第8章数字集成电路晶体管级设计

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1、集成电路设计技术与工具集成电路设计技术与工具 第八章第八章 数字集成电路晶体管级设计数字集成电路晶体管级设计 基本要求基本要求v掌握数字集成电路晶体管级设计的设计流程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；和电路仿真类型；v掌握数字标准单元库的原理和库单元的设计；掌握数字标准单元库的原理和库单元的设计；v掌握焊盘输入单元、输出单元和双向三态单掌握焊盘输入单元、输出单元和双向三态单元的设计。元的设计。 内容提要内容提要v8.1 引言引言v8.2 设计流程设计流程v8.3 电路仿真电路仿真v8.4 版图设计版图设计v8.5 设计举例设计举例v8.6 数字电路标准单元库简介数字电路标准

2、单元库简介v8.7 焊盘输入输出单元焊盘输入输出单元8.1 引言引言v数字集成电路数字集成电路是处理数字信号的集成电路。（是处理数字信号的集成电路。（数字信号数字信号：时：时间及幅度离散。幅度，通常取两电平。）间及幅度离散。幅度，通常取两电平。）v数字集成电路设计主要考虑：数字集成电路设计主要考虑：电路的信号传输电路的信号传输速度速度、信号的、信号的延迟延迟、信号的、信号的同步处理同步处理和和异步处理异步处理、信、信号的号的冲突冲突等问题。等问题。v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的集成度、工作速度、功耗和噪声容限集成度

3、、工作速度、功耗和噪声容限等性能指标。等性能指标。v数字集成电路晶体管级设计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主要就是设计数字集成电路中的非门非门、与非门与非门和和或非门或非门等基本单元。等基本单元。 vVLSI vs.小规模小规模 vs.超高速超高速v数字集成电路的基本电路按数字集成电路的基本电路按有源器件有源器件来分类，可来分类，可分为分为双极型晶体管（双极型晶体管（Bipolar Transistor）和和场场效应晶体管效应晶体管(FET)两大类。两大类。v由由双极型晶体管双极型晶体管构成的电路类型包括构成的电路类型包括晶体管逻辑晶体管逻辑（TTL：Transistor

4、-Transistor-Logic）和）和射极射极耦合逻辑耦合逻辑（ECL：Emitter-Coupled-Logic）。）。v由由场效应晶体管场效应晶体管构成的电路类型分为构成的电路类型分为增强增强/耗尽耗尽（E/D）型）型NMOS、CMOS以及由以及由砷化镓的金属砷化镓的金属半导体半导体FET（MESFET）和和高电子迁移率晶体管高电子迁移率晶体管（HEMT）等构成的逻辑电路。等构成的逻辑电路。 8.2 设计流程设计流程 图图8.1给出了给出了数字集成电路晶数字集成电路晶体管级设计的一般流程体管级设计的一般流程，图中各，图中各框图内容分别如下。框图内容分别如下。 与模拟设计流程比较：基本设

5、与模拟设计流程比较：基本设计流程相似。不需要进行过于繁计流程相似。不需要进行过于繁琐的参数值估算；琐的参数值估算；通常取最小柵通常取最小柵长长。给定逻辑功能及指标晶体管级门电路实现满足功能要求？版图设计和验证满足设计要求？流片和封装测试是是否否电路仿真图8.1 数字集成电路设计流程图数字集成电路设计流程图8.2 设计流程设计流程1）给定逻辑功能及指标）给定逻辑功能及指标 电路逻辑功能电路逻辑功能指的是电路最终要达到的用户需求指的是电路最终要达到的用户需求目标。目标。指标指标指的是电路要达到的性能，包括指的是电路要达到的性能，包括速度速度、功功耗耗和和芯片面积芯片面积。其中速度是指电路能够可靠工

6、作时的。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，一种是最高数据比特率。电路功耗有两种，一种是静态功耗静态功耗，另一种是另一种是动态功耗动态功耗。对于集成度大的电路，电路中每。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，因此尽可能决定芯片的面积大小，因此尽可能采用最小的工艺尺采用最小的工艺尺寸来减小芯片面积寸来减小芯片面积。2）晶体管级门电路晶体管级门电路实现实现 明确了要求实现的逻辑功能后，就可以用晶体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管来实现具有CMOS互

7、补逻辑结构的互补逻辑结构的非门、与非门非门、与非门和或非门和或非门等基本逻辑单元，实现要求的逻辑功能。等基本逻辑单元，实现要求的逻辑功能。3）电路仿真）电路仿真 对于构造好的晶体级电路，可以通过对于构造好的晶体级电路，可以通过Hspice等等软件工具进行电路级仿真，以验证设计的晶体管级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。电路结构是否满足要求的逻辑功能。4）版图设计与验证）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按晶体管级的电路连接关系进行版图设计版图设计和

8、和DRC、LVS等版等版图验证图验证。5）流片和封装测试）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版图验证通过后，就可以根据最后的版图形成GDS-II文文件件送到晶圆制造公司进行送到晶圆制造公司进行流片流片。 流片之后的各基本逻辑单元经过在流片之后的各基本逻辑单元经过在晶圆测试晶圆测试，满足性能，满足性能指标后，可以作为指标后，可以作为标准单元标准单元为更高层次的数字集成电路设计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。服务；也可以进行封装测试，作为独立的模块使用。8.3 电路仿真电路仿真 数字电路是大信号、高度非线性的电路，数字电路是大信号、高

9、度非线性的电路，因此其仿真内容主要涉及因此其仿真内容主要涉及直流分析（直流分析（.DC）、瞬态分析（瞬态分析（.TRAN）和和温度扫描分析温度扫描分析（.TEMP）等少数几项功能，分别介绍如下。等少数几项功能，分别介绍如下。1）直流特性分析）直流特性分析 用来检验电路的用来检验电路的静态逻辑功能是否正确静态逻辑功能是否正确，由电路漏电流引由电路漏电流引起的静态功耗有多大起的静态功耗有多大，或者是，或者是通过直流扫描分析输出电压通过直流扫描分析输出电压与输入电压关系曲线与输入电压关系曲线等。（与模拟等。（与模拟IC设计的区别）设计的区别）2）瞬态特性分析）瞬态特性分析 瞬态特性分析主要是指瞬态特

10、性分析主要是指时域波形分析时域波形分析。数字集成电路。数字集成电路通过在输入端加通过在输入端加阶跃信号或脉冲信号阶跃信号或脉冲信号，根据瞬态仿真结果，根据瞬态仿真结果得到电路的得到电路的信号波形的逻辑关系信号波形的逻辑关系、延迟时间延迟时间、上升时间上升时间、下降时间下降时间等性能指标，它是一种非线性时域分析。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 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。化引起器件参数变化后对

11、电路性能的影响。 此外，与模拟集成电路晶体管级仿真一样，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数字集成电路晶体管级仿真也要做工艺角仿真工艺角仿真，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。辑单元性能的影响。8.4 版图设计版图设计 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。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，则注重其单在数字集成电路版图布局和布线设计中，则注重其单元版