模拟集成电路设计流程

2019/8/30共88页1Spectre/Virtuoso/Calibre工具使用介绍2019/8/30共88页2模拟集成电路的设计流程1.交互式电路图输入2.电路仿真（spectre）3.版图设计（virtuoso）4.版图的验证（DRCLVS）（calibre）5.寄生参数提取（calibre）6.后仿真（spectre）7.流片（gdsii）全定制2019/8/30共88页3Cadence中Spectre的模拟仿真1、进入Cadence软件包2、建立可进行SPECTRE模拟的单元文件3、编辑可进行SPECTRE模拟的单元文件4、模拟仿真的设置(重点)5、模拟仿真结果的显示以及处理6、分模块模拟(建立子模块)7、运算放大器仿真实例2019/8/30共88页4一、进入Cadence软件包登陆到服务器上后，进入adelibic5这个文件夹（如果没有这个文件夹，按照vlsi课件实验1自行拷贝）在命令行输入source/eva02/dept23/uwb03/.cshrc.ic23icfb&红色界面的IC5141窗口出现，之后ciw弹出来2019/8/30共88页5二、建立可进行SPECTRE模拟的单元文件主窗口分为信息窗口CIW、命令行以及主菜单。信息窗口会给出一些系统信息（如出错信息，程序运行情况等）。在命令行中可以输入某些命令。主菜单包括：1、File菜单2、Tools菜单3、Options菜单2019/8/30共88页6设计环境设置工艺库工作站目录/eva02/ic/BA083006/smic18/关联工艺库的方法在cds.lib中加入如下语句（用Vi或Gvim编辑器）INCLUDE/eva02/ic/BA083006/smic18/cds.lib工艺模型文件目录/eva02/ic/BA083006/smic18/models/spectre这个目录下有如下文件其中ms018_v1p7**是普通器件模型文件，ms018_rf_v1p6**是RF器件模型文件，我们实验只用到普通器件，因此只需要前者，电路仿真时Spectre会自动加载这几个文件2019/8/30共88页7相关工艺参数可以在ms018_v1p7_spe.mdl文件中查到：N18：Tox=3.87n(可由此算出Cox)vth0=0.39(无衬偏效应)u0=34mP18：Tox=3.74nVth0=-0.402u0=8.6mlambda的选取可以参照razavi书上的lambda与L成反比，其中L＝0.5um时lambdaN＝0.1,lmabdaP=0.2模型中各工艺参数定义可参考bsimset.pdf文件。建立新库、新单元以及新视图在CIW中，File-New-Library，在弹出的“NewLibrary”窗口，Name栏中：mylib选中右下方：Attachtoanexistingtechfile点击OK，之后弹出图2，选smic18mmrf，点击ok查看CIW窗口：Tools-LibraryManager，在Library中应有mylib，单击它。在LibraryManager窗口，File-New-Cellview，在弹出的“CreateNewFile”窗口CellName栏中，opamTool栏中，选Composer-SchematicOK，弹出新的原理图编辑窗口LibraryCellSchematicSymbolLayoutVerilog（View）2019/8/30共88页9Library,Cell以及View的关系1、library(库)的地位相当于文件夹，它用来存放一整个设计的所有数据，包括子单元（cell）以及子单元（cell）中的多种视图（view）。新建库时注意选择链接所用工艺pdk的techfile。2、Cell（单元）可以是一个简单的单元，像一个与非门，也可以是比较复杂的单元（由symbol搭建而成）。3、View则包含多种类型，常用的有schemetic，symbol，layout，calibre等等,新建Cellview要注意选择View的类型。2019/8/30共88页10添加元件（实例instance）在弹出的“VirtuosoSchematicEditing:…”窗口中，左边为工具栏，选instance图标（或i）单击“Addinstance”窗口Library栏最右侧Browser,弹出“LibraryBrowser-…”窗口，Library选smic18mmrf，Cell选n18,View选symbol在“VirtuosoSchematicEditing:…”窗口,鼠标左键单击一次，间隔一定距离再单击一次，这样就增加了2个n18元件，键撤销本次操作ESC按照如上方法添加所需要的NMOS与PMOS以及电阻元件以及pin2019/8/30共88页11mos管的主要参数multiplier表示几个管子并联数Length表示沟道长度，设计时我们按照长沟道设计L取值＝1umTotalWidth表示总的沟道宽度FingerWidth表示一个finger的宽度Fingers表示finger的个数Totalwidth＝fingerwitdth×fingerwidth设计时尽量使mos管接近方形，而不是长条形2019/8/30共88页12编辑完成的电路图2019/8/30共88页13一些快捷键以下是一些常用的快捷键：i添加元件，即打开添加元件的窗口；[缩小两倍；]扩大两倍；w连线（细线）；f全图显示；p查看元件属性；m整体移动（带连接关系）；shift+m移动（不带连接关系）。2019/8/30共88页14生成symbol进入“VirtuosoSchematicEditing：mylibnand2schematic”窗口。Design-CreateCellview-FromCellview在CellviewFromCellview窗口，FromViewName栏为：schematic，Tool/DataType栏为Composer-Symbol。OK2019/8/30共88页15三编辑测试环境新建1个cell名称为：Opam_test在新的原理图窗口中调用opam的symbol添加激励元件所有激励元件都在Analoglib库中，在这里用到了电源源vdc电流源idc正弦源vsin以及全局符号vdd，gnd如右图所示2019/8/30共88页16四、模拟仿真的设置(重点)Composer-schamatic界面中的Tools→AnalogEnvironment项可以打开AnalogDesignEnvironment窗口，如右图所示。2019/8/30共88页17AnalogDesignSimulation菜单介绍Session菜单SchematicWindowSaveStateLoadStateOptionsResetQuit回到电路图保存当前所设定的模拟所用到的各种参数加载已经保存的状态一些显示选项的设置重置analogartist。相当于重新打开一个模拟窗口退出2019/8/30共88页18Setup菜单Setup菜单DesignSimulator/directory/hostTemperatureModelLibraryEnvironment选择所要模拟的线路图选择模拟使用的模型一般有cdsSpicehspiceSspectre等设置模拟时的温度设置库文件的路径和仿真方式设置仿真的环境（后仿真时需设置）2019/8/30共88页19Analyses菜单选择模拟类型。Spectre的分析有很多种，如右图，最基本的有tran（瞬态分析）dc（直流分析）ac（交流分析）。2019/8/30共88页20tran（瞬态分析）2019/8/30共88页21dc（直流分析）dc（直流分析）可以在直流条件下对temperature，DesignVariable，ComponentParameter，ModelParameter进行扫描仿真举例:对温度的扫描（测量温度系数）电路随电源电压变化的变化曲线等2019/8/30共88页22ac（交流分析）ac（交流分析）是分析电路性能随着运行频率变化而变化的仿真。既可以对频率进行扫描也可以在某个频率下进行对其它变量的扫描。2019/8/30共88页23其它有关的菜单项Outputs/Setup当然我们需要输出的有时不仅仅是电流、电压，还有一些更高级的。比如说：带宽、增益等需要计算的值，这时我们可以在Outputs/setup中设定其名称和表达式。在运行模拟之后，这些输出将会很直观的显示出来。需要注意的是：表达式一般都是通过计算器（caculator）输入的。Cadance自带的计算器功能强大，除了输入一些普通表达式以外，还自带有一些特殊表达式，如bandwidth、average等等。2019/8/30共88页24Calculator的使用Calculator是一个重要的数据处理工具，可以用来仿真电源抑制比，相位裕度，共模抑制比2019/8/30共88页25其它有关的菜单项Results菜单2019/8/30共88页26模拟结果的显示以及处理在模拟有了结果之后，如果设定的output有plot属性的话，系统会自动调出waveform窗口，并显示outputs的波形，如左图2019/8/30共88页27运放直流工作点仿真（DC分析）放大器的正常工作需要一定的直流偏置在交流（ac，tran）仿真之前，必须保证运放要有合适的静态工作点静态工作点的设置需要手工计算与仿真迭代交互进行构成放大器的每一个管子都处在饱和区，是运放存在一个良好工作点的前提条件2019/8/30共88页28运放小信号仿真示例电源电压Vdc=1.8V；交流信号源acm=1V；负载电容Cload=5pF；采用Spectre分析方式，选择交流分析（ac），设置如下：SweepVariable：FrequencySweepRange：1Hz~100MHz仿真完成后，点击Result-DirectPlot-ACGain&Phase查看运放的幅频特性和相频特性2019/8/30共88页29仿真结果该运放直流增益为80.9dB，单位增益带宽为82MHz，相位裕度为67.32deg。2019/8/30共88页30工艺角与温度上面运放的仿真实在tt（典型）27度下的仿真，但实际的工艺不一定是tt，使用温度也不一定是室温27度，所以要进行工艺角仿真仿真不可能覆盖所有的工艺偏差与温度，所以需要选取一些典型值去验证温度：－20，27，105（3种）工艺偏差：ttssfffnspfpsn（5种）仿真要跑通这15种情况才能进行后端设计2019/8/30共88页31版图设计打开运放核心电路图单击Tools-DesignSynthesis-LayoutXL选择creatnew，可以弹出版图编辑窗口在版图编辑窗口，单击Design-Genfromsource之后点击ok，出现电路用到的所有smic18mmrf库中元件（此时元件是无任何连接关系的）2019/8/30共88页32版图设计2019/8/30共88页33版图设计要点版图设计要按照一定的设计规则与电气规则进行，这些规则文件可以在smic提供的pdk（processdesignkit）中查找到，最小线宽，最小间距，最小包围，最小覆盖。。。仅仅满足设计规则的走线，不是最佳的走线方式。在满足设计规则的前提下，要保证每条金属走线能够承受相应的电流密度（防止由于老化而产生的电迁移现象），通常情况下为1um可以承受1mA的电流对于差分电路，要充分考虑版图的对称性与匹配2019/8/30共88页34版图设计要点对于低频模拟电路而言，寄生电阻是影响其性能的主要因素，连接的走线可以尽可能宽对于射频电路而言，寄生电容可能会占据更主要的部分，对线宽的处理上，要在寄生电阻与寄生电容