中的nmos2v，就可以添加NMOS管。

(按快捷键M，然后再点击一下（选中）器件即可以移动器件)
接下来修改MOS管的尺寸，我们看到上述MOS管的默认尺寸都是L=180n W=2u 我们这里将PMOS管修改为W=720n NMOS管修改为W=220n
(注意：TSMC 0.18um库nmos2v和pmos2v最小的W只能设置到220nm，而不能设置到180nm)
鼠标左键选中一个器件(如M0)，然后按快捷键Q（property），出现以下调整MOS管属性窗口
在w(M)的文本框中修改前面的2u 修改成我们需要的720n 然后点击OK即可同理修改NMOS管的W=220n。

之后开始连线按快捷键W（wire）即可
然后添加PIN脚(即与外部信号相连的端口，从图1.1可以看出这个双反相器电路涉及到的PIN脚有in out vdd gnd)
[注意：由于目前的工艺是P阱衬底，所以全部NMOS管的衬底即B端要接gnd，而PMOS管的衬底可以接自己的S端或者vdd，一般只接VDD不接S]
[知识补充：MOS管的衬底B端接S才能不引起衬偏，衬偏了会造成阈值电压增大]
按快捷键P就可以添加PIN脚
在pin name中输入名称Direction中选中pin脚的方向(其中in的direction是input out的direction是output gnd和vdd的direction是inputoutput)
然后按回车，光标上就会出现一个pin的光影，点击鼠标左键即可摆放
摆放pin脚之后，将PIN脚与电路相连，同样用快捷键W来连线
由于图1.1中还有一个内部节点fa，这里我们就需要给内部节点命名。

按快捷键L，出现命名窗口
在names这里输入fa，然后按回车
然后鼠标上出现fa光影，将fa移到内部需要命名的线上点击左键即可。

然后保存电路
通用，也可以用快捷键L 来连接两个单元：
[这样就不用连线，却能保证两个单元连接到一起。

]
在画图板左边工具栏里面选中第一个check and save 4、将电路图创建成为一个symbol，用于仿真电路
选择Design—Create Cellview- From Cellview 弹出以下窗口
点击OK弹出以下窗口
这里主要是Top Pins和Botton Pins这里需要修改，修改成如下图
点击OK 弹出以下电路
点击save按钮保存
这样我们就会看到在library manager里面就多出了一个该电路的symbol
5、用spectre仿真器仿真电路
(这里仿真一下电路主要是验证一下自己电路有没有画错，如果电路逻辑功能正确，那么基本上可以保证自己刚才画的电路是正确的)
新建一个名为dualtest的Cell View单元（在Library Manager下）
点击OK
按快捷键i添加我们之前给双反相器电路创建的symbol
然后出现下图
接下来就要给各个端口加激励信号和电源了
按I添加器件，在analoglib中首先选择直流电压Vdc，另外还要选择vpwl作为线性分段信号源。

按Q修改vdc的属性
在DC voltage这里将电压值设置为1.8v(注意，只要填入1.8即可，不要带入单位)
同样修改vpwl的属性(这里我们设置一个3段线性信号，即6个点)，如下图
添加完器件之后如下图
(注意：电路的gnd与标准地gnd之间要添加一个0V的直流电压) 接下来连线以及给输出端添加一个PIN，如下图
然后按check and save保存选择tools中的Analog environment
弹出以下窗口
选择右边工具框中的第二个，弹出以下窗口
这里设置仿真的停止时间(该时间根据自己具体需要填写)，然后点OK
接下来设置需要看波形的那些端口outputs—To Be Plotted—Select On Schematic
然后在要看波形的线条上单击鼠标左键点一下即可
点完之后该线条会变颜色以及闪烁，之前的Analog environment窗口的outputs 中也会出现相应的名称
然后点击右边工具栏中得倒数第三个Netlist and Run
电路正确的话就会有波形
点击该图标是分离重叠的波形——————其他快捷键——————————
E 看symol里面的电路
Ctrl+E 退出看内部电路
F 让原理图居中
P PIN管脚快捷键
W 连线
L 命名连线
C 复制
Q 器件属性
M 移动
U 撤销
其他相关设置：
设置回退次数CIW窗口--options--user preference
多个器件属性一起修改，用shift选中以后然后选all selected(原先是only current)
二、版图设计
打开dualinv的schematic电路图，然后Tools--Design Synthesis--Layout XL
之后弹出以下对话框
点击OK后弹出
点击OK就会自动弹出画layout的版面
此时键盘上按E键，出现设置窗口
这里修改分辨率，将X Snap Spacing 和Y Snap Spacing 修改为0.005，方便之后的画图。

点击OK
在画layout版面的菜单中选择Design--Gen From source
然后弹出以下窗口
点击OK即可，版面上就生成与原schematic电路图相对于尺寸的MOS管，如下图
[注：可以不gen from source而直接在画版图的版面按快捷键I添加layout器件，再修改尺寸，这样也可以通过LVS(经过测试即使版图中MOS的编号和schematic中的不同，但是最终输出子电路中MOS管编号跟schematic是相同的)]
选择那四个绿色的方框和紫色的线，按delete
删除，删除后就剩下四个MOS管。

按shift+F 将MOS管转换为可视的layout结构，并用M快捷键来移动MOS管，此时整个版面上就剩下四个MOS管了，（Ctrl+F可以还原为Schematic结构）如下图
工具栏左边的放大镜可以放大和缩小，或者使用快捷键Z(放大)，shift+z缩小(按了Z键要选某一个区域才能放大，不是直接放大与缩小)
接下来开始画图：
1、画PMOS管和NMOS管相连的栅极(用LSW窗口中得POLY1
来画)
选中POLY1 drw 然后点版图，然后按R(画方框)，Q属性可以看到是dg
（在空白处）按S键，鼠标移到矩形框的边，就能修改矩形框。

修改之后让矩形框与PMOS管NMOS管的栅极对齐。

(一定要对齐，不然DRC 报错)
放大可以看到他们是否对齐，
这样的是对齐的。

这样就是没对齐。

画好POLY1以后如下图
2、画金属走线
由于该电路简单，只需要一层金属即可，所以只需要LSW中的metal1
在LSW中选中METAL1 drw，然后点版图，然后按P(走线)，然后按F3(设置线宽为0.5) ，Q属性可以看到是dg
画完后如下图(注意金属要整个覆盖住MOS管的D端，接触面积大才能保证电流)
3、画POLY1和metal1之间的连接
[不同材料之间相连要打孔。

比如Metal1和poly1相连，就选M1_POLY1，Metal1和Metal2相连就选M2_M1，NMOS的衬底接触和体相连用M1_SUB，PMOS 管的衬底接触和体相连用M1_NWELL]
LSW中选中poly1-drw，按P，按F3，设置为0.5宽度，画一段poly
然后在这段poly上打孔，按字母O键，弹出以下窗口
在Contact Type这里选择M1_POLY1,Rows这里输入2，然后回车
(鼠标右键可以旋转器件)
将这个通孔放于之前的poly1上
然后metal1与这个通孔相连即实现了金属1层与poly1之间的连接
接下来输入信号in这里也要这样画，画好之后的整体图如下
4、画衬底接触
这里要分别画PMOS管的衬底接触和NMOS管的衬底接触。

按快捷键字母O，在Contact Type这里选择M1_SUB，这个是NMOS管的衬底接触。

按快捷键字母O，在Contact Type这里选择M1_NWELL，这个是PMOS管的衬底接触。

5、给PMOS管打阱
[因为现在是P阱工艺，整个画图的版面就是一个P型衬底，而NMOS管是做在P型衬底上面的，所以画NMOS管的时不需要画阱，而画PMOS管时要画nwell(即它的衬底)，nwell要包围住PMOS管和它的衬底接触。

]
在LSW中选中NWELL-drw，按R，画矩形框，如下图
6、画管脚PIN
在LSW中选中metal1 pin
接着点击空白处，然后按快捷键L 弹出以下窗口
在Label这里输入名称(注意这个名称要与schematic图中节点的名称要相同)，Height这里设置字体的高度，Font这里设置字体的样式，然后按回车，将PIN脚摆放到正确位置
7、补全其它连线
因为上图并不完整，还有很多连线没有连。

[在熟悉版图画法之后这一步是放在前面做的，因为我们熟悉画法后就知道哪里是VDD、gnd、输入和输出]
画完这个7步骤以后点左边工具栏的SAVE保存，然后就可以进行后面的DRC、LVS和PEX了。

补充知识--多层金属连线：
(以下讲解两层金属metal1和metal2的布线)
由于金属走线经常会交叉，所以单层金属是不够的，这就涉及到多层金属的布线。

metal2 drw是金属层2
metal1和metal2之间用通孔M2_M1 ——————————————————————————————————画版图一些技巧：
1、所有的MOS管最好同方向(竖方向)，不要有有横有竖。

最好是PMOS管放一起(比如一起放上面)，NMOS管放一起(一起放下面)，不一定是按照schematic 电路图上的MOS管顺序来摆放。

2、走线不要穿过MOS管，要绕过去。

3、单排衬底接触最长不要超过100um，比较敏感的管子要多加些接触(两排或多排)，衬底接触少了电阻会大。

一般情况我们采用单排衬底(即rows或columns=1)
4、横线用金属2，竖线用金属1，金属越宽电阻越小。

我们一般取0.5u宽度。

[寄生电容与发生寄生电容的两导体面积成正比，因此线宽就0.5u够了(能承受
1mA)，不需要再大。

(TED)]
5、版图的PMOS管和NMOS管源极和漏极是不区分的，上下的poly1都是栅极。

6、衬底接触一般在下面画一排接触即可，对于数模混合电路某个MOS管是特别敏感的那用衬底全包围。

7、走线尽可能短，尽量画的紧凑，减少延时。

8、尽量不用POLY来走线，如果两个栅极之间具体太长，中间用金属走线。

poly 的长度最多是3-5um。

9、同一层Metal之间的距离要大于最小值0.23um，一般是设置成大于0.5um。

比如两条metal1走线之间的距离要大于0.5um。

10、PMOS管的衬底全部接VDD，NMOS管的衬底全部接地
各种器件之间的距离：
1、PMOS管和NMOS管之间的距离一般控制在1um以上，太近DRC报错
2、两个不同电压nwell之间的距离要大于1.4u，因此一开始要预留5um
3、Nwell和NMOS管之间的距离推荐是大于1u
4、Nwell和衬底接触以及PMOS管的距离0.5u左右
5、衬底接触和mos管距离一般设置为0.5u
电容和电阻器件不选择analoglib里面的cap和res(这两个是理想电容电阻)，电容一般选择tsmc里面的mimcap，电阻则要看电阻率等具体要求。

(TED&黄)
————————————————————————————————
快捷键
K 尺寸距离(shift + k撤销尺寸)
S修整
M 移动选上后右键可旋转
Z 放大（ctrl+z 放大两倍，shift +z 缩小两倍）
Shift 选择多个器件
Shift+F 显示NMOS和PMOS器件的版图
O 打孔(pmos管衬底属性选择M1_NWELL nmos管选择M1_SUB 金属和poly 打孔属性选择M1_POLY1)
三、后端验证和提取
后端仿真首先要DRC，然后LVS，然后PEX提取寄生参数。

最后用Hspice仿真器仿真提取参数后的网表。

这里主要用到的是calibre工具
1、DRC
(上面工具栏中calibre—选择Run DRC)弹出下面窗口
Runset File是RUN DRC时需要填入的一些设置，方便于下次RUN，可直接取消掉
DRC主要设置rules的位置和DCR Run的路径[其余的都默认]
Rules这里选择TSMC库文件中calibre文件下的calibre.drc
(这里的DRC Run Directory 是自己创建的一个文件夹，su xue~cd /home/xue ~ mkdir drc)[这里dcr改为verify/dcr]
然后点击Run DRC 弹出以下窗口
(运行完成之后的弹出的窗口)
点开看，如果是area coverage 那就是覆盖率的问题，这种错误不用理会。

[比如上图中得这8个错误是没关系的]
2、Run LVS
同样Runset File点取消
设置rules和input的netlist
【新】[lvs改为verify/lvs]
Inputs—Netlist 这里选择Export from schematic viewer 点击run LVS后弹出以下窗口
如果是绿色笑脸则表示LVS通过，表示版图和schematic原理图是匹配的，说明我们的版图没有画错。

如果是红色脸蛋，表示有错误，那要点开看具体的错误说明，再排除错误。

3、Run PEX
同样Runset File点取消
Rules设置
[新]/home/gengliang/ic/verify/pex
Inputs--netlis t设置Export from schematic view选上
Outputs—extraction type选择R+C(即提取寄生电阻和电容)，format这里选择hspice(用于Hspice仿真器仿真)
(如果后仿是用spectre仿真器仿真，那么format这里选择CALIBREVIEW )
[NEW]
Outputs—reports这里选上generate PEX report和View report after PEX finishes
[NEW]
然后run PEX
之后在/home/xue/pex文件夹下面生成三个我们需要用到的文件
list (里面是电路的网表)
list.pex (里面是各个节点的寄生参数)
list.DUALINV.pxi (里面是一些调用子电路的命令)
[注：在XP系统下用写字板打开可查看这三个文件的内容]
MOS场效应晶体管描述语句：(pex输出的网表格式)
MMX D G S B MNAME <L=val> <W= val > <AD= val > <AS= val > <PD= val > <PS= val > <NRD= val > <NRS= val >
第三节后端仿真
1、用Hspice仿真器进行后仿真
将上述三个文件复制到XP系统下面，然后新建一个dualinv.sp文件(即新建文本文档，后缀改成.sp)，这样同一目录下就有四个文件，如下
将list文件中的电路复制到dualinv.sp文件中(即蓝色框内这部分)
[注意：list文件里面那两行include "list.pex" 和include "list.DUALINV.pxi "千万不要忘记复制过来。

]
第一行一定要加一个“*”符号。

然后在dualinv.sp中加激励信号以及一些测试语句即可以仿真，如下
(这是dualinv.sp文件)
[注意：Hspice不区分字母大小写]
接下来用Hspice仿真器仿真这个dualinv.sp文件，然后看输出波形，看功耗延时参数，这些就已经是后端仿真的参数了。

[Attention]
1.1初始值要根据实际条件修改。

1.2
如下图：.subckt lcff 后边是lcff的端口，并不一定与前仿时自己编写的端口顺序一致，所
以需要重新根据下文测试代码的顺序做相应的改变，否则会出错。

切记！！！
2、不同工艺角(corners)的仿真
CMOS电路在生产在存在工艺偏差，一般在四个工艺角(SS、FF、FS、SF)下对电路进行仿真。

具体操作如下：
在.sp文件加载模型这里改成相应的corner即可
3、蒙特卡罗法(Monte-Carlo)分析PVT对触发器的影响
一般的VT组合分为以下三种：
-40C 2.0V；25C 1.8V；125C 1.6V (即电压偏差值在正负10%)
蒙特卡罗法(Monte-Carlo)分析PVT就是取不同的电压和温度组合，然后进行Monte-Carlo分析，MC分析就是随机选取器件的参数。

【要进行Monte-Carlo分析首先工艺厂商提供的仿真模型(rf018.l文件)要支持Monte-Carlo分析，即里面要有MC模型。

】具体操作如下：
温度、输入电压要变化，然后加上Monte-Coral分析。

注意红色横线部分
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到此为止，整个后端仿真的流程演示完毕，当然这里面还有很多是不够细致的，主要是画版图这一块。

画版图是一个经验积累的过程，我上面演示的只是一个很简单的例子，这还需要大家在学习中不断积累经验。

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其它知识
(用spectre仿真器的需要看以下步骤，用Hspice仿真器不需要看) ——————————用spectre仿真器仿真——————
(如果format这里选择的是CALIBREVIEW)运行后弹出
直接点OK
以下是第一次运行的配置
前面是pch和nch的配置
电容和电阻分别选择analoglib中的cap和res
用spectre后仿真
[一定要注意，schematic和layout的pin脚都要大写]
首先在CIW这里新建一个config
选择spectre
更改Library list为自己的lib view list这里加calibre 然后inv这里右键选择calibre
之后变成下图
然后点红感叹号更新
点OK出现下图
然后右上角open
如果是在library这里打开config的时候出现下图两个都选yes
spectre 如果要保存设置就要在session—save state里面
这样设置。