共源级放大器的电路设计及版图实现.doc

1、巢湖学院 2014 届本科毕业论文（设计）I共源级放大器的电路设计及版图实现摘 要集成电路设计技术是现在信息时代的关键技术之一，当今的超大规模集成电路（VLSL）设计也已经离不开计算机辅助（CAD） 。Tanner 就是 CAD 软件的一种，它是由 Tanner Research 公司开发的基于 windows 平台的用于集成电路设计的工具软件，该软件功能强大，从电路设计、分析模拟到电路布局都可实现。本设计就是基于tanner 软件实现 共源级放大器的电路图设计及版图绘制。共源极放大器是 CMOS 电路中的基本增益级。它是典型的反向放大器，负 载 可以 是 有 源 负 载 或 者 电 流 源

2、。 共源极放大器需要得到比有源负载放大器更大的增益。设计电流源负载共源极放大器对学习了解 IC 有着本质的帮助和提高，这 是 理 论 与 实 践 的 相 结 合 。 本 论 文 主 要 设 计 三 种 情 况的 放 大 器 电 路 ， 他 们 是 电 阻 负 载 共 源 级 放 大 器 、 二 极 管 连 接 的 负载 的 共 源 级 放 大 器 和 电 流 源 负 载 共 源 级 放 大 器 电 路 ， 通 过 这 三种 放 大 器 的 设 计 能 让 我 们 更 好 的 使 用 共 源 级 放 大 器 。关键词：共 源 级 放 大 器 ； 版 图 ； Tanner Tools共源级放大器的

3、电路设计及版图实现IICircuit Design and Layout Implementation of the Dommon-source AmplifierAbstractIC design technology is now one of the key technologies of the information age, todays VLSI (VLSL) has been inseparable from computer-aided design (CAD). Tanner is a CAD software, which is based IC design softw

4、are tools for windows platform, powerful functionality of the software developed by the Tanner Research, analog circuit design, analysis of the circuit layout can be realized. This design is the circuit diagram tanner common source software based amplifier design and layout drawing. Is a common-sour

5、ce amplifier circuit of the basic CMOS gain stage. It is a typical inverting amplifier, or the load may be an active load current source. Common-source amplifier needs to be greater than the active load amplifier gain. Design current source load common-source amplifier IC has to learn to understand

6、the nature of the help and improve, which is a combination of theory and practice. This thesis amplifier circuit design three cases, they are a common source amplifier resistive load of source-level amplifier and a current source diode connected load of the load common source amplifier circuit, ampl

7、ifier design by these three make us more Use good common source amplifier.Key word: CAD；TANNER；Common-source Amplifier目 录中文摘要 .I英文摘要 II引言 11 TANNER TOOLS 软件简介 .21.1 TANNER TOOLS 软件的组成 .21.2 TANNER TOOLS 设计综合流程 .32 共源级放大器电路图和版图设计及其仿真 42.1 电阻负载共源级放大器电路原理分析 .42.1.1 电阻负载共源级放大器电路图设计 .52.1.2 电阻负载共源级放大器电路图

8、 SPICE 文件设置 52.1.3 电阻负载共源级放大器电路图仿真图 .62.1.4 电阻负载共源级放大器版图设计 .72.1.5 DRC 规则检查 72.1.6 电阻负载共源级放大器版图 spice 文件设置 .82.1.7 电阻负载共源级放大器版图仿真图 .82.2 二极管连接负载的共源级放大器电路原理分析 .92.2.1 二极管负载共源级放大器电路图设计 .92.2.2 电路图验证 .102.2.3 二极管负载共源级放大器电路图 SPICE 文件设置 102.2.4 二极管连接负载的共源级放大器电路图仿真图 .112.2.5 二极管负载共源级放大器版图设计 .112.2.6 DRC 规

9、则检查 122.2.7 二极管负载共源级放大器版图 spice 文件设置 .132.2.8 二极管负载共源级放大器版图仿真图 .132.3 电流源负载共源级放大器电路原理分析 .132.3.1 电流源负载共源级放大器电路图设计 .142.3.2 电路图验证 .152.3.3 电流源负载共源级放大器电路图 SPICE 文件设置 152.3.4 电流源负载共源级放大器电路图仿真图 .152.3.5 电流源负载共源级放大器版图设计 .162.3.6 DRC 规则检查 172.3.7 电流源负载共源级放大器版图 spice 文件设置 .172.3.8 电流源负载的共源级放大器版图仿真图 .183 LV

10、S 对比 183.1 电阻负载共源级放大器电路 LVS 对比 .183.2 二极管连接负载的共源级放大器电路 LVS 对比 .193.3 电流源负载共源级放大器电路 LVS 对比 .204 结束语 20参考文献 22巢湖学院 2014 届本科毕业论文（设计）1引言1947 年在美国的新泽西州的贝尔实验室诞生世界上第一个晶体管，自此开始了集成电路的发展，在 1958 年，基尔比德州仪器工程师发明了世界上第一个集成电路（IC） 。而正是这枚小小的 IC 拉开了微电子学的大幕，从此集成电路的发展便开始走上了一条飞速发展的道路。1964 年，摩尔提出了著名的摩尔定律：晶体管的集成度每 18 个月翻一倍

11、。集成电路的的飞速发展不仅给人们的生活带来了便捷，同时在军事、医学、科技等各方面发挥着巨大的作用。电路物理实现的设计实际是为集成电路的版图设计，称其为物理设计。IC 设计生产的基础是集成电路的版图设计，将电路的逻辑描述形式转化成版图的描述形式是版图设计的任务，并通过 Mask 光刻从而实现版图到集成电路芯片的物理转化。集成电路的版图设计关系到集成电路的功能是否正确，同时还关系到集成电路的性能、成本、面积和功耗的大小。因此设计出性能较高、功耗低、并能实际可靠地工作的版图相当重要。大规模 IC 制造技术、IC 版图设计技术、ASIC 测试和封装技术、FPGA/CPLD 编程下载技术及自动测试技术等

12、在硬件实现方面融合了 EDA1技术；在计算机辅助工程方面融合了计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT) 和计算机辅助工程(CAE) 技术以及多种计算机语言的设计概念。随着集成电路发展的要求，集成电路 EDA2，准确地说是整个电子设计自动化必须要有大的发展。EDA 的优点在于不是对单个单元的优化，而是对于全局的优化，从总体出发，保证其形状和尺寸最适于总的布局，是引线占的面积尽可能的小。EDA 的重要性在于使设计便于处理，具有处理高度复杂电路而不出错的能力。集成电路的的飞速发展不仅给人们的生活带来了便捷，同时在军事，医学，科技等各方面发挥着巨大的作用。随着科技的

13、不断进步，对集成电路的要求也在越来越高，设计出面积小、功耗低、成本低、性能良好的集成电路越发的重要。在现代科技中，计算机辅助设计的科学技术得以飞速发展。所以 EDA 技术是一门综合性学科，渗透于各个学科之中，EDA 技术是电子设计与应用的发展方向。共源级放大器的电路设计及版图实现21 Tanner Tools 软件简介由 Tanner Research 公司基于 Windows 平台开发的 Tanner Tools 设计软件用于集成电路的设计 3，从电路设计、分析模拟到电路布局一一俱全。其中国内广泛应用的 L-Edit 版图编辑器，知名度很高。由 Tanner EDA4软件公司所出品的 L-E

14、dit Pro 是一个 IC 设计及验证的高性能软件系统模块，具有效率高，交互式等特点，从 IC 设计到输出，以及最后的加工服务完善且强大的功能，完全可以和百万美元级的 IC 设计软件媲美。L-Edit Pro 包含 IC 设计编辑器(Layout Editor)、自动布线系统 (Standard Cell Place & Route)、线上设计规则检查器（DRC） 、组件特性提取器（Device Extractor） 、设计布局与电路 netlist 的比较器(LVS) 、CMOS Library、Marco Library，这些模块组成了设计与验证的完整IC 解决方案。L-Edit Pro

15、 快速、易用、精确的设计系统工具为每个 IC 设计者及生产商提供了完善丰富的功能。通过这款软件可完成 IC 的设计、版图编辑、自动布局布线、波形仿真和模拟验证等一系列的功能；它的编辑功能全面、电路图处理快速和模拟仿真及波形功能较好。主要解决电路图的电路设计，版图规划及它们相应的模拟仿真验证等问题。1.1 Tanner Tools 软件的组成Tanner Tools 工具包括 S-Edit、T-Spice 、W-Edit、L-Edit 与 LVS 五个相关软件。它们的主要实现功能如下：（1）S-Edit：S-Edit 主要功能是编辑电路图，每个电路图都有电路图和符号图两种模式。Tanner ED

16、A 格式的电路图具有等级结构电路图，由不同等级的模块组成这种电路图，高等级的模块是由低等级的模块组成。S-Edit 还可以使当前模块的电路图转化为不同的网表。（2）T-Spice：T-SPICE 主要功能是电路分析与模拟。由 Tanner 公司提供T-SPICE 电路模拟器是专门用来模拟电路的软件程序。在 T-SPICE 的文本文件窗口中可以创建、打开和编辑各种文件文本及插入各种 T-SPICE 命令。对输入文件进行模拟仿真必须用 T-SPICE 电路描述语言写入的输入文件后才可以。（3）W-Edit：W-Edit 的主要功能是显示 T-SPICE 的模拟结果，即显示 T-巢湖学院 2014

17、届本科毕业论文（设计）3SPICE 模拟出的波形图，可进行简单的设置使得更加方便清晰观察模拟出的波形图。（4）L-Edit ：设计规则及检查、编辑布局版图、截面观察、电路转换、自动配置与绕线；（5）LVS：对比布局图和电路图的网表。1.2 Tanner Tools 设计综合流程先用 S-Edit 编辑要设计电路的电路图，然后将该电路图导出 Spice 文件。接着利用 T-Spice 软件将电路图模拟并输出成 Spice 文件，设置输入电平参数，然后进行运行，用 W-Edit 观察输出波形。假如模拟结果不对，接着回到 S-Edit检查电路图，如果 T-Spice 没有错误，就用 L-Edit 对

18、照电路图进行版图设计。版图绘制完后要以 DRC 进行设计规则检查，如果没有违反设计规则，再将版图进行修改直到设计规则检查没有错误为止。然后将验证过的版图导出 Spice 文件，再利用 T-Spice 模拟，如果有错误，再回到 L-Edit 修改版图设计。最后利用LVS 进行 S-Edit 电路图导出的 Spice 文件和 L-Edit 版图导出的 Spice 文件对比，如果结果对比不相等，则回去修改 S-Edit 图或者 L-Edit 图。直到验证没有错误后，将 L-Edit 设计好的版图输出成 GDSII 类型文件，最后交给工厂去制作半导体过程中需要的光罩，流程如图 2-1 所示。S - E

19、 d i t 编 辑 电 路 图输 出 S P I C E 文 件T - S p i c e 模 拟 分 析L - E d i t 绘 制 版 图设 计 规 则 检 查输 出 S P I C E 文 件T - S p i c e 模 拟 分 析L V S 电 路 图 与 版 图 对 比图 2-1 设计综合流程图共源级放大器的电路设计及版图实现42 共源级放大器电路图和版图设计及其仿真2.1 电阻负载共源级放大器电路原理分析电阻负载共源级放大器由于自身的跨导，MOS管可以将栅-源电压的变化转换成小信号 5漏极电流，于是输出电压由小信号漏电流流过电阻产生，如图2-2所示。图 2-2 小信号分析当

20、，M1 截止： (1-1)inTHVoutDV饱和区： (1-2)122()outDnxinTHWVRCL转折点： (1-3)21 1()inTHnoxinTV线性区： (1-4)22()outDnoxinTHouttVRCL深线性区： (1-outinV5)所以 (1-6)onoutDR(1-7)1()DnoxinTHVWCL巢湖学院 2014 届本科毕业论文（设计）5小信号增益： (1-8)outvinVA(1-9)()DnoxinTHWRCVL(1-10)ovmDrAg(1-11)R总结：在CMOS工艺下，精确阻值的电阻难加工，阻值小时增益小，阻值大时电阻的尺寸太大，还会降低输出摆幅，一

21、般采用MOS管代替电阻做负载。2.1.1 电阻负载共源级放大器电路图设计电阻负载共源级放大器电路图如图 2-3 所示。图 2-3 电阻负载共源级放大器电路图对完成的电路图进行验证：选择ToolsDesign Checks 点击，验证结果如下图2-4 所示。图 2-4 电路图验证共源级放大器的电路设计及版图实现62.1.2 电阻负载共源级放大器电路图 SPICE 文件设置T-SPICE 主要的功能是电路分析和模拟，T-SPICE 电路模拟器是由 Tanner公司提供的专门用来模拟仿真电路的软件程序。T-SPICE 的文本文件窗口中可以编辑、创建和打开各种文本文件，还可以在打开的文件中写入各种 T

22、-SPICE命令。T-SPICE 输入用 T-SPICE 电路描述语言写成的输入文件后，就可以对输入文件进行模拟仿真。对 SPICE 文件进行设置，包括加载包含文件、设定电源电压、输入信号、分析设定、设定输出 6等。设定好后 T-SPICE 文件中会多出如图 2-5 信息，设定好后需要保存 SPICE 文件。选择FileExportExport SPICE把设计好的共源极放大器电路图输出成SPICE文件，输出的SPICE文件打开后最后面会看到如下图 2-5的文字。图 2-5 电阻负载共源级放大器 SPICE 文件分析及输出设定：分析设定如下图 2-6，输出设定如下图。巢湖学院 2014 届本科

23、毕业论文（设计）7图 2-6 电阻负载共源级放大器 SPICE 文件2.1.3 电阻负载共源级放大器电路图仿真图电阻共源级放大器电路图仿真图如图 2-7 所示。图 2-7 电阻负载共源级放大器电路图仿真图2.1.4 电阻负载共源级放大器版图设计电阻共源级放大器版图如图 2-8 所示。共源级放大器的电路设计及版图实现8图 2-8 电阻负载的共源级放大器版图2.1.5 DRC 规则检查DRC 规则检查如下图所示。图 2-9 电阻负载的共源级放大器版图2.1.6 电阻负载共源级放大器版图 spice 文件设置电阻共源级放大器版图 spice 文件如图 2-10。巢湖学院 2014 届本科毕业论文（设

24、计）9图 2-10 电阻负载共源级放大器 spice 文件2.1.7 电阻负载共源级放大器版图仿真图电阻共源级放大器版图仿真如图 2-11。图 2-11 电阻负载共源级放大器版图仿真图2.2 二极管连接负载的共源级放大器电路原理分析在大多数 CMOS 工艺条件下，制作精确控制的阻止或者具有合理的物理尺寸的电阻是很困难的，因此一般采用 MOS 管代替电阻作为负载 7。共源级放大器的电路设计及版图实现10增益： (2-1)()vmoDAgrR忽略 ro 的影响 (2-2)1122mbg(2-3)mnoxDWgCIL(2-4)12()vA总结：忽略 随 的变化时，增益只与 W/L 有关，与偏置电压、

25、电流无关，outV而且线性度很好。2.2.1 二极管负载共源级放大器电路图设计二极管共源级放大器电路如图 2-12。图 2-12 二极管连接的负载的共源级放大器电路图巢湖学院 2014 届本科毕业论文（设计）112.2.2 电路图验证电路图验证如图 2-13 所示。图 2-13 电路图验证2.2.3 二极管负载共源级放大器电路图 SPICE 文件设置二极管共源级放大器电路图 SPICE 文件如图 2-14。图 2-14 二极管连接的负载的共源级放大器 SPICE 文件2.2.4 二极管连接负载的共源级放大器电路图仿真图二极管共源级放大器电路图仿真图如图 2-15。图 2-15 二极管负载的共源

26、级放大器电路图仿真图共源级放大器的电路设计及版图实现122.2.5 二极管负载共源级放大器版图设计二极管共源级放大器版图如图 2-16 所示。图 2-16 二极管负载的共源级放大器版图2.2.6 DRC 规则检查DRC 规则检查如图 2-17。巢湖学院 2014 届本科毕业论文（设计）13图 2-17 二极管连接的负载的共源级放大器版图2.2.7 二极管负载共源级放大器版图 spice 文件设置二极管负载共源级放大器版图 spice 文件如图 2-18。图 2-18 二极管连接的负载的共源级放大器 spice 文件2.2.8 二极管负载共源级放大器版图仿真图二极管负载共源级放大器版图仿真图如图

27、 2-19。共源级放大器的电路设计及版图实现14图 2-19 二极管负载共源级放大器版图仿真图2.3 电流源负载共源级放大器电路原理分析应用中有时要求单级具有很大的电压增益 8，关系式 表示，我们vmDAgR可以增大共源极的负载电阻阻止。但是对于电阻或者二极管连接的负载而言，增大阻值会限制输出电压的摆幅。一个更切实可行的方法是用电流源代替电阻或者二极管负载，使电路中两个管子都工作在饱和区 9。因此在输出结点所看到的总的输出阻抗等于 所以增益为102or(3-1)102()vmoAgr当 远大于 时 (3-2)02r1or11vonoxDWCILI总结：在漏电流一定时，只增大 L 可增大增益，但

28、同时会使寄生电容增大，单纯的增大 会使增益减小 10。DI2.3.1 电流源负载共源级放大器电路图设计电流源共源级放大器电路如图 2-20。巢湖学院 2014 届本科毕业论文（设计）15图 2-20 电流源负载共源级放大器电路图2.3.2 电路图验证电路图验证如图 2-21。图 2-21 电路验证图2.3.3 电流源负载共源级放大器电路图 SPICE 文件设置电流源共源级放大器电路图 SPICE 文件如图 2-22。共源级放大器的电路设计及版图实现16图 2-22 电流源负载共源级放大器电路图 SPICE 文件2.3.4 电流源负载共源级放大器电路图仿真图电流源共源级放大器电路图仿真图如图 2

29、-23。图 2-23 电流源负载共源级放大器电路图仿真图2.3.5 电流源负载共源级放大器版图设计电流源共源级放大器版图如图 2-24。巢湖学院 2014 届本科毕业论文（设计）17图 2-24 电流源负载共源级放大器版图2.3.6 DRC 规则检查DRC 规则检查如图 2-25。图 2-25 电流源负载共源级放大器版图共源级放大器的电路设计及版图实现182.3.7 电流源负载共源级放大器版图 spice 文件设置电流源共源级放大器版图 spice 文件如图 2-26。图 2-26 电流源负载共源级放大器 spice 文件2.3.8 电流源负载的共源级放大器版图仿真图电流源共源级放大器版图仿真

30、图如图 2-27。图 2-27 电流源负载共源级放大器版图仿真图巢湖学院 2014 届本科毕业论文（设计）193 LVS 对比LVS 是电路图与版图的结果对比工具，用于把由 L-Edit 生成的版图反向提取的 SPC 网表与由 S-Edit 设计的逻辑电路图输出的 SP 网表进行对比，实现版图检查和对照分析，检测绘制的版图和电路图是否一致电路的工具，LVS 工具不光能检测出部件和布线，还能够检测出这些器件类型是否正确。3.1 电阻负载共源级放大器电路 LVS 对比电阻共源级放大器电路 LVS 对比如图 2-28。图 2-28 LVS 对比图3.2 二极管连接负载的共源级放大器电路 LVS 对比

31、二极管共源级放大器电路 LVS 对比如图 2-29。共源级放大器的电路设计及版图实现20图 2-29 LVS 对比图3.3 电流源负载共源级放大器电路 LVS 对比电流源共源级放大器电路 LVS 对比如图 2-30。巢湖学院 2014 届本科毕业论文（设计）21图 2-30 LVS 对比图4 结束语本 次 的 论 文 课 题 主 要 为 研 究 共 源 级 放 大 器 的 电 路 与 版 图 的 具 体 设 计 与 实现 。 采 用 EDA 技 术 里 的 Tanner Tools 软 件 工 具 对 其 进 行 整 体 设 计 ， 完 成 电路 的 设 计 后 ， 由 输 出 SPICE 文

32、 件 与 W-Edit 工 具 对 进 行 模 拟 仿 真 ； 然 后 在绘 制 无 误 的 版 图 及 后 续 软 件 的 基 础 上 ， 同 样 进 行 模 拟 及 仿 真 ， 并 与 之 前 的 仿真 结 果 进 行 在 波 形 上 的 对 比 ， 最 终 将 两 种 设 计 得 出 的 结 果 做 个 比 较 。 通 过此 设 计 进 一 步 熟 悉 Tanner13 软 件 及 其 设 计 流 程 ， 同 时 对 共 源 级 放 大 器 的 电路 结 构 进 行 进 一 步 了 解 ， 了 解 共 源 级 放 大 器 的 用 途 。 版图设计的任务就是将电路图元件用版图模拟器件（设计

33、者自己编辑也有部分直接调用）来代替，用钣金模拟材料代替导线进行布线，添加输入数出端口，生成 SPICE 文件进行仿真，然后矫正，直到满足设计要求。整个过程可以简单分为划分、布图规划、布局、布线和压缩等子过程，在不同的设计要求和模式下所需要的设计子程序不尽相同，像这次设计就只需要用到布局和布线这两个子程序。当 今 社 会 已 处 于 信 息 时 代 ， 它 的 基 础 是 各 种 信 息 技 术 ， 而 微 电 子 是 构 成信 息 技 术 的 基 石 ， 因 此 集 成 电 路 的 发 展 ， 是 现 代 化 信 息 社 会 里 ， 提 升 和 变 革传 统 产 业 链 的 重 点 。 我 国

34、 早 已 成 为 电 子 信 息 产 品 需 求 及 生 产 大 国 ， 但 实 际 上 ，我 国 的 内 部 供 应 及 创 新 能 力 远 不 及 变 更 的 需 求 量 。 因 而 ， 积 极 发 展 中 国 特 有的 集 成 电 路 产 业 ， 成 为 当 下 国 内 集 成 电 路 与 软 件 方 面 急 需 解 决 的 问 题 。EDA 技 术 的 实 现 需 要 功 能 强 大 的 计 算 机 辅 助 。 在 EDA 软 件 平 台 上 ， 能 自动 完 成 逻 辑 编 译 ， 逻 辑 综 合 ， 逻 辑 化 简 ， 结 构 综 合 ， 以 及 逻 辑 优 化 与 仿 真测 试

35、， 直 至 能 实 现 特 定 的 电 子 系 统 线 路 功 能 是 硬 件 描 述 语 言HDL(hardware description language)是 系 统 逻 辑 描 述 手 段 完 成 的 设 计 文 件 。EDA 技 术 让 设 计 者 的 工 作 局 限 于 利 用 软 件 方 式 ， 通 常 情 况 下 结 合 硬 件 描述 语 言 与 EDA 软 件 就 能 完 成 实 现 系 统 硬 件 功 能 ， 使 工 作 效 率 极 大 地 提 高了 。共源级放大器的电路设计及版图实现22参考文献1 何宾.EDA 原理及应用M.北京:清华大学出版社,2009:3-18.2

36、潘松 ,黄继业 .EDA 技术实用教程（第四版）M .北京:科学出版社,2010:5-21.3 廖裕评,陆瑞强.Tanner Pro 集成电路设计与布局实战指导M .科学出版社,2011:61-73.4 金鸿，王颖.集成电路版图设计与 Tanner EDA 工具的使用M .机械工业出版社,2009:112-203.5 王毓银.数字电路逻辑设计（第二版） M.北京 :高等教育出版社,2009:76-118.6 曾庆贵.集成电路版图设计M.北京:机械工业出版社,2008:17-49.7 康华光 .电子技术基础电子技术基础（数字部分）M .北京:高等教育出版社,2006:32-51.8 郭明琼,李萧.常用数值集成电路原理与应用M .人民邮电出版社,2005:43-46.9 唐金艺.超前进位加法器研究J.现代计算机（专业版）,2008:17-18.10 UyemuraJP,周润德译.超大规模集成电路与系统导论M .北京:电子工业出版社,2004:56-60.