集成电路课程设计(范例)解析.doc

集成电路课程设计 目的与任务 本课程设计是《集成电路分析与设计基础》的实践课程，其主要目的是使学生在熟悉集成电路制造技术、半导体器件原理和集成电路分析与设计基础上，训练综合运用已掌握的知识，利用相关软件，初步熟悉和掌握集成电路芯片系统设计→电路设计及模拟→版图设计→版图验证等正向设计方法。 设计题目与要求 2.1设计题目及其性能指标要求 器件名称：含两个2-4译码器的74HC139芯片 要求电路性能指标： 可驱动10个LSTTL电路（相当于15pF电容负载）； 输出高电平时，|IOH|≤20μA，VOH，min=4.4V； 输出底电平时，|IOL|≤4mA，VOL，man=0.4V； 输出级充放电时间tr=tf　，tpd＜25ns； 工作电源5V，常温工作，工作频率fwork=30MHz，总功耗Pmax＝150mW。 2.2设计要求 独立完成设计74HC139芯片的全过程； 设计时使用的工艺及设计规则： MOSIS:mhp_n12； 根据所用的工艺，选取合理的模型库； 选用以lambda(λ)为单位的设计规则； 全手工、层次化设计版图； 达到指导书提出的设计指标要求。 设计方法与计算 74HC139芯片简介 74HC139是包含两个2线-4线译码器的高速CMOS数字电路集成芯片，能与TTL集成电路芯片兼容，它的管脚图如图1所示，其逻辑真值表如表1所示： 图1 74HC139芯片管脚图 表1 74HC139真值表 片选 输入 数据输出 Cs A1 A0 Y0 Y1 Y2 Y3 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 × × 1 1 1 1 从图1可以看出74HC139芯片是由两片独立的2—4译码器组成的，因此设计时只需分析其中一个2—4译码器即可，从真值表我们可以得出Cs为片选端，当其为0时，芯片正常工作，当其为1时，芯片封锁。A1、A0为输入端，Y0-Y3为输出端，而且是低电平有效。 2—4译码器的逻辑表达式，如下所示： 74HC139的逻辑图如图2所示： 图2 74HC139逻辑图 电路设计 本次设计采用的是m12_20的模型库参数进行各级电路的尺寸计算，其参数如下： NMOS: εox=3.9×8.85×10﹣12F/m μn=605.312×10﹣4㎡/Vs tox=395×10﹣10m Vtn=0.81056V PMOS: εox=3.9×8.85×10﹣12F/m μp=219×10﹣4㎡/Vs tox=395×10﹣10m Vtp=﹣0.971428V 3.2.1 输出级电路设计 根据要求输出级电路等效电路图如图3所示，输入Vi为前一级的输出，可认为是理想的输出，即VIL=Vss, VIH=VDD。 图3 输出级电路 输出级N管（W/L）N的计算 当输入为高电平时，输出为低电平，N管导通，且工作在线性区，而后级有较大的灌电流输入，要求|IOL|≤4mA，VOL，man=0.4V，根据NMOS管理想电流分方程分段表达式： 因此， 则， (2) 输出级P管（W/L）P的计算 当输入为低电平时，输出为高电平，P管导通，且工作在线性区。同时要求N管和P管的充放电时间tr=tf　，分别求出这两个条件下的（W/L）P，min极限值，然后取大者。 以|IOH|≤20μA，VOH，min=4.4V为条件计算（W/L）P，min极限值：用PMOS管的理想电流方程分段表达式：  因此, 则， N管和P管的充放电时间tr和tf表达式分别为 令tr=tf可以计算（W/l）p,min的值，计算过程如下：  计算得出： 则（W/L）P=140 取其中的大值作为输出级P管的尺寸，则（W/L）sw×(2W+2b) 其中Cj是每um2的结电容，Cjsw是每um的周界电容，b为有源区宽度，可从设计规则获取。如若最小孔为2λ×2λ，孔与多晶硅栅的最小间距为2λ，孔与有源区边界的最小间距为2，则取b＝6λ。Cj和Cjsw可用相关公式计算，或从模型库选取，或用经验数据。其中采用的模型库参数如下所示： 总的漏极PN结电容应是N管和P管的总和，即： 注意：此处WN和WP都为国际单位 栅电容Cg的计算 Cg＝Cg，N＋Cg，P＝＋＝（WN＋WP）L 此处WN和WP为与本级漏极相连的下一级的N管和P管的栅极尺寸，近似取输出级WN和WP的尺寸。 将输出级N管和P管的宽长比：（W/L）N=48和（W/L）P=140代入公式进行计算，根据设计规则，λ=0.6μ，L=2λ=1.2μ，代入得： 连线杂散电容CS CS＝ 一般CPN＋Cg≈10CS