北京工业大学VLSI版图设计-1设计报告姓名： 学号： 2014年 4月目录目录目录 11 绪论 21.1 集成电路的前世今生 21.1.1 集成电路出现 21.1.2 集成电路的现状 21.2 电子线路版图设计 31.2.1 CAD发展现状 31.2.2 EDA工具Zeni简介 41.2.3 EDA工具Aether简介 41.2.4 集成电路设计流程 42 电路设计 52.1 运算放大器 52.1.1 工作原理 52.1.2 电路设计及仿真 62.2 D触发器 72.2.1 反相器模块 72.2.2 或非门模块 82.2.3 传输们模块 92.2.4 合并起来的总模块 103 版图设计 133.1 集成电路版图设计基础 133.1.1 版图设计 133.1.2 版图验证 133.1.3 版图后仿真与数据提交 143.2 基于Zeni下反相器的版图与验证 143.3 基于Aether下的版图设计及验证 153.3.1 运算放大器的版图设计及验证 153.3.2 D触发器各组成单元的版图与验证 153.3.3 D触发器的完整版图与验证 174 总结与体会 195 D触发器版图 20参考文献 211 绪论随着晶体管的出现，集成电路随之产生，并极大地降低了电路的尺寸和成本。
而由于追求集成度的提高，渐渐设计者不得不利用CAD工具设计集成电路的版图，这样大大提高了工作效率在此单元中，我将介绍集成电路及CAD发展现状，本次课设所用EDA工具的简介以及集成电路设计流程等相关内容1.1 集成电路的前世今生1.1.1 集成电路出现 集成电路（英语：integrated circuit, IC）、或称微电路（microcircuit）、 微芯片（microchip）、芯片（chip）在电子学中是一种把电路（主要包括半导体设备，也包括被动组件等）小型化的方式，并通常制造在半导体晶圆表面上 二十世纪中期前，在爱迪生效应的启发下，一些科学家发明了真空二极管、三极管，接着真空管得到了一些实际的应用，但是由于其体积巨大，不利于大规模电路的应用，而随着时代的发展，大规模电路的出现成为了必然，于是人们寻找另一种体积小又与电子管功能一样的器件1947年，约翰巴丁、沃尔特布喇顿和威廉肖克利终于发明了晶体管，其中巴丁、布喇顿主要发明半导体三极管；肖克利则是发明PN二极管晶体管被认为是现代历史中最伟大的发明之一，在重要性方面可以与印刷术，汽车和等发明相提并论晶体管在当今社会的重要性主要是因为晶体管可以使用高度自动化的过程进行大规模生产的能力，因而可以不可思议地达到极低的单位成本。
晶体管发明并大量生产之后，其得到了大量的应用，从而取代了体积庞大的真空管在电路中的功能和角色与真空管相比，晶体管的体积明显缩小，而且速度也和快，功耗也比较低因为晶体管的低成本和后来的电子计算机，数字化信息的浪潮来到了由于晶体管体积较小，一些科学家想到了将其集成在一个电路上或者一块硅片上的思想随着20世纪中后期半导体制造技术进步，1958年杰克•基尔比发明了第一个集成电路其中包括一个双极性晶体管，三个电阻和一个电容器，相较于现今科技的尺寸来讲，体积相当庞大虽然如此，但是它的出现也是具有重要的意义的1.1.2 集成电路的现状从杰克基尔比发明了第一个集成电路到如今，集成电路的发展在摩尔定理的引导下已经发展到了一个新的高度，电子电路的设计越来越趋向于小型化和高速化，越来越多的应用已经由复杂的模拟电路转化为简单的数字逻辑集成电路根据一个芯片上集成的微电子器件的数量，集成电路可以分为以下几类：小规模集成电路（SSI 英文全名为 Small Scale Integration, 逻辑门10个以下 或 晶体管 100个以下）、中规模集成电路（MSI 英文全名为 Medium Scale Integration, 逻辑门11~100个 或 晶体管 101~1k个）、大规模集成电路（LSI 英文全名为 Large Scale Integration, 逻辑门101~1k个 或 晶体管 1,001~10k个）、超大规模集成电路（VLSI 英文全名为 Very large scale integration, 逻辑门1,001~10k个 或 晶体管 10,001~100k个）、甚大规模集成电路（ULSI 英文全名为 Ultra Large Scale Integration, 逻辑门10,001~1M个 或 晶体管 100,001~10M个）。
而根据处理信号的不同，可以分为模拟集成电路、数字集成电路、和兼具模拟与数字的混合信号集成电路仅仅在其开发后半个世纪，集成电路变得无处不在，电脑，和其他数字电器成为现代社会结构不可缺少的一部分这是因为，现代计算，交流，制造和交通系统，包括互联网，全都依赖于集成电路的存在甚至很多学者认为有集成电路带来的数字革命是人类历史中最重要的事件IC的成熟将会带来科技的大跃进，不论是在设计的技术上，或是半导体的制程突破，两者都是息息相关最先进的集成电路是微处理器或多核处理器的核心，可以控制电脑到到数字微波炉的一切存储器和特定应用集虽然设计开发一个复杂集成电路的成本非常高，但是当分散到通常以百万计的产品上，每个集成电路的成本最小化集成电路的性能很高，因为小尺寸带来短路径，使得低功率逻辑电路可以在快速开关速度应用成电路是其他集成电路家族的例子，对于现代信息社会非常重要集成电路中的晶体管数量，每1.5年增加一倍从戈登摩尔提出这个定理之后，集成电路基本上按照这个趋势进行，但是随着集成度的提高，集成电路的发展必定会遇到瓶颈目前集成电路发展道路上存在的一些亟待攻克的问题：器件物理极限问题，光刻工艺问题，互连线限制问题等 。
图1 1 处理器－存储器性能鸿沟1.2 电子线路版图设计1.2.1 CAD发展现状计算机辅助设计（英语：Computer Aided Design, CAD）是指运用计算机软件制作并模拟实物设计，展现新开发商品的外型、结构、色彩、质感等特色的过程随着技术的不断发展计算机辅助设计应该不仅仅适用于工业，还被广泛运用于平面印刷出版等诸多领域它同时涉及到软件和专用的硬件通常由CAD创建的建筑和工程项目的范围很广，包括建筑设计制图，机械制图，电路图，和其他各种形式的设计交流方式现在，它们都成为计算机辅助设计更广泛的定义的一部分CAD最早的应用是在汽车制造、航空航天以及电子工业的大公司中随着计算机变得更便宜，应用范围也逐渐变广现今，CAD已经不仅仅用于绘图和显示，它开始进入设计者的专业知识中更“智能”的部分随着计算机科技的日益发展，性能的提升和更便宜的价格，许多公司已采用立体的绘图设计以往，碍于计算机性能的限制，绘图软件只能停留在平面设计，欠了真实感而立体绘图则冲破了这限制，令设计蓝图更实体化1.2.2 EDA工具Zeni简介ZeniVERI由华大九天公司研发，运行在Linux操作系统下，的一个功能完整的IC版图验证工具。
它包括设计规则检查（DRC）、电学规则检查（ERC）、原理图网表和版图网表比较（LVS）、图形化LVS调试工具（LDX）ZeniVERI可将报错结果返标于ZeniPDT和ZeniSE中，使验证工作更加简单直观，大大缩短了对电路错误定位和修改的时间1.2.3 EDA工具Aether简介Aether是由华大九天公司研发的一个完整的数模混合信号IC设计平台，包含设计数据库管理 (Design Manager)、工艺管理 (Technology Manager)、原理图编辑器 (Schematic Editor)、混合信号设计仿真环境 (MDE)、版图编辑器 (Layout Editor)、原理图驱动版图 (SDL) 和混合信号布线器 (MSR)等模块；无缝集成了华大九天SPICE仿真工具Aeolus-AS、数模混合信号仿真工具Aeolus-MS，混合信号波形查看工具iWave，物理验证工具Argus和寄生参数提取工具RCExplorer，同时可以集成其它主流的第三方工具，使整个设计流程更加平滑、高效1.2.4 集成电路设计流程集成电路设计的流程一般先要进行软硬件划分，将设计基本分为两部分：芯片硬件设计和软件协同设计。
芯片硬件设计包括：功能设计阶段，设计描述和行为级验证，逻辑综合，门级验证（Gate-Level Netlist Verification），布局和布线模拟集成电路设计的一般过程：电路设计，依据电路功能完成电路的设计；.前仿真，电路功能的仿真，包括功耗，电流，电压，温度，压摆幅，输入输出特性等参数的仿真；版图设计（Layout），依据所设计的电路画版图；后仿真，对所画的版图进行仿真，并与前仿真比较，若达不到要求需修改或重新设计版图；后续处理，将版图文件生成GDSII文件交予Foundry流片2 电路设计运算放大器算一个小型的小路，对我们初学者来说难度不是很大，但是在实际操作中，还是遇到了很多问题，比如衬底没有接电压或者地，还有连线浮动在版图设计中，我遇到了同种金属间距不够的问题，还有M1金属面积问题经过在运放这个实验的锻炼中，我渐渐积累了一些经验，然后在D触发器的实验中，通过分模块的方法，分别设计各个模块的版图，最后拼接到一起，在这个过程中我也得到了很多的锻炼，本章我将介绍运算放大器电路的工作原理，电路设计及仿真；D触发器电路的单元模块电路组成及相应电路的设计与仿真2.1 运算放大器2.1.1 工作原理运算放大器（英语：Operational Amplifier，简称OP、OPA、OPAMP、运放）是一种直流耦合，差模（差动模式）输入、通常为单端输出（Differential-in, single-ended output）的高增益（gain）电压放大器，因为刚开始主要用于加法，减法等模拟运算电路中，因而得名。
运算放大器所接的电源可以是单电源的，也可以是双电源的，如图3-1所示运算放大器有一些非常有意思的特性，灵活应用这些特性可以获得很多独特的用途，总的来说，这些特性可以综合为两条：1、运算放大器的放大倍数为无穷大2、运算放大器的输入电阻为无穷大，输出电阻为零由此，所以只要运算放大器的输入端的输入电压不为零，输出端就会有与正的或负的电源一样高的输出电压本来应该是无穷高的输出电压，但受到电源电压的限制准确地说，如果同相输入端输入的电压比反相输入端输入的电压高，哪怕只高极小的一点，运算放大器的输出端就会输出一个与正电源电压相同的电压;反之，如果反相输入端输入的电压比同相输人端输入的电压高，运算放大器的输出端就会输出一个与负电源电压相同的电压(如果运算放大器用的是单电源，则输出电压为零)2.1.2 电路设计及仿真图2 1-2-1 运算放大器电路图图2 1-2-2 运算放大器测试电路图（电压跟随器）图2 1-2-3 运算放大器仿真测试波形图由于我们之前利用运算放大器搭建了一个电压跟随器，所以，vin的波形就应该和vip的波形一样，根据我们的仿真图波形，也确实证明了这一点2.2 D触发器2.2.1 反相器模块图2 2-1-1 反相器模块原理图CMOS反相器电路如图2-2-1-1所示，它由两个增强型MOS场效应管组成，其中n18为NMOS管，称驱动管，p18为PMOS管，称负载管。
NMOS管的栅源开启电压UTN为正值，PMOS管的栅。