第 3 篇 · 鉴相器 PFD：三态输出、死区与复位延迟

Cadence可以实现电路图输入(Schematic Input)、电路仿真(Analog Simulation)、版图设计(Layout Design)、版图验证(Layout Verification)、寄生参数提取(Layout Parasitic Extraction)以及后仿真(Post Simulation)。（图源：西安交通大学国家IC人才培养基地培养资料）现在，开始用Cadence画一个标准的CMOS反相器。一个反相器包括PMOS，NMOS，VDD，GND。01软件常用操作及命令1）Cadence/virtuoso软件常用操作1.启动软件：virtuoso或者virtuoso&：&表示后台运行（shell自带语法）2.常用快捷键：i：添加器件或者电路的symbole：进入symbol的下一层ctrl+e：和e相反q：打开属性编辑窗口F3：打开命令菜单，一般和命令配合使用，相当于对命令的操作进行设置w：连线p：端口引脚u：撤销X：检查和保存l：电路节点命名作为初学者，在设计电路过程中应该要仔细阅读提示区中的信息。注意：①Composer中的多数命令会一直保持，直到你调用其它命令替代它或者按Esc取消，尤其是在执行delete命令时，忽视这一点很可能会误删除，一定要多加小心！Composer的Undo操作默认只能进行一次(可以在CIW窗口的Option->User Preferences中修改，最多可以是10)。所以每完成一个命令，记着按ESC取消当前命令。②点击工具栏的zoomin和zoomout按钮可以放大缩小电路图。键入快捷键f可以使电路图自动缩放到合适大小。③编辑电路图过程中注意要及时保存，保存方法是菜单栏->Design->Save，也可以键入快捷键大写的S(Shift+s)来保存。2）shell常用命令Cadence开发了自己的编程语言skill以及相应的编译器，整个Cadence可以理解为一个搭建在skill语言平台上的可执行文件集。初学者对此可以不用理会，当用户深入后，可以用skill语言对Cadence进行扩展。pwd ：显示当前目录cd：改变当前工作目录mkdir：建立目录mkdir/path/to/dir_name：特定路径下的目录，必须保证path/to/已经存在ls：文件显示whoami：查看用户自己当前使用的账号名who：查看当前有哪些用户登录到系统中w：查看哪些用户登录在线，同时显示用户当前的工作clear：清屏命令touch file_name：修改file_name文件时间戳；如果文件不存在生成空文件cat file_name：将文件file_name显示到屏幕上cat file_name1file_name2：显示两个文件cat file_name1file_name2>file_name3：将前两个文件依次组合，并添加到file_name3的末尾（图源：E课网培训视频截图）02创建CMOS反相器原理图步骤1）键入快捷键i点击Browse，弹出库浏览器。选中Show Categories可以分类显示器件，方便我们快速找到所要的器件。依次点击analogLib->Actives->pmos4->symbol，再单击close。刚才的添加器件窗口发生变化。点击Hide隐藏当前窗口，此时鼠标对应有一个PMOS的symbol，此时按r键，可以旋转PMOS。移动PMOS到合适的位置点击鼠标左键将其放下。如果要放置更多的PMOS，继续点击鼠标左键，否则按ESC取消当前的放置器件命令。继续放置NMOS晶体管、电源与地。对应的器件名称为nmos4，vdd，gnd。注意：vdd与gnd仅仅是全局电源与地标识，并不是独立电源器件，vdd并不能提供电源。仿真时必须有gnd，否则仿真不收敛。2）键入快捷键w连线注意区别wire(narrow)与wire(wide)，wire(narrow)表示普通连接导线，而wire(wide)表示总线连接。总线连接的快捷键是大写的W。还可以对画好的线进行命名，键入快捷键l，在弹出的对话框中输入线名，比如a，点击Hide，然后将字母a移动到要命名的线附近点击左键放下，如果名字离线较远，则要求再单击所要命名的线。3）设置元件参数先选中器件，再键入快捷键q参数可以是以下三种形式的各种数学组合表达式，①变量，②常量，③skill语言函数。变量作参数会在仿真时用到。单击PMOS选中它，这样PMOS会被一个白色方框包围。然后键入快捷键q，会弹出属性编辑对话框。这里我们需要填上model name，以及PMOS的栅长和栅宽。栅长我们设为常量0.18u(注意u是小写！)，而栅宽我们设为函数pPar(“wp”)，注意大小写不能错。当然也可以设一个固定的尺寸，但这样就不能利用参数修改晶体管的栅宽了。pPar函数就是把wp作为传递参数，在其它电路图中调用这个电路时对wp赋值，就相当于给这个PMOS的栅宽赋值，这样做的目的是为了方便层次化设计。在后面仿真时大家会更加明白这一点。Composer会根据数值大小自动变换单位。模型名我们填p18，这是因为我们这里采用的Spice模型是由SMIC提供的，对应PMOS的模型有p18和p33两种，18代表电源电压为1.8V。在后边仿真的时候我们还要再设SpiceModel文件的具体路径。同样的方法继续设置NMOS参数，只是模型名为n18，栅长为固定值0.18u，栅宽设为pPar(“wn”)。注意：①设置参数时不要自己输入单位，系统会自动加上。比如0.18uM是错误的写法。如果非要自己写单位，也要和数值之间留一个空格，否则系统会把M识别为变量。②器件的参数也可以在放置时就设置好。4）键入快捷键p放置端口单击菜单栏->Check and Save或者键入快捷键大写的X，可以对电路进行检查并存储。03创建SymbolComposer窗口菜栏->Create->Create CellView->From Cellview，弹出Cellview from Cellview窗口默认的Symbol是一个比较大的矩形。对于反相器，我们习惯用一个三角形再加小圆圈来表示。选中绿色矩形框，delete之，然后Add->-Shape>Polygon，在刚才矩形框的位置画一个三角形。鼠标在三个端点点3次即可。注意在三角形右边留出画圆圈的位置。再Add->Shape->Circle，先于圆心位置单击左键，再移动鼠标，得到合适的圆的半径后左键确认。再把图中的输入输出端口以及partname和instanceName移动到合适位置。其中，@instance Name代表以后调用此反相器时的编号，@partName代表对应的schematic的名字，一般不用改。最后再把红色框大小修改合适(框住三角形和端口)。画好的Symbol需要检查保存。Design->check and save，检查结果显示在CIW窗口中。04仿真现在我们用画好的反相器的symbol组成一个缓冲器(buffer)进行仿真，通过对buffer做瞬态分析、DC分析、AC分析，分别得到该buffer的延迟时间、输入输出特性以及小信号频率响应。对电路进行仿真需要加激励信号，而加激励信号有两种方法，一种是在原理图中直接加入信号源元件，另一种是在仿真环境窗口(ADE)中对输入端口加激励。缓冲器是由两个反相器组成，利用前边的方法，新建一个cellview，画出缓冲器原理图。其中反相器我们直接调用了画好的Symbol(注意是在自己的库中)。选中inverter，键入e，再点OK，可以显示和Symbol对应具体的schematic，但是这时只能看，而不能修改。Crtl+e退出该Symbol。设置inverter参数。选中inverter，键入q，就会弹出反相器的属性。这里我们需要分别设wn和wp的值。①独立电源vdc也是在analoglib库中，将其属性中的DC voltage设为1.8。②另一个激励信号是方波源，对应器件名称为vpulse，也位于analoglib库中。方波上升下降时间为0.1n，周期为10n，脉冲宽度为4.9n，voltage1设为0，voltage2设为1.8。因为我们还要做AC分析，交流电压幅值为1(这样测得的输出直接就是小信号增益)。为了得到inverter的输入输出特性，我们把直流电压设为变量vin。这里设置的方波电压、直流电压、交流电压是相互独立的，分别用于瞬态分析、dc分析、ac分析Composer菜单栏->Tools->Analog Environment，打开仿真窗口(简称为ADE窗口)。于ADE窗口，Setup->Model Libraries，打开Model库设置窗口，后再于Model库设置窗口的Section栏填写工艺角，这里我们填tt(即NMOS和PMOS速度均为典型值)，然后再点Add按钮，将当前的仿真库文件添加进列表，点击OK退出。仿真环境菜单栏->Variables->Edit，或者直接点击右侧的工具栏中的Edit Variables按钮，弹出如图5.10所示窗口。击点按钮“Copy From”，就会列出我们前面在测试电路中添加的变量vin。选中该变量，我们设置一个初始值0.9。之所以是0.9，是因为当反相器的输入为0.9时两个MOS管都会导通，此时反相器实际起的是放大器的作用，而我们做AC分析就是要得到MOS管处于饱和区时它的频率响应。需要强调的是，AC分析是建立在一定的工作点上的，而电路的工作点正是由电路图中所设置的电源DC值以及这里的变量初始值决定的。由于我们要做瞬态分析，dc分析，ac分析，所以我们一次弄好所有设置。①Analyses->choose，或者点击右侧工具栏的choose analyses按钮。于Analysis栏选择不同的仿真。对于瞬态分析，我们选tran，然后于stop time栏输入仿真时间10n。②再于该窗口中选取dc，窗口会有相应变化。于sweep variable栏选择Design Variable，然后输入变量名vin，并输入变量的扫描范围，从0到1.8。并选择扫描类型为线性，扫描为0.001。这样仿真时就会对vin从0到1.8V以0.001为间隔进行扫描，从而得到输入输出特性。注意选中DC Analysis复选框，这样就可以将AC分析时所采用的的直流工作点保存下来，以便我们后面查看电路的直流工作点。③再于该窗口中选取ac，窗口会有相应变化。默认是频率扫描。我们只需要输入频率扫描范围。这里输入10到1000M(注意是大写)。其它均为默认值。接下来要选择我们需要观察的对象，即我们要看哪个节点的电压，或者要看哪一条支路的电流。于ADE窗口，Output->To Be Plotted->Select On Schematic，这样会弹出我们画的电路图。然后分别单击输入和输出两条线IN和OUT，以及第一级反相器的输出v1。注意选择v1时要先选中反相器，再按e进入下一层子电路。并注意一定要单击导线，而不是元件的Pin角。保存当前的仿真设置。Session->Save State，弹出保存对话框，填好名称，点击OK确定。这样下次再仿真时，可以直接调用该仿真设置，而不用每次都进行同样的设置。我之后修改了器件为tsmc工艺库后的仿真结果05版图设计现在开始根据我们前边的设计尺寸，来画缓冲器的版图。为了显示层次化设计，我们先分别画出两个不同尺寸的反相器版图，再将两个反相器组成缓冲器的版图。通常的版图设计步骤大概如下：①NMOS：画出N有源区->栅->做接触孔->覆盖金属->N注入区；②PMOS：画出P有源区->栅->做接触孔->覆盖金属-> N注入区；③连接晶体管：放置PMOS和NMOS->连接输出->连接输入->金属连接->电源线；④PAD。类似新建原理图，CIW窗口菜单栏->File->New->CellView，选择自己的库，然后输入版图名字inverter，注意于tool栏选择Virtuoso，ViewName栏会自动变为layout。点击OK后，会弹出Virtuso主界面，以及LSW窗口。注意：①类似Composer，Virtuso中的多数命令会一直保持，直到你调用其它命令替代它或者按Esc取消，尤其是在执行delete命令时，忽视这一点很可能会误删除！②点击工具栏的zoomin和zoomout按钮可以放大缩小版图。键入快捷键f可以使版图自动缩放到合适大小。③编辑版图过程中注意要及时保存，保存方法是菜单栏->Design->Save，也可以键入快捷键S(大写)来保存。版图有非常多的物理规则约束，这是由Foundry的工艺决定的。在后面做设计规则验证(DRC)遇到错误时还要不断地回来查阅该设计手册。06关键掩模层序号层名字含义含义本实验所需要的1AAActive Area有源区√2ARReverse Active Area无源区3KVAlignment mark clear-out对准标记4NWN-WellN阱√5PWP-WellP阱6DGDual Gate(thick oxide)双栅(厚氧)7GTPoly gate多晶硅√8PLHPMOS LDD implant for 3.3V3.3V下PMOS轻掺杂注入9NLHNMOS LDD implant for 3.3V3.3V下NMOS轻掺杂注入10PLLPMOS LDD implant for 1.8V1.8V下PMOS轻掺杂注入11NLLNMOS LDD implant for 1.8V1.8V下NMOS轻掺杂注入12SPP+implantP注入√13SNN+ implantN注入√14ESD1ESD implant for Boron(B)静电放电注入15SABSalicide block area硅化物阻挡区16CTContact有效接触孔√17M1Metal-1第一层金属√18V1VIA-1通孔1√19M2Metal-2第二层金属√20V2VIA-2通孔221M3Metal-3第三层金属22V3VIA-3通孔323M4Metal-4第四层金属24V4VIA-4通孔425M5Metal-5第五层金属26V5VIA-5通孔527M6Metal-6第六层金属28PAPassivation/Pad焊盘29PIPolyimide END作者 | 小刚排版 | 黑小姐 图片 | 网络参考资料 | 西安交通大学国家IC人才培养基地培养资料、E课网视频教程 *著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。来源：集成电路小刚