第8章 数字集成电路晶体管级设计

《第8章 数字集成电路晶体管级设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、集成电路设计技术与工具第八章数字集成电路晶体管级设计基本要求掌握数字集成电路晶体管级设计的设计流程和电路仿真类型；掌握数字标准单元库的原理和库单元的设计；掌握焊盘输入单元、输出单元和双向三态单元的设计。内容提要8.1引言8.2设计流程8.3电路仿真8.4版图设计8.5设计举例8.6数字电路标准单元库简介8.7焊盘输入输出单元8.1引言数字集成电路是处理数字信号的集成电路。（数字信号：时间及幅度离散。幅度，通常取两电平。）数字集成电路设计主要考虑：电路的信号传输速度、信号的延迟、信号的同步处理和异步处理、信号的冲突等问题。与模拟集成电路相比，由于数字集成电路设计更侧重于电路的集成

2、度、工作速度、功耗和噪声容限等性能指标。数字集成电路晶体管级设计主要就是设计数字集成电路中的非门、与非门和或非门等基本单元。VLSIvs.小规模vs.超高速数字集成电路的基本电路按有源器件来分类，可分为双极型晶体管（BipolarTransistor）和场效应晶体管(FET)两大类。由双极型晶体管构成的电路类型包括晶体管逻辑（TTL：Transistor-Transistor-Logic）和射极耦合逻辑（ECL：Emitter-Coupled-Logic）。由场效应晶体管构成的电路类型分为增强/耗尽（E/D）型NMOS、CMOS以及由砷化镓的金属半导体FET（MESFET）和高

3、电子迁移率晶体管（HEMT）等构成的逻辑电路。8.2设计流程图8.1给出了数字集成电路晶体管级设计的一般流程，图中各框图内容分别如下。与模拟设计流程比较：基本设计流程相似。不需要进行过于繁琐的参数值估算；通常取最小柵长。图8.1数字集成电路设计流程图8.2设计流程1）给定逻辑功能及指标电路逻辑功能指的是电路最终要达到的用户需求目标。指标指的是电路要达到的性能，包括速度、功耗和芯片面积。其中速度是指电路能够可靠工作时的最高数据比特率。电路功耗有两种，一种是静态功耗，另一种是动态功耗。对于集成度大的电路，电路中每一器件的功耗设计得越小越好。电路的物理版图尺寸决定芯片的面积大小，因此

4、尽可能采用最小的工艺尺寸来减小芯片面积。2）晶体管级门电路实现明确了要求实现的逻辑功能后，就可以用晶体管来实现具有CMOS互补逻辑结构的非门、与非门和或非门等基本逻辑单元，实现要求的逻辑功能。3）电路仿真对于构造好的晶体级电路，可以通过Hspice等软件工具进行电路级仿真，以验证设计的晶体管级电路结构是否满足要求的逻辑功能。4）版图设计与验证完成电路仿真后，就可以根据选用工艺的版图设计规则按晶体管级的电路连接关系进行版图设计和DRC、LVS等版图验证。5）流片和封装测试版图验证通过后，就可以根据最后的版图形成GDS-II文件送到晶圆制造公司进行流片。流片之后的各基本逻辑单元经过

5、在晶圆测试，满足性能指标后，可以作为标准单元为更高层次的数字集成电路设计服务；也可以进行封装测试，作为独立的模块使用。8.3电路仿真数字电路是大信号、高度非线性的电路，因此其仿真内容主要涉及直流分析（.DC）、瞬态分析（.TRAN）和温度扫描分析（.TEMP）等少数几项功能，分别介绍如下。1）直流特性分析用来检验电路的静态逻辑功能是否正确，由电路漏电流引起的静态功耗有多大，或者是通过直流扫描分析输出电压与输入电压关系曲线等。（与模拟IC设计的区别）2）瞬态特性分析瞬态特性分析主要是指时域波形分析。数字集成电路通过在输入端加阶跃信号或脉冲信号，根据瞬态仿真结果得到电路的信号波形的

6、逻辑关系、延迟时间、上升时间、下降时间等性能指标，它是一种非线性时域分析。3）温度扫描分析温度扫描分析是指在进行直流和瞬态分析等电路分析时，设置不同的工作温度，检验温度变化引起器件参数变化后对电路性能的影响。此外，与模拟集成电路晶体管级仿真一样，数字集成电路晶体管级仿真也要做工艺角仿真，以检验工艺制造过程中引起的器件参数变化对逻辑单元性能的影响。8.4版图设计与模拟集成电路晶体管级设计一样，版图设计也是数字集成电路晶体管级设计流程中的一个关键环节。在数字集成电路版图布局和布线设计中，则注重其单元版图设计的规整性，通常将各单元版图设计成等高不等宽的结构，并且其电源和地线保持等高度

7、和等宽度，以便于其作为标准单元库在更高层次进行数字集成电路设计时的自动布线。与模拟版图设计关注点的不同版图寄生器件引起闩锁效应（Latch-up）是设计CMOS电路版图必须重视的一个问题。以左图（a）所示的CMOS反相器为例讨论这一问题。图（b）所示的是该反相器版图的剖面示意图，其等效电路如图（c）所示，图中的RS、Rw为衬底和P阱的体电阻。这两个寄生三极管构成了一种PNPN的四层可控硅（silicon-controlledrectifier，SCR)结构。8.4.1CMOS电路版图中的闩锁