全定制设计——共源共栅放大器

实践教学要求与任务:

设计一个共源共栅放大器，满足如下要求：

（1）电路面积最优；

（2）负载10PF电容；

（3）增益A=60；

（4）不限其余参数；

（5）采用gpdk0.18通用工艺库；

（6）完成全部流程：设计规范文档、原理图输入、功能仿真、基本单元版图、整体版图、物理验证等。

工作计划与进度安排:

第1-2天：讲解题目，准备参考资料，检查、调试实验软硬件，进入设计环境，开始设计方案和验证方案的准备；

第3-5天：完成设计，经指导老师验收后进入模块电路设计（验收设计文档）；

第6-9天：完成模块电路代码输入，并完成代码的仿真（验收代码与仿真结果）；

第 9-10天：约束设计，综合（验收约束与综合结果）；

第11-12天：布局布线，完成版图（验收版图结果）；

第13-14天：物理验证、后仿真，修改设计（验收物理验证结果和时序仿真结果）；

第15天：整理设计资料，验收合格后进行答辩。

摘 要

由于共源共栅放大器把电压信号转换为电流信号，而共栅放大器的输入信号可以为电压信号也可以为电流信号，如果将共源放大器输出的电流信号作为共栅放大器的输入，则构成了共源放大电路与共栅放大器的级联，即成级联放大器或共源共栅放大器，此结构放大器件与级联器件属于同一性质，可称为伸缩式级联。

本次课程设计利用全定制设计流程完成了一个共源共栅放大器，所有设计是在cadence公司全定制平台IC5141工具下完的，IC5141工具主要包括集成平台design frame work II、原理图编辑工具virtuoso schematic editor、仿真工具spectre、版图编辑工具virtuoso layout editor、以及物理验证工具diva。

设计流程（全定制）步骤包括以下内容，设计输入（Composer、ICStudio/DesignArchitecture、Sedit、ViewDraw）等，产生SPICE网表，模拟设计环境；设计验证（Hspice、Spectre、Eido、SmartSpice）等；版图编辑（Virtuso、ICStation、Ledit、Laker、CosmosLE）等包括各个Foundry的PDK；关于版图验证则需要的是DRC/ERC/LVS/LPE(Dracula/Diva/Asura、Calibre、Herculus、Tanner、Laker等；后仿真Tapeout。

关键字：virtuoso schematic editor；design frame work II；全定制；

目 录

摘 要..................................................................... 3

1 绪论................................................................... 5

1.1 设计背景 ......................................................... 5

1.2 设计目标 ......................................................... 5

2 共源共栅放大器设计..................................................... 5

2.1 创建设计库 ....................................................... 5

2.2 电容设计 ......................................................... 6

2.3 原理图设计 ....................................................... 6

2.4 仿真电路设计 ..................................... 错误!未定义书签。

2.5 仿真波形. ........................................................ 9

3 版图编辑与物理验证.................................................... 11

3.1 电容版图设计 .................................................... 11

3.2 版图编辑 ........................................................ 12

3.3 DRC检查.......................................... 错误!未定义书签。

3.4 LVS检查.......................................... 错误!未定义书签。

4 总结.................................................... 错误!未定义书签。

参考文献................................................................. 17

1 绪论

1.1 设计背景

本次共源共栅放大器设计采用全定制设计平台cadence公司的IC5141。IC5141工具主要包括集成平台design frame work II、原理图编辑工具virtuoso

schematic editor、仿真工具、版图编辑工具virtuoso layout editor、以及物理验证工具diva等等。接下来我们着重介绍原理图编辑工具tanner和集成于ADE(Analog Design Environment)的仿真工具spectre。这里以cadence.3.2版的180nm pdk为例简单介绍工具的配置与使用，以便于我们可以了解并熟练的掌握相关知识，并合理的完成设计目标。

1. 2 设计目标

设计一个共源共栅放大器，满足如下要求：

（1）电路面积最优；

（2）负载10PF电容；

（3）增益A=60；

（4）不限其余参数；

（5）采用gpdk0.18通用工艺库；

（6）完成全部流程：设计规范文档、原理图输入、功能仿真、基本单元版图、整体版图、物理验证等。

2 共源共栅放大器设计

2.1 创建设计库

在ic5141中，设计的管理以库的方式进行。库管理器中包含有设计使用的工艺库和ic5141软件提供的一些元件库，如analogLib，basic等。用户在工作过程中建立的库也放在库管理器中。无论画电路图还是设计版图，都和建库有关，建电路图库的步骤如下。

（1）CIW界面点击File菜单，出现下拉菜单，选命令FileNewLibrary，出现“New Library”对话框。

（2）在对话框Library的Name项中输入新库名mylib。在Technology File项中提示：“如果要在这个库中建立掩模版图或其他物理数据，需要技术文件”若只要用电路图或HDL数据，则不需要技术文件。

（3）由于新建库后面还将用于版图绘制，选第二个选项，即“Attach to an

existing techfile”，单击“OK“按钮，选择工艺库gpdk180，点击“OK“按钮完成新库的建立。

2.2 电容设计

本次设计的电路仿真是在Linux环境下，使用cadence公司IC5141的原理图编辑工具virtuoso schematic editor进行仿真的，采用的是工艺库gpdk180工艺。

根据设计要求，为了满足负载10PF电容和AV=60，我们选择多晶硅电容作为负载电容。经计算可得，NMOS管内电容Cp=300pF。

由公式，容抗R=1/2πFC，W=2πF，g m=wc=2w Cp，Av= g mR，经过计算得出，本次设计NMOS管内电容Cp=300PF。求容抗时，可以考虑选定频率F=20MHZ。

2.3 原理图设计

由于共栅共源放大器把电压信号转换为电流信号（该电流信号在负载上产生输出电压），而共栅放大器的输入信号可以为电压信号也可以为电流信号（电压信号可以转换成相应的电流信号），如果将共栅共源放大器输出的电流信号作为共栅共源的输入，则构成了共源放大电路与共栅放大电路的级联，即称级联放大器或共源共栅放大器。M1产生正比于Vi的小信号漏电流并经M2流过R，M1为放大器件（也称为输入器件），M2为级联器件，且M1与M2具有相同的电流。此类结构放大器与级联器件属于同一性质（即同为NMOS或同为PMOS），可称为伸缩式级联。

设计库建好后，就可以开始画电路原理图，具体过程如下。 （1）建立设计原理图：在CIW中选菜单项FileNewCellview ,出现“Create New File”对话框，填写、选择相应的选项，点击OK按钮，进入原理图编辑器virtuoso schematic editor界面。

（2）例化并添加器件：在原理图编辑器中选择菜单项AddInstance（或者按快捷键i，或者点击编辑器左侧的工具栏Instance按钮均可），正确填写相关参数后，点击Hide按钮，在原理图编辑器中出现随鼠标移动的管子的symbol，放置到相应的位置即可。然后依次添加所有器件管子模型。

（3）器件互联：连线有粗、细之分，粗线一般用来表示总线，普通的连线一般都用细线。选择菜单项AddWire(narrow)，（点击工具栏或者快捷键i均可），弹出窗口直接按Hide键隐藏，进行器件连接。

（4）完成连线后直接添加pin完成原理图输入。选择菜单项Addpin（或者快捷键p或者工具栏pin均可），弹出pin选项表，先添加输入管脚，再添加输出。

最后得到原理图如下图2.1所示，选择菜单项DesignCheck and Save（shift-x）。

图2.1 共栅共源放大器原理图