门电路,（原创）基本门电路的全定制设计--以与或非门（AOI221）为例

on 2011-9-25 in 博文摘选 | 0 Comment
基本门电路—与或非（AOI221）门设计
l 基于Cadence工具的full custom 设计流程概述
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Full custom 设计流程
Cadence定制设计工具包—DFII可以进行定制原理图输入，电路仿真和版图设计。
在本设计中主要用到
l Virtuoso Schematic Composer，用于原理图设计；
l Virtuoso Layout Editor，用于版图设计；
以及集成到Cadence中的:
l HSPICE工具，用于前仿真和后仿真；
l Calibre工具，用于设计验证；
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Cadence工具的定制流程
l AOI的CMOS组合逻辑
l AOI组合单元的种类及命名
AND-OR-INVERT (AOI) 门和OR-AND-INVERT (OAI)逻辑单元在CMOS基于单元库的设计中非常有效率，下图显示了AOI221和OAI321逻辑单元。指数“221”和“321”是指在AOI单元中，第一级与门中的输入信号的个数，“2”表示AOI第一级第一个与门有两个输入，“1”表示直接连到第二级单元。它们按从大到小排列，如Z = (A.B.C + D.E + F)'表示成AOI321，而不能用AOI123或其它的方式表示。类似的Z = (A.B + C + D)'可表示成AOI211等。
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复杂AOI组合单元的命名方法
l AOI系列门单元
下表给出了具有3个指数的AOI系列门单元(X代表着for AOI, OAI, AO, and OA cells).
Cell type 1
Cells
Number of unique cells
Xa1
X21, X31
2
Xa11
X211, X311
2
Xab
X22, X33, X32
3
Xab1
X221, X331, X321
3
Xabc
X222, X333, X332, X322
4
Total

14
The AOI family of cells with three index numbers or less.
l 推气泡法把AOI221设计成单级逻辑门单元
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推气泡法设计单级AOI221
l 用Virtuoso Schematic Editor工具设计原理图
l 启动Cadence 设计软件
先进行软件环境设置，主要包括:
.cshrc 文件的设置
.cdsenv 文件设置
.cdsinit 设置
cds.lib 文件的设置
可把具体的设置过程写成脚本，每次启动时运行此脚本即可。
然后启动Cadence，在cshell中运行:
icfb &
(icfb stands for Integrated Circuit Front to Back design，后缀&的作用：表示后台运行)
关掉“What’s New”窗口。
出现“icfb-log：/…”窗口（CIW：Command Interpreter Window）。
l 建立新库、新单元以及新视图（view）:
在 CIW 中，File->New->Library，
在弹出的“New Library”窗口，Name 栏中：assignment
选中右下方：* Compile a new techfile
OK
查看 CIW窗口：Tools->Library Manager，在 Library中单击 std_cell。
在 Library Manager 窗口，File->New->Cellview，
在弹出的“Create New File”窗口 Cell Name 栏中，aoi221
Tool 栏中，选 Composer-Schematic
OK
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l 添加元件（实例 instance）
在弹出的“Virtuoso Schematic Editing:…”窗口中，左边为工具栏，选instance图标（或 i）
单击“Add instance”窗口Library栏最右侧 Browser,
弹出“Library Browser-…”窗口，Library选 analogLib，Cell 选nmos4, View选 symbol
鼠标回到“Add instance”窗口，Model name 栏：nch, width: 1.2u , Length: 400n，Hide
在“Virtuoso Schematic Editing:…”窗口, 鼠标左键单击一次，间隔一定距离再单击4次，
这样就增加了 5 个nmos4 元件，ESC。
仿照上述方法，增加 pmos4 元件。在“Add instance”窗口，Model name 栏：pch,
width: 400n , Length:400n；放置 5 个pmos4，ESC。（热键功能 fàfit，[à放大，] à缩小）
l 添加管脚（PIN）
选“Virtuoso Schematic Editing:…”窗口左边工具栏中的 Pin 图标（或 p）
在“Add Pin”窗口中，Pin Names：A，Direction 选 input, Usage 选 schematic，Hide
以同样的方式放置 4 个输入 PIN，B, C, D, E
p，在“Add Pin”窗口中， Pin Names： out， Direction选 output, Usage选 schematic，在“Virtuoso
Schematic Editing:…”窗口放置输出 PIN，
l 添加电源和地：
i , (或单击instance 工具图标)
弹出“Add instance”窗口，Browse，Library选 analogLib，Cell栏：vdd, View选 symbol
在“Virtuoso Schematic Editing:…”窗口放置 vdd，
回到“Add instance”窗口，Browse，Cell 栏：gnd, 在“Virtuoso Schematic Editing:…”窗口放置 gnd， ESC , Cancel掉“Add instance”窗口。
l 摆放元件并加网线：
参照下图放好元件（symbol）：（移动用 m键，删除用 Delete键，取消命令用 ESC 键）
选“Virtuoso Schematic Editing:…”窗口左边工具栏中的 Wire(narrow)，连好网线，ESC
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AOI221原理图
为防止连线过于凌乱，A，B，C，D，E 输入与各MOS管间用label连接。
l 层次化设计——symbol 生成
进入“Virtuoso Schematic Editing：std_cell aoi221 schematic”窗口。
Design -> Create Cellview->From Cellview
在 Cellview From Cellview窗口，From View Name 栏为：schematic，Tool / Data Type 栏为
Composer-Symbol。
OK
在“Symbol Generation Options”窗口，单击 Load/Save 按纽，OK
出现“Virtuoso Schematic Editing：std_cell aoi221 symbol”窗口，Design->Check and Save
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AOI221 Symbol
l HSPICE Pre-Simulation
l 创建激励信号电路模块
在 CIW 窗口（icfb-Log:/…）：Tools->Library Manager，弹出 Library Manager 窗口，在
Library中应有 std_cell，点击它。
File->New->Cellview，
在弹出的“Create New File”窗口 Cell Name 栏中，aoi221_test
Tool 栏中，选 Composer-Schematic， OK
在“Virtuoso Schematic Editing:…”窗口中，按下图加入单元（Instance）、Pin并连线。
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AOI221仿真激励
l 编写仿真文件
设置仿真环境。点击 Tools->Analog Environment
设置仿真模型文件路径。在弹出的“Analog Design Environment” （ADE）窗口，点击
Setup->Simulator/Directory/Host… 选HSPICE
Setup->Model Libaries…将TSMC035->models->fp1_hspice->mm0355v.l 加入，Section：tt
关于tt的含义：typical model for 3.3V device
以下摘自mm0355.l
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Analysis->choose ;Analysis 选tran(瞬态分析)，step1：1n，stop1：320n
Simulate->netlist and run
如果没有错误的话会显示：clip_image020[1]clip_image018[1]clip_image016[1]clip_image014[1]clip_image012[1]clip_image010[1]clip_image008[1]clip_image007[1]clip_image006[1]clip_image004[1]（原创）基本门电路的全定制设计--以与或非门（AOI221）为例门电路
l 修改生成的王表文件input.ck
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添加POST=2 选项。
POST选项的意义：ASCII format
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l 运行仿真
hspice inputckt
生成input.tr0
l 观察仿真波形
cscope &
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Aoi221前仿真波形
l 分析
从逻辑out=(A.B + C.D + E)’中分析得知，所设计的aoi221在逻辑上是正确的。
l 用Virtuoso Layout Editor工具设计版图
l 035最小尺寸要求
一下是以INVTER反向器为例，介绍035库的各种最小尺寸。
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l 熟悉Layout Editor环境
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Layout Editor的快速指令
l 在CIW窗口中，选择 File->new
Library Name std_cell
Cell Name aoi221
View Name layout
OK。
l 插入M1_N 与 M1_P
l 布局，重点参考下图
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一种aoi221门的版图
读懂其中的并联和串联关系，串联式可以重叠contact，当没有引线连接时可以省去contact。
l 画diff层
(LSW 上方有一栏提示，画任何层之前必须将该层设为当前层。当前层必须可见。LSW 提示：AV：全可见，NV：全不可见；AS：全可选，NS：全不可选。对于某一层，鼠标中键：可见/不可见，鼠标右键：可选/不可选）
l 布线
画poly与path。Poly线宽400n m；path线宽700n m。poly=2λ，path当时设计时主要是想与M1_P和M1_N中的金属层相等。
l 添加引脚
用metal1 pin层，添加引脚，并填上label：A,B,C,D,E,out,vdd!,gnd!
最终得到版图如下：
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Aoi221版图
l Calibre DRC验证
l 建立子目录calibre_drc、拷贝CM35P5_4M.23a.2到此目录
l 将Calibre载入Virtuoso：在CIW窗口中输入load("/opt/calibre/lib/calibre.skl")或者在.cdsinit中包含此行，Virtuoso菜单上就会有calibre的选项了
l 建立*.gds文件：在CIW中将aoi221的layout转到aoi221.gds，并将aoi221.gds存放到之前建立的calibre_drc文件夹中
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l 执行calibre DRC：
l 配置Rules
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l 配置Inputs
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l Run DRC
l 运行结果
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l Calibre LVS验证
l 建立子目录calibre_lvs、拷贝cali035pMM5V_2P4M.lvs到此目录
l 建立*.netlist文件：在CIW中将aoi221的schematic转到netlist，并将netlist存放到之前建立的calibre_lvs文件夹中。修改netlist中的NM/PM为N/P。
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l 执行calibre LVS：
l 配置Rules
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l 配置Inputs
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l Run LVS
l 运行结果(如果没有错误的话)
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l Calibre PEX提取
l 建立子目录calibre_pex、拷贝TSMC352P4MCalibre.pex2到此目录
l 执行calibre PEX：
l 配置Rules
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l 配置Inputs，同calibre_lvs
l Run PEX
l 运行结果: 生成网表文件
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l HSPICE post-simulation
l 修改网表文件
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把前仿真的网表中aoi221的subckt去掉，添加上PEX生成的网表aoi221.pex.netlist。再者修改aoi221的调用端口的顺序。修改结果如图所示。
l 运行仿真
hspice input.ckt.post
l 用cscope观察波形
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l 分析
上图中下面的波形是前仿真的波形，上边是后仿真的波形。其它的输入信号ABCDE，与前仿真中的波形相同。由图中可以看到后仿真产生了比较严重的失真。这主要是由于在画版图时MOS管的W/L比设计的不够好。修补如下
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仿真波形如下
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由上图可以看到，后仿真的波形已经有了很大的改善，但是效果还不够好，修要继续修改，可惜的是，我现在不具有这种功力与时间去完成这些工作了。
l 报告总结
熟悉了ASIC设计中，full-custom的设计流程。
掌握了Cadence设计工具基本组件的基本用法。
学习了VLSI课程。
很遗憾没有足够的精力严格按最小尺寸来画aoi221的版图；MOS管的宽长比也调得不尽如人意；报告写得比较仓促。
下学期，会试着做一下流程更为完整和复杂的数字IC设计。
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