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1、1论文题目：CMOS 反相器电路设计、仿真及版图设计学生姓名：欧阳倩学 号：20131060189专 业：通信工程任课教师：梁竹关2摘要：本文着重介绍了 LTspice 和 LASI 软件的相关设计原理和简单的设计操作，对此，我首先将从电路的工作原理方面介绍 CMOS4 反相器的结构、特性及其电路工作原理。了解其工作原理是进行仿真和版图设计的基础。然后我选择利用 LTspice 来进行 CMOS 反相器的设计仿真以此来证实其设计正确性，之后采用 LASI 画出符合工业设计的 CMOS 反相器的版图。通过本次设计实验可以更加了解 CMOS4 反相器的工作原理，并掌握了 CMOS4 反相器的基本设
2、计方法。关键词：CMOS 反相器 LTspice LASI 版图设计 封装测试3目目 录录第一章第一章 引言引言.4第二章第二章 CMOS 反相器反相器.42.1 CMOS 反相器的结构原理反相器的结构原理.42.2 CMOS 反相器的特性分析反相器的特性分析.5第三章第三章 CMOS 反相器的电路仿真反相器的电路仿真.83.1 CMOS 反相器的电路图设计反相器的电路图设计.93.2 CMOS 反相器的仿真及结果分析反相器的仿真及结果分析.11第四章第四章 CMOS 反相器的版图设计反相器的版图设计.12结束语结束语.20参考文献参考文献.214引言现在是一个电子信息高速发展得时代，电子产品
3、无处不在，我们也越来越 离不开各式各样的电子产品，集成电路作为电子产品的核心同样也受到了重视， 电子设计也是当今社会的一大焦点问题，怎样才能设计出集性能、高效、便捷、 低价为一体的电路器件又是当下人们急需解决的任务，因此培养集成设计人才 也是众多高校重视的任务。 以 MOS 管作为开关元件的门电路称为 MOS 门电路。由于 MOS 型集成门电 路具有制造工艺简单、集成度高、功耗小以及抗干扰能力强等优点，因此它在 数字集成电路产品中占据相当大的比例。与 TTL 门电路相比，MOS 门电路的速 度较低。MOS 门电路有三种类型：使用 P 沟道管的 PMOS 电路、使用 N 沟道管 的 NMOS 电
4、路和同时使用 PMOS 和 NMOS 管的 CMOS 电路。其中 CMOS 性能更 优，因此 CMOS 门电路是应用较为普遍的逻辑电路之一。利用 CMOS 逻辑电路 就可以设计出各种功能的逻辑电路，与非门就是其中比较简单的一种。 集成电路设计主要有电路设计和版图设计两个主要内容。对于如此复杂高 要求的工艺技术，我们在此只简单使用 LTspice 来设计仿真 CMOS 反相器， 。经 过仿真，此设计的 CMOS 反相器的功能得以实现，实现输入与输出的反向功能， 并验证其设计正确性，然后利用 LASI 来画出 CMOS 反相器的版图，同时在版图 设计时采用结构化和层次化的设计思想，从而简化版图的设
5、计。利用 Lasi 软件， 可以充分认识到，CMOS4 反相器的构造，可以增加对其的了解，并且可以进一 步完善对 CMOS4 反相器参数的设计。最终利用现在已有的规则对设计的版图进 行检测，看其是否满足现有的基本规则，经过检测，此次设计基本满足设计规 则。 由于是初学者，对相关知识缺乏足够的认识，希望能通过这次的设计实验 能够学会集成电路设计的相关知识，并且能够基本掌握相关设计烦躁=仿真软 件的使用，出错在所难免，希望老师可以提出批评及建议。第二章 CMOS 反相器2.1 CMOS 反相器的结构反相器的结构两个 MOS 管的开启电压 VGS(th)P0，通常为了保证正常工作，要求 VDD|VG
6、S(th)P|+V GS(th)N。若输入 vI为低电平(如 0V)，则负载管导通，输入管截止，输 出电压接近 VDD。若输入 vI为高电平(如 VDD)，则输入管导通，负载管截止，输出电压接 近 0V。 综上所述，当 vI为低电平时 vo为高电平；vI为高电平时 vo为低电平，电路实现了非 逻辑运算，是非门反相器。5图一反相器图一反相器CMOS 反相器由一个 P 沟道增强型 MOS 管和一个 N 沟道增强型 MOS 管串联组成。通 常 P 沟道管作为负载管，N 沟道管作为输入管。这种配置可以大幅降低功耗，因为在两种 逻辑状态中，两个晶体管中的一个总是截止的。处理速率也能得到很好的提高，因为与
7、 NMOS 型和 PMOS 型反相器相比，CMOS 反相器的电阻相对较低。图二图二 逻辑符号逻辑符号图三图三 CMOSCMOS 反相器工作原理图反相器工作原理图 电路图工作原理 当 Ui=UIH = VDD,VTN 导通,VTP 截止,Uo =Uol0V 当 Ui= UIL=0V 时,VTN 截止,VTP 导通,UO = UOHVDD 2.2、COMS 反相反相器的特性器的特性CMOS 反相器特点： vIN 作为 PMOS 和 NMOS 的共栅极； vOUT 作为共漏极； 图四图四 说明例图说明例图 vDD 作为 PMOS 的源极 和体端； GND 作为 NMOS 的源极和体端； 2.2 CM
8、OS 反相器的特性分析 电压传输特性和电流传输特性(1)CMOS 反相器的电压传输特性曲线可分为五个工作区。6图五图五 CMOS 反相器电压传输特性反相器电压传输特性工作区：由于输入管截止，故 vO=VDD，处于稳定关态。工作区：PMOS 和 NMOS 均处于饱和状态，特性曲线急剧变化，vI 值等于阈值电压 Vth。工作区：负载管截止，输入管处于非饱和状态，所以 vO0V，处于稳定的开态。(2)CMOS 反相器的电流传输特性曲线，只在工作区时，由于负载管和输入管都处于饱和导通状态，会产生一个较大的电流。其余情况下，电流都极小。图六图六 CMOS 反相器电流传输特性反相器电流传输特性输入特性与输
9、出特性 （1） 输入特性 为了保护栅极和衬底之间的栅氧化层不被击穿，CMOS 输入端都加有保护电 路。7由于二极管的钳位作用，使得 MOS 管在正或负尖峰脉冲作用下不易发生损坏。 考虑输入保护电路后，CMOS 反相器的输入特性如图七所示：图七图七 CMOSCMOS 反相器输入特性反相器输入特性 （2） 输出特性 a.低电平输出特性 当输入vI为高电平时，负载管截止，输入管导通，负载电流IOL灌入输入 管，如图八所示。灌入的电流就是 N 沟道管的iDS，输出特性曲线如图九所示。 输出电阻的大小与vGSN(vI)有关，vI越大，输出电阻越小，反相器带负载能力越 强。图八图八 输出低电平等效电路输出
10、低电平等效电路 图九图九 输出低电平时特性输出低电平时特性b. 高电平输出特性 当输入vI为低电平时，负载管导通，输入管截止，负载电流是拉电流，如 图十所示。输出电压VOH=VDD-vSDP，拉电流IOH即为iSDP，输出特性曲线如图十一 所示。由曲线可见，|vGSP|越大，负载电流的增加使VOH下降越小，带拉电流负 载能力就越强。电源特性 CMOS 反相器的电源特性包含工作时的静态功耗和动态功耗。静态功耗非常vO=VOLVDDTNRLvI=VDDTPIOLVOL(vDSN)vI(vGSN)(iDSN) IOLVOHVDDTN RLvI=0TP IOH图十图十 输出高电平等效电路输出高电平等效
11、电路图十一图十一 输出高电平时特性输出高电平时特性vSDPOIOH (iSDP)vGSPVDD8小，通常可忽略不计。 CMOS 反相器的功耗主要取决于动态功耗，尤其是在工作频率较高时，动态 功耗比静态功耗大得多。当 CMOS 反相器工作在第工作区时，将产生瞬时大电 流，从而产生瞬时导通功耗PT。此外，动态功耗还包括在状态发生变化时，对 负载电容充、放电所消耗的功耗。第三章 CMOS 反相器的电路仿真3.1 CMOS 反相器的电路图设计反相器的电路图设计第一步：首先利用第一步：首先利用 LTspice 进行电路图设计的仿真，步骤如下：进行电路图设计的仿真，步骤如下：1、添加 pmos(nmos
12、管同理)：注意注意:其中，mos 管的初始方向都是同向的，所以 PMOS 要旋转倒置，其 中 CTRL+R 的功能是旋转，而 ctrl+E 的功能是镜像的作用。如图所示：92、设置两 mos 管的参数：10将鼠标移至 PMOS 或者 NMOS 管上，待出现手指图案时就点击鼠标右键，则会 出现 MOS 管的设置窗口，本文将参数均设置为 0.12u。3、在电路输入界面中的 EDIT 下拉菜单中找到 Draw Wire 或点击工具栏图标，可以实现原件互连。而后，鼠标放置在线的终端，单击鼠标右键，选择Label Net，设置相应的标签或者点击工具栏图标可放置地线，点击工具栏图标可以添加并设置输入/输出
13、口。布线后结果如图：添加其他器件及连接线，完成图：4、封装： 5、接入信号源 电路做好后，在电路输入端加激励信号源，才能观察到电路的反应如何。接入 信号源的步骤如下：第一步，在元器件库中找到独立电压源 Voltage；第二步， 双击 Voltage，让它进入画图界面；第三步，拖动 Voltage 图标，移到电路输入 端；第四步，右击 Voltage 图标，对它进行设置。在弹出的的窗口中选择 PULSE，它的 PULSE 参数分别为（0 5v 0.5ms 1n 1n 1s 2s 10）, 这些参数表示为图 4.411（低电平 脉冲大小 延时 上升沿时间 下降沿时间 脉冲宽度 脉冲周期 仿真周 期个数） ，如图：6、仿真设置 在运行仿真命令之前，首先必须设置仿真类型。在电路原理图输入窗口中， 找到 Simulate 选项，单击它，选中 Edit Simulation Cmd。对 CM
