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第五章 CMOS 反相器 第一节 对逻辑门的基本要求（1）鲁棒性（用静态或稳态行为来表示）静态特性常常用电压传输特性（VTC）来表示（即输出与输入的关系）， 传输特性上具有一些重要的特征点。
逻辑门的功能会因制造过程的差异而偏离设计的期望值。
V(y) 电压传输特性（直流工作特性）VOH fV(y)=V(x)VM开关阈值VOL VOL VOHVOH = f(VOL) VOL = f(VOH) VM = f(VM)V(x)额定电平2004-9-29 清华大学微电子所《数字大规模集成电路》 周润德 第5章第1页（2）噪声容限：芯片内外的噪声会使电路的响应偏离设计的期望值 （电感、电容耦合，电源与地线的噪声）。
一个门对于噪声的敏感程度由噪声容限表示。
可靠性―数字集成电路中的噪声v(t) i(t)V DD电感耦合电容耦合电源线与地线噪声噪声来源： （1）串扰 （2）电源与地线噪声 （3）干扰 （4）失调 应当区分： （1）固定噪声源 （2）比例噪声源 浮空节点比由低阻抗电压源驱动的节点更易受干扰 设计时总的噪声容限分配给所预见的噪声源2004-9-29 清华大学微电子所《数字大规模集成电路》 周润德 第5章第2页噪声容限（Noise Margin）V“1” V OH V IHout OH 斜率 = -1V不确定区 斜率 = -1ILV “0” VVOLOL V IL V IH V in2004-9-29清华大学微电子所《数字大规模集成电路》 周润德第5章第3页噪声容限定义"1"噪声容限（Noise Margin） 容许噪声的限度V IH高电平 噪声容限VOHNM H未定义区 低电平 噪声容限V OL "0" NM L V IL抗噪声能力（Noise Immunity） 抑止噪声的能力门输出门输入2004-9-29清华大学微电子所《数字大规模集成电路》 周润德第5章第4页理想逻辑门V outg=∞Ri = ∞ Ro = 0 Fanout = ∞ NMH = NML = VDD/2V in2004-9-29清华大学微电子所《数字大规模集成电路》 周润德第5章第5页早期的逻辑门5.0 4.0 3.0 2.0 VM 1.0 NM H NM L0.01.02.03.0 V in (V)4.05.02004-9-29清华大学微电子所《数字大规模集成电路》 周润德第5章第6页（3） “再生”特性：逻辑门的“再生”特性使被干扰的信号能恢复到名义 的逻辑电平。
第三次实验课 反相器（下）实验日期：20142.3 分析如下电路，解答下列问题上面的电路用两种方式实现了反相器，左图只使用了NMOS ，右图则使用了CMOS(NMOS 和PMOS)。
试完成：V F 3.0-=φ1.仿真得到两个电路的VTC 图形答：红色的为仅用NMOS 实现的反相器的VTC 图形；蓝色的为使用CMOS 的反相器的VTC 图形,如图：2.计算两种电路的V OH ，V OL 及V M 。
可参考波形确定管子的工作状态。
答：①当Vin=2.5V 时，N 管导通有在体偏置条件下阀值电压公式：)22(0F SB F T T V V V φφγ-+-+=()()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=22220'2011'222'OL OL T in n DS DS T GS M M n d DSAT DSAT T DD M M n DSAT V V V V L W k V V V V L W k I V V V V L W k I （M2速度饱和）将下列数据代人VV V A k V V V D SAT n F T 63.0,/10115,3.0,43.026'0=⨯=-==-φ25.075.0,25.0375.01122==M M M M L W L W解得： V V OL 2875.0=当Vin=0V 时，N 管截止，Vout=OH V =2.5V求解M V :当out in V V =时，由于GS DS V V =，M1工作在饱和区此时流过M1（速度饱和）的电流为：()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡--=22011'1DSAT DSAT T in M M n DSAT V V V V L W k I （1） 流过M2的电流为（速度饱和）()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡---=2222'2DSAT DSAT T out DD M M n DSAT V V V V V L W k I (2) )22(0F SB F T T V V V φφγ-+-+=（3）M out in SB V V V V ===联立方程解得M V =1.017V②对于CMOS 器件当Vin=0时，V V V out O H 5.2==当Vin=2.5时，V V V out O L 0==求解M V :当out in V V =时，由于GS DS V V =，NMOS 与PMOS 工作在饱和区由于T M D SAT V V V -<，此时已经发生了速度饱和（参考波形）代入，联立解得：将下列数据V V V V V V V V V A k V A k L W k k L W k k V k V k r r V V V r V V V V V V V V k V V V V k DSATp DSATn Tp Tn p n pp p p nn n n DSATnn DSATpp DSAT TP DD DSAT Tn M DSATp Tp DD M DSATp p DSATn Tn M DSATn n 1,63.04.0,43.0,/1030,/101151)2/()2/(0)2/()2/(26'26'''-==-==⨯-=⨯====+++++==---+----M V =1.132315968V3.哪一种结构的反相器的功能性更好，为什么？(噪声容限，再生性，过渡区增益)答：CMOS 反相器更好。
一、实验目的：
1、熟悉T-spice的使用，并且熟练掌握。
2、仿真出反相器的输出曲线，并观察它的特性。
二、实验原理：
CMOS反相器由一个P沟道增强型MOS管和一个N沟道增强型MOS管串联组成。
通常P 沟道管作为负载管，N沟道管作为输入管。
两个MOS管的开启电压VGS(th)P<0，VGS(th)N >0，通常为了保证正常工作，要求VDD>|VGS(th)P|+VGS(th)N。
若输入vI为低电平(如0V)，则负载管导通，输入管截止，输出电压接近VDD。
若输入vI为高电平(如VDD)，则输入管导通，负载管截止，输出电压接近0V。
三、实验步骤：
1、画出反相器的仿真图
实验小结：
通过这次Hspice仿真反相器的上机实验，我收获颇多。
第一、我更加熟悉了Hspice 仿真环境的使用，对T-spice更加的熟练。
这将对我以后再做其它实验奠定了良好的基础。
第二、以前只在课堂上听老师讲授那些反相器的原理和输出曲线等，但自己的意识当中对反相器的工作还是很疑惑，在做完这个仿真实验后，才恍然大悟，觉得反相器原来就是这么回事。
第三、反相器是我们学习数字集成电路的桥梁，我们后续将会用它进行许多的设计，所以这次实验的重要度是很高的。
我非常的重视这次实验。
目录摘要 (3)绪论 (5)1软件介绍及电路原理 (6)1.1软件介绍 (6)1.2电路原理 (6)2原理图绘制 (8)3电路仿真 (10)3.1瞬态仿真 (10)3.2直流仿真 (11)4版图设计及验证 (12)4.1绘制反相器版图的前期设置 (12)4.2绘制反相器版图 (13)4.3 DRC验证 (15)结束语 (17)参考文献 (18)摘要CMOS技术自身的巨大发展潜力是IC高速持续发展的基础。
集成电路制造水平发展到深亚微米工艺阶段，CMOS的低功耗、高速度和高集成度得到了充分的体现。
本文将简单的介绍基于ORCAD和L-EDIT的CMOS反相器的电路仿真和版图设计，通过CMOS反相器的电路设计及版图设计过程，我们将了解并熟悉集成电路CAD的一种基本方法和操作过程。
关键词：CMOS反相器ORCAD L-EDIT版图设计AbstractThe huge development potential of CMOS technology itself is the foundation of sustainable development of IC high speed. The manufacturing level of development of the integrated circuit to the deep sub micron technology, CMOS low power consumption, high speed and high integration have been fully reflected. In this paper, the circuit simulation and layout design of ORCAD and L-EDIT CMOS inverter based on simple introduction, through the circuit design and layout design process of CMOS inverter, we will understand and a basic method and operation process, familiar with IC CAD.Keywords: CMOS inverter layout ORCAD L-EDIT绪论20世纪是IC迅速发展的时代。
四CMOS反相器的设计CMOS反相器是一种使用互补金属氧化物半导体（CMOS）技术制造的电子电路元件，它能够将输入信号反向输出。
由于CMOS反相器具有低功耗、高噪声免疫性、广泛的电源电压范围和快速的切换速度等优点，因此被广泛应用于数字电路中。
接下来，我将详细介绍CMOS反相器的设计过程。
首先，我们需要选择适当的CMOS反相器拓扑结构。
在CMOS技术中，两种常见的CMOS反相器拓扑结构为P型金属氧化物半导体（PMOS）和N型金属氧化物半导体（NMOS）的串联结构，以及PMOS和NMOS的并联结构。
在本文中，我们选择串联结构的CMOS反相器作为设计示例。
接下来，我们需要设计PMOS和NMOS管的尺寸。
在CMOS技术中，尺寸设计对电路性能具有重要影响。
一般来说，PMOS管的尺寸应大于NMOS 管，以提高输出驱动能力。
此外，尺寸设计也需要考虑功耗和响应时间等因素。
在设计过程中，可以使用模拟电路设计工具进行参数优化，以获得最佳的尺寸方案。
接下来是电路的布线设计。
在CMOS反相器的布线设计中，需要考虑动态电压降、互连电容和电感等因素的影响。
在布线设计过程中，应将线宽和间距等参数进行折衷考虑，以满足电路性能和面积效益的要求。
设计完成后，需要进行电路的仿真验证和性能评估。
常用的仿真工具有HSPICE、LTSpice等。
在仿真过程中，可以通过输入不同的信号，并观察输出响应以评估电路的性能。
在CMOS反相器的设计中，还需要考虑到工艺和温度等因素的影响。
由于CMOS工艺受制于设备尺寸和工艺过程的变化，工艺参数的变化会导致电路性能产生偏差。
此外，温度对CMOS电路的性能也有显著影响，因此在设计中需要对工艺和温度进行适当的补偿。
最后，在设计完CMOS反相器后，还需要进行实际的制造和测试验证。
在制造过程中，需要遵循CMOS工艺流程，并进行工艺参数的控制和调整。
在测试验证过程中，可以使用专业的测试设备进行电路性能的测试和评估，以验证设计的正确性和可靠性。
XXXXXXX实验报告课程名称：集成电路设计实验名称：CMOS反相器版图设计学号姓名：指导教师评定：____________________________ 签名：_____________________________一、实验目的1、了解集成电路版图设计流程。
2、利用L-Edit 进行NMOSFET 版图设计。
3、利用L-Edit 进行CMOS反相器设计。
二、实验器材计算机一台，Tanner L-Edit软件三、实验原理CMOS 反相器由PMOS 和NMOS 晶体管组成，利用PMOS晶体管版图和NMOS 晶体管版图可以完成COMS反相器版图的设计。
四、实验步骤1、设计PMOS晶体管版图。
2、设计N MOS晶体管版图。
3、设计CMOS反相器版图：（1）启动版图编辑器L-Edit。
（2）新建文件。
新建一个Layout 文件，文件的设置信息可以从前面创建的文件中复制。
(3) 对文件进行重命名。
将L-Edit 编辑器默认的文件名Layout 改为Inverter。
(4) 设置格点与坐标。
格点与坐标的设定方式与创建PMOS 晶体管时设定的方法一致。
(5) 调用PMOS 和NMOS 晶体管作为例化单元。
使用Cell---Instance 命令来调用PMOS 单元。
在出现的Select Cell to Instance 对话框中，通过点击Browse按钮浏览到“MOS”文件，可以看到该文件下面有PMOS 和NMOS 两个单元，点击PMOS，然后点击“OK”，可以看到Inverter 文件cell0 单元的版图已经添加了PMOS 单元。
利用同样的方法，可以将NMOS 单元也添加进来。
(6) 连接PMOS 和NMOS 晶体管的栅极。
从CMOS 反相器电路可知，PMOS晶体管和NMOS 晶体管的栅极要连在一起作为反相器的输入端，所以在放置这两个晶体管的时候可以将两者的栅极对准，以便连接。
具体操作是，选择Layer的多晶硅(Poly)层和方框绘图工具后，在版图区域中画一个宽度与晶体管栅极相等的多晶硅矩形，如图1 所示。
cmos反相器逻辑电路设计的方法CMOS反相器是基本的逻辑门之一，可以用来构建更复杂的逻辑电路。
以下是设计CMOS反相器逻辑电路的方法：
1.选择合适的器件：CMOS反相器由PMOS和NMOS组成，
需要选择合适的器件来满足电路的要求。
通常，PMOS
的沟道为空穴，具有高电导率，适合作为开关，而NMOS
的沟道为电子，具有低电导率，适合作为负载。
2.设计电路结构：根据反相器的设计要求，设计电路结构，
包括PMOS和NMOS的排列方式、输入和输出的连接方式
等。
3.确定参数：根据电路的要求，确定参数，如阈值电压、
静态电流、动态电流等。
4.进行模拟验证：使用电路模拟软件进行验证，确认电路
的功能和性能是否达到设计要求。
5.进行版图设计：根据电路设计的要求，进行版图设计，
包括器件的排列、布线、电学参数的优化等。
6.进行制造和测试：将版图提交给制造厂家进行制造，并
进行测试，确认电路的性能和可靠性是否符合设计要
求。
需要注意的是，在设计CMOS反相器逻辑电路时，需要考虑电路的稳定性、速度、功耗等因素，以满足实际应用的要求。
同时，还需要遵循基本的电路设计规则和安全规范，如避免电流过大、避免信号过冲等。
集成电路集中上机实验报告——反相器、与非门设计学院：专业：姓名：学号：一、实验目的（一）全面了解Schematic设计环境，并学会运用（二）掌握与非门、或非门、反相器等电路原理图输入方法（三）掌握逻辑符号创建方法二、实验原理启动Schematic Editor后，在命令解释窗口CIW中，打开任意库与单元中的Schematic视图，浏览Schematic Editing窗口，具体介绍如下：图2.1 Schematic Editing窗口菜单栏中可选菜单有Tool、Design、Window、Edit、Add、Check、Sheet、Options等项。
图标栏内的所有命令都可以在菜单栏实现，图标栏提供使用频率较高的一些菜单为快捷方式，旨在提高设计效率。
在设计过程中，除了可以使用图标快捷方式外，还有盲键（Bindkey）快捷方式。
Cadence系统安装过程中已经设置了通用的盲键，但用户可以根据自己的需要自行设置，在CIW窗口中，选择Options→Bindkeys，可以对所有设置的盲键自定义。
Cadence系统支持3D鼠标，左、中、右分别定义为LMB、MMB、RMB。
LMB用于点击和选择之用，MMB用于辅助编辑，RMB与LMB配合使用，在调查元件属性，局域放大，元件旋转等方面都有应用，在具体实验过程中有详细说明。
在所有元件的添加中，必须定义元件的属性。
最后，为了后续设计中执行仿真，每个元件必须具有物理模型（Model），在lab3中将有实例说明。
三、电路原理图设计的一般流程（一）创建库与视图（二）添加元件：在Schematic Editing窗口中，选择Add→Instance。
（三）添加Pins ：在左侧Tool bar图标栏中选择pin icon图标，出现Add form，在Pin names栏中输入。
（四）添加Sources和Ground：选择Add→Instance，在Library column中选择analogLib，再选择vdd并添加到schematic中。
