集成电路设计课程实验报告

VLSI设计课程实验报告

一、第一题

1、实验要求

从L-Edit的spr/examplel/lightslb.tdb库中研究一个六管电路，将其还原成CMOS电路结构并说明逻辑功能。

我们选择三输入的或非门作为讨论对象。

2、三输入的或非门的版图

图1 三输入或非门的版图

3、版图的分析

如图1，从左到右上面的三个MOS管分别标记为M1、M2和M3，下面的三个为M4、M5和M6。其中粉红色的三个长方形为栅极，分别连接输入信号A、B和C。黑色的接触孔连接第一层金属和MOS管有源区，白色的接触孔连接第一层金属和第二层金属。观察下面的三个MOS管，M4源极接地，漏极接OUT；M5和M4公用一个漏极，M5源极接地；M6和M5公用一个源极，漏极接OUT，即M4、M5和M6并联。同理，可分析出M1、M2和M3串联到电源。所以，版图为3输入的或非门。

在Ledit下执行Tools/Extract命令，即可将版图提取为网表文件，可知六个晶体管的L=2um，W=28um，PMOS管的衬底都接电源，NMOS管的衬底都接地。4、三输入或非门电路图

图2 三输入或非门的电路图

二、第二题

1、实验要求

基于CSMC0.6um dpdm CMOS工艺规则以及SPICE参数，画出一个CMOS 反向器，要求P管的沟道宽度是N管的3倍，并在输入激励的tr为500ps，tf为300ps时，用T-SPICE进行模拟，并分别给出负载Cl为0.01pf和1pf时的反向器延时tr和tf。

2、电路图

图3 反相器的电路图

参数设置：

NMOS L=0.6u W=3u AD=5.7p PD=9.8u AS=5.7p PS=9.8u

PMOS L=0.6u W=9u AD=17.1p PD=21.8u AS=30.06p PS=25.4u

电源电压为5V，输入信号的高低电平分别为 5V，0V

3、绘制的版图

图4 0.6um 非门的版图

PMOS管的有源区面积较大，为了更好的工作，在PMOS管的源极和电源之间的接触使用2列接触孔。

4、仿真文件

* Circuit Extracted by Tanner Research's L-Edit V7.12 / Extract V4.00 ; * TDB File: C:\result\bantu\invertor, Cell: L_inv

* Extract Definition File: C:\result\bantu\csmc.ext

* Extract Date and Time: 03/29/2007 - 22:49

.include csmc06_dpdm.md

* NODE NAME ALIASES

* Main circuit: Invertor

M1 4 3 2 2 NMOS L=0.6u W=3u AD=5.7p PD=9.8u AS=5.7p PS=9.8u

* M1 DRAIN GATE SOURCE BULK (-0.8 -11.6 -0.2 -8.6)

M2 4 3 1 1 PMOS L=0.6u W=9u AD=17.1p PD=21.8u AS=30.06p PS=25.4u

* M2 DRAIN GATE SOURCE BULK (-0.8 -3 -0.2 6)

C1 4 2 0.01pf

V3 3 2 pulse(0.0 5.0 200ps 500ps 300ps 1100ps 2500ps)

V1 1 2 5v

V2 2 0 0

.op

.tran 1p 2500p

.measure tran trise trig v(OUT) val=0.5 rise=2 targ v(OUT) val=4.5 rise=2 .measure tran tfall trig v(OUT) val=0.5 rise=2 targ v(OUT) val=4.5 rise=2 .print tran V(3) V(4)

* Total Nodes: 4

* Total Elements: 2

* Extract Elapsed Time: 1 seconds

.END

5、仿真结果

1）电压传输特性

如图4，反相器的VTC具有非常窄的过渡区，这是由于在开关过渡期间的高增益造成的，此时NMOS和PMOS同时导通且处于饱和状态。

图5 反相器的电压传输特性

2）输出信号的上升和下降时间

图6 负载电容为0.01pf 时的瞬时分析结果

上升时间： 130ps 下降时间： 177ps 传播延时pLH t =70ps 传播延时pHL t =112ps

pLH t 小于pHL t ，因为：

L eqp pLH C R t 69.0= (2.1) L eqn pH L C R t 69.0= (2.2)

由于PMOS 管的导通电阻小于NMOS ，故pLH t 小于pHL t 。 可见，反相器输出信号有以下性质；

1) 上升时间和下降时间均比输入信号的小，这是反相器的过渡区很窄，且具有高

增益的结果。

2) 输出高电平和低电平分别为VDD 和GND ，换言之，电压摆幅等于电源电压，因

而抗噪声能力很强。

图7 负载电容为1pf 时的瞬时分析结果

由图4，可见输出信号低电平在3.1V 左右，也就是说，反相器已经不能正常工作。设MOS 管的等效导通电阻为n R ，则近似的传播延时正比于时间常数L n C R ，由于输出电容L C 过大，导致输出电压的变化过慢，跟不上输入信号的改变来不及达到额定值，故输出高电平只有2.7V 左右，输出低电平约为1.2V 。

下面，我们仿真一下该情况下对输入阶跃信号的响应，如图8所示反相器的

pHL t =2628ns,经过10ps 后，反相器才放电完毕，输出降低为0，显然对于前面所加的周期为2500ps 的脉冲信号，反相器不能正常工作。