共源级放大器的电路设计及版图实现

中文摘要 ........................................................................................ 错误!未定义书签。 英文摘要 ........................................................................................ 错误!未定义书签。 引言 ............................................................................................................................... 1 1 TANNER TOOLS软件简介 ................................................................................. 2 1.1 TANNER TOOLS软件的组成 ............................................................................. 2 1.2 TANNER TOOLS设计综合流程 ......................................................................... 3 2 共源级放大器电路图和版图设计及其仿真 ......................................................... 4 2.1 电阻负载共源级放大器电路原理分析 ........................................................... 4 2.1.1 电阻负载共源级放大器电路图设计 ........................................................ 5 2.1.2 电阻负载共源级放大器电路图SPICE文件设置 .................................. 5 2.1.3 电阻负载共源级放大器电路图仿真图 .................................................... 7 2.1.4 电阻负载共源级放大器版图设计 ............................................................ 7 2.1.5 DRC规则检查 ........................................................................................... 8 2.1.6 电阻负载共源级放大器版图spice文件设置 .......................................... 8 2.1.7 电阻负载共源级放大器版图仿真图 ........................................................ 9 2.2 二极管连接负载的共源级放大器电路原理分析 ........................................... 9 2.2.1 二极管负载共源级放大器电路图设计 .................................................. 10 2.2.2 电路图验证 .............................................................................................. 10 2.2.3 二极管负载共源级放大器电路图SPICE文件设置 ............................. 11 2.2.4 二极管连接负载的共源级放大器电路图仿真图 ................................... 11 2.2.5 二极管负载共源级放大器版图设计 ...................................................... 12 2.2.6 DRC规则检查 ......................................................................................... 12 2.2.7 二极管负载共源级放大器版图spice文件设置 .................................... 13 2.2.8 二极管负载共源级放大器版图仿真图 .................................................. 14 2.3 电流源负载共源级放大器电路原理分析 ..................................................... 14 2.3.1 电流源负载共源级放大器电路图设计 .................................................. 14 2.3.2 电路图验证 .............................................................................................. 15 2.3.3 电流源负载共源级放大器电路图SPICE文件设置 ............................ 15 2.3.4 电流源负载共源级放大器电路图仿真图 .............................................. 16 2.3.5 电流源负载共源级放大器版图设计 ...................................................... 17 2.3.6 DRC规则检查 ......................................................................................... 17 2.3.7 电流源负载共源级放大器版图spice文件设置 .................................... 18 2.3.8 电流源负载的共源级放大器版图仿真图 .............................................. 19 3 LVS对比 ............................................................................................................... 19 3.1 电阻负载共源级放大器电路LVS对比 ........................................................ 19 3.2 二极管连接负载的共源级放大器电路LVS对比 ........................................ 20 3.3 电流源负载共源级放大器电路LVS对比 .................................................... 21 4 结束语 ................................................................................................................... 21 参考文献 ..................................................................................................................... 23

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引言

1947年在美国的新泽西州的贝尔实验室诞生世界上第一个晶体管，自此开始了集成电路的发展，在1958年，基尔比德州仪器工程师发明了世界上第一个集成电路（IC）。而正是这枚小小的IC拉开了微电子学的大幕，从此集成电路的发展便开始走上了一条飞速发展的道路。19年，摩尔提出了著名的摩尔定律：晶体管的集成度每18个月翻一倍。集成电路的的飞速发展不仅给人们的生活带来了便捷，同时在军事、医学、科技等各方面发挥着巨大的作用。电路物理实现的设计实际是为集成电路的版图设计，称其为物理设计。IC设计生产的基础是集成电路的版图设计，将电路的逻辑描述形式转化成版图的描述形式是版图设计的任务，并通过Mask光刻从而实现版图到集成电路芯片的物理转化。集成电路的版图设计关系到集成电路的功能是否正确，同时还关系到集成电路的性能、成本、面积和功耗的大小。因此设计出性能较高、功耗低、并能实际可靠地工作的版图相当重要。

大规模IC制造技术、IC版图设计技术、ASIC测试和封装技术、FPGA/CPLD编程下载技术及自动测试技术等在硬件实现方面融合了EDA[1]技术；在计算机辅助工程方面融合了计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)和计算机辅助工程(CAE)技术以及多种计算机语言的设计概念。随着集成电路发展的要求，集成电路EDA[2]，准确地说是整个电子设计自动化必须要有大的发展。EDA的优点在于不是对单个单元的优化，而是对于全局的优化，从总体出发，保证其形状和尺寸最适于总的布局，是引线占的面积尽可能的小。EDA的重要性在于使设计便于处理，具有处理高度复杂电路而不出错的能力。集成电路的的飞速发展不仅给人们的生活带来了便捷，同时在军事，医学，科技等各方面发挥着巨大的作用。随着科技的不断进步，对集成电路的要求也在越来越高，设计出面积小、功耗低、成本低、性能良好的集成电路越发的重要。在现代科技中，计算机辅助设计的科学技术得以飞速发展。所以EDA技术是一门综合性学科，渗透于各个学科之中，EDA技术是电子设计与应用的发展方向。

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1 Tanner Tools软件简介

由Tanner Research公司基于Windows平台开发的Tanner Tools设计软件用于集成电路的设计[3]，从电路设计、分析模拟到电路布局一一俱全。其中国内广泛应用的L-Edit版图编辑器，知名度很高。由Tanner EDA[4]软件公司所出品的L-Edit Pro是一个IC设计及验证的高性能软件系统模块，具有效率高，交互式等特点，从IC设计到输出，以及最后的加工服务完善且强大的功能，完全可以和百万美元级的IC设计软件媲美。L-Edit Pro包含IC设计编辑器(Layout Editor)、自动布线系统(Standard Cell Place & Route)、线上设计规则检查器（DRC）、组件特性提取器（Device Extractor）、设计布局与电路netlist的比较器(LVS)、CMOS Library、Marco Library，这些模块组成了设计与验证的完整IC解决方案。L-Edit Pro快速、易用、精确的设计系统工具为每个IC设计者及生产商提供了完善丰富的功能。通过这款软件可完成IC的设计、版图编辑、自动布局布线、波形仿真和模拟验证等一系列的功能；它的编辑功能全面、电路图处理快速和模拟仿真及波形功能较好。主要解决电路图的电路设计，版图规划及它们相应的模拟仿真验证等问题。

1.1 Tanner Tools软件的组成

Tanner Tools工具包括S-Edit、T-Spice、W-Edit、L-Edit与LVS五个相关软件。它们的主要实现功能如下：

（1）S-Edit：S-Edit主要功能是编辑电路图，每个电路图都有电路图和符号图两种模式。Tanner EDA格式的电路图具有等级结构电路图，由不同等级的模块组成这种电路图，高等级的模块是由低等级的模块组成。S-Edit还可以使当前模块的电路图转化为不同的网表。

（2）T-Spice：T-SPICE主要功能是电路分析与模拟。由Tanner公司提供T-SPICE电路模拟器是专门用来模拟电路的软件程序。在T-SPICE的文本文件窗口中可以创建、打开和编辑各种文件文本及插入各种T-SPICE命令。对输入文件进行模拟仿真必须用T-SPICE电路描述语言写入的输入文件后才可以。

（3）W-Edit：W-Edit的主要功能是显示T-SPICE的模拟结果，即显示

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T-SPICE模拟出的波形图，可进行简单的设置使得更加方便清晰观察模拟出的波形图。

（4）L-Edit：设计规则及检查、编辑布局版图、截面观察、电路转换、自动配置与绕线；

（5）LVS：对比布局图和电路图的网表。

1.2 Tanner Tools设计综合流程

先用S-Edit编辑要设计电路的电路图，然后将该电路图导出Spice文件。接着利用T-Spice软件将电路图模拟并输出成Spice文件，设置输入电平参数，然后进行运行，用W-Edit观察输出波形。假如模拟结果不对，接着回到S-Edit检查电路图，如果T-Spice没有错误，就用L-Edit对照电路图进行版图设计。版图绘制完后要以DRC进行设计规则检查，如果没有违反设计规则，再将版图进行修改直到设计规则检查没有错误为止。然后将验证过的版图导出Spice文件，再利用T-Spice模拟，如果有错误，再回到L-Edit修改版图设计。最后利用LVS进行S-Edit电路图导出的Spice文件和L-Edit版图导出的Spice文件对比，如果结果对比不相等，则回去修改S-Edit图或者L-Edit图。直到验证没有错误后，将L-Edit设计好的版图输出成GDSII类型文件，最后交给工厂去制作半导体过程中需要的光罩，流程如图2-1所示。

S-Edit编辑电路图输出SPICE文件输出SPICE文件T-Spice模拟分析T-Spice模拟分析L-Edit绘制版图LVS电路图与版图对比设计规则检查

图2-1 设计综合流程图

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2 共源级放大器电路图和版图设计及其仿真

2.1 电阻负载共源级放大器电路原理分析

电阻负载共源级放大器由于自身的跨导，MOS管可以将栅-源电压的变化转换成小信号[5]漏极电流，于是输出电压由小信号漏电流流过电阻产生，如图2-2所示。

图2-2 小信号分析

当VinVTH，M1截止： VoutVDD(1-1)

W(VinVTH)2 (1-2) L1W2 Vin1VTHVDDRDnCox(Vin1VTH) (1-3) 转折点：

2L1W2线性区： VoutVDDRDnCox[2(VinVTH)VoutVout] (1-4)

2L1饱和区： VoutVDDRD2unCox

深线性区： Vout2(VinVTH) (1-5)

Ron (1-6)

RonRDVDDW (1-7)

1nCoxRD(VinVTH)LVout Av (1-8) 小信号增益：

VinWRDnCox(VinVTH) (1-9)

L所以 VoutVDD4

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Avgm

roRD roRD (1-10)

gmRD (1-11)

总结：在CMOS工艺下，精确阻值的电阻难加工，阻值小时增益小，阻值大时电阻的尺寸太大，还会降低输出摆幅，一般采用MOS管代替电阻做负载。

2.1.1 电阻负载共源级放大器电路图设计

电阻负载共源级放大器电路图如图2-3所示。

图2-3 电阻负载共源级放大器电路图

下图

对完成的电路图进行验证：选择Tools——Design Checks 点击，验证结果如

2-4所示。

图2-4 电路图验证

2.1.2 电阻负载共源级放大器电路图SPICE文件设置

T-SPICE主要的功能是电路分析和模拟，T-SPICE电路模拟器是由Tanner

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公司提供的专门用来模拟仿真电路的软件程序。T-SPICE的文本文件窗口中可以编辑、创建和打开各种文本文件，还可以在打开的文件中写入各种T-SPICE命令。T-SPICE输入用T-SPICE电路描述语言写成的输入文件后，就可以对输入文件进行模拟仿真。

对SPICE文件进行设置，包括加载包含文件、设定电源电压、输入信号、分析设定、设定输出[6]等。设定好后T-SPICE 文件中会多出如图2-5信息，设定好后需要保存SPICE文件。

选择File——Export——Export SPICE把设计好的共源极放大器电路图输出成SPICE文件，输出的SPICE文件打开后最后面会看到如下图2-5的文字。

图2-5 电阻负载共源级放大器SPICE文件

分析及输出设定：分析设定如下图2-6，输出设定如下图。

图2-6 电阻负载共源级放大器SPICE文件

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2.1.3 电阻负载共源级放大器电路图仿真图

电阻共源级放大器电路图仿真图如图2-7所示。

图2-7 电阻负载共源级放大器电路图仿真图

2.1.4 电阻负载共源级放大器版图设计

电阻共源级放大器版图如图2-8所示。

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图2-8 电阻负载的共源级放大器版图

2.1.5 DRC规则检查

DRC规则检查如下图所示。

图2-9 电阻负载的共源级放大器版图

2.1.6 电阻负载共源级放大器版图spice文件设置

电阻共源级放大器版图spice文件如图2-10。

图2-10 电阻负载共源级放大器spice文件

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2.1.7 电阻负载共源级放大器版图仿真图

电阻共源级放大器版图仿真如图2-11。

图2-11 电阻负载共源级放大器版图仿真图

2.2 二极管连接负载的共源级放大器电路原理分析

在大多数CMOS工艺条件下，制作精确控制的阻止或者具有合理的物理尺寸的电阻是很困难的，因此一般采用MOS管代替电阻作为负载[7]。

增益： Avgm(roRD) (2-1)

忽略ro的影响

gm11gm11

gm2gmb2gm21(2-2)

gm2nCoxWID (2-3)L

Av(WL)11 (2-4)

(WL)219

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总结：忽略随Vout的变化时

，增益只与W/L

有关

，与偏置电压、

电流无关，而且线性度很好。

2.2.1 二极管负载共源级放大器电路图设计

二极管共源级放大器电路如图2-12。

图2-12 二极管连接的负载的共源级放大器电

路图

2.2.2 电路图验证

电路图验证如图2-13所示。

图2-13 电路图验证

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2.2.3 二极管负载共源级放大器电路图SPICE文件设置

二极管共源级放大器电路图SPICE文件如图2-14。

图2-14 二极管连接的负载的共源级放大器

SPICE文件

2.2.4 二极管连接负载的共源级放大器电路图仿真图

二极管共源级放大器电路图仿真图如图2-15。

图2-15 二极管负载的共源级放大器电路图仿

真图

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2.2.5 二极管负载共源级放大器版图设计

二极管共源级放大器版图如图2-16所示。

图2-16 二极管负载的共源级放大器版图

2.2.6 DRC规则检查

DRC规则检查如图2-17。

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图2-17 二极管连接的负载的共源级放大器版

图

2.2.7 二极管负载共源级放大器版图spice文件设置

二极管负载共源级放大器版图spice文件如图2-18。

图2-18 二极管连接的负载的共源级放大器

spice文件

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2.2.8 二极管负载共源级放大器版图仿真图

二极管负载共源级放大器版图仿真图如图2-19。

图2-19 二极管负载共源级放大器版图仿真图

2.3 电流源负载共源级放大器电路原理分析

应用中有时要求单级具有很大的电压增益[8]，关系式AvgmRD表示，我们可以增大共源极的负载电阻阻止。但是对于电阻或者二极管连接的负载而言，增大阻值会输出电压的摆幅。一个更切实可行的方法是用电流源代替电阻或者二极管负载，使电路中两个管子都工作在饱和区[9]。因此在输出结点所看到的总的输出阻抗等于ro1r02所以增益为

Avgm1(ro1r02) (3-1)

W1r02ro1Avgmro12nCoxID (3-2) 当远大于时 L1ID总结：在漏电流一定时，只增大L可增大增益，但同时会使寄生电容增大，单纯的增大ID会使增益减小[10]。

2.3.1 电流源负载共源级放大器电路图设计

电流源共源级放大器电路如图2-20。

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图2-20 电流源负载共源级放大器电路图

2.3.2 电路图验证

电路图验证如图2-21。

图2-21 电路验证图

2.3.3 电流源负载共源级放大器电路图SPICE文件设置

电流源共源级放大器电路图SPICE文件如图2-22。

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图2-22 电流源负载共源级放大器电路图

SPICE文件

2.3.4 电流源负载共源级放大器电路图仿真图

电流源共源级放大器电路图仿真图如图2-23。

图2-23 电流源负载共源级放大器电路图仿真

图

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2.3.5 电流源负载共源级放大器版图设计

电流源共源级放大器版图如图2-24。

图2-24 电流源负载共源级放大器版图

2.3.6 DRC规则检查

DRC规则检查如图2-25。

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图2-25 电流源负载共源级放大器版图

2.3.7 电流源负载共源级放大器版图spice文件设置

电流源共源级放大器版图spice文件如图2-26。

图2-26 电流源负载共源级放大器spice文件

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2.3.8 电流源负载的共源级放大器版图仿真图

电流源共源级放大器版图仿真图如图2-27。

图2-27 电流源负载共源级放大器版图仿真图

3 LVS对比

LVS是电路图与版图的结果对比工具，用于把由L-Edit生成的版图反向提取的SPC网表与由S-Edit设计的逻辑电路图输出的SP网表进行对比，实现版图检查和对照分析，检测绘制的版图和电路图是否一致电路的工具，LVS工具不光能检测出部件和布线，还能够检测出这些器件类型是否正确。

3.1 电阻负载共源级放大器电路LVS对比

电阻共源级放大器电路LVS对比如图2-28。

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图2-28 LVS对比图

3.2 二极管连接负载的共源级放大器电路LVS对比

二极管共源级放大器电路LVS对比如图2-29。

图2-29 LVS对比图

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3.3 电流源负载共源级放大器电路LVS对比

电流源共源级放大器电路LVS对比如图2-30。

图2-30 LVS对比图

4 结束语

本次的论文课题主要为研究共源级放大器的电路与版图的具体设计与实现。采用EDA技术里的Tanner Tools软件工具对其进行整体设计，完成电路的设计后，由输出SPICE文件与W-Edit工具对进行模拟仿真；然后在绘制无误的版图及后续软件的基础上，同样进行模拟及仿真，并与之前的仿真结果进行在波形上的对比，最终将两种设计得出的结果做个比较。通过此设计进一步熟悉Tanner13软件及其设计流程，同时对共源级

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放大器的电路结构进行进一步了解，了解共源级放大器的用途。版图设计的任务就是将电路图元件用版图模拟器件（设计者自己编辑也有部分直接调用）来代替，用钣金模拟材料代替导线进行布线，添加输入数出端口，生成SPICE文件进行仿真，然后矫正，直到满足设计要求。整个过程可以简单分为划分、布图规划、布局、布线和压缩等子过程，在不同的设计要求和模式下所需要的设计子程序不尽相同，像这次设计就只需要用到布局和布线这两个子程序。

当今社会已处于信息时代，它的基础是各种信息技术，而微电子是构成信息技术的基石，因此集成电路的发展，是现代化信息社会里，提升和变革传统产业链的重点。我国早已成为电子信息产品需求及生产大国，但实际上，我国的内部供应及创新能力远不及变更的需求量。因而，积极发展中国特有的集成电路产业，成为当下国内集成电路与软件方面急需解决的问题。EDA技术的实现需要功能强大的计算机辅助。在EDA软件平台上，能自动完成逻辑编译，逻辑综合，逻辑化简，结构综合，以及逻辑优化与仿真测试，直至能实现特定的电子系统线路功能是硬件描述语言HDL(hardware description language)是系统逻辑描述手段完成的设计文件。EDA技术让设计者的工作局限于利用软件方式，通常情况下结合硬件描述语言与EDA软件就能完成实现系统硬件功能，使工作效率极大地提高了。

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参考文献

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