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MOS集成电路--CMOS反相器电路仿真及版图设计

MOS管集成电路设计

题目：CMOS反相器电路仿真及版图设计

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学号：***********

集成电路版图设计

专业：通信工程

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2014年6月1日

摘要

本文介绍了集成电路设计的相关思路、电路的实现、SPICE电路模拟软件和LASI7集成电路版图设计的相关用法。主要讲述CMOS反相器的设计目的、设计的思路、以及设计的过程，用SPICE电路设计软件来实现对反相器的设计和仿真。集成电路反相器的实现用到NMOS和PMOS各一个，用LASI7实现了其版图的设计。

关键字：集成电路 CMOS反相器　LTSPICE LASI7

引言

CMOS技术自身的巨大潜力是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体现。集成电路的应用渗透到工业、农业、国防以及人们生活的方方面面。首先，计算机给人类带来了飞跃式的发展，计算机带来了通信和网络的出现，而现在的通信网络的发展带来了经济的发展，现在的互联网信息传输有速度快、信息可以准确可靠、而且信息量很大。

为了满足日益增大的信息处理能力的需求，主要从实现图形最小尺寸的工艺精度和提高单位面积晶体管数目的集成度两个方面来努力，还要综合考虑满足电路功能以及工作频率和功耗的性能指标。

本文介绍的是用SPICE软件设计集成电路，设计的是一个简单CMOS反相器，对其进行简单的仿真分析，并用LASI对其进行版图的设计。虽然很简单，但是其用处很大，集成电路里都是由成千上万的简单逻辑电路组成，最终实现其强大功能。要设计出出的集成电路芯片，需要从很小的逻辑单元开始设计开始磨练。

一、概述

1.1 MOS集成电路简介

MOS集成电路是以金属-氧化物-半导体（MOS）场效应晶体管为主要元件构成的集成电路，简称MOSIC 。1964年研究出绝缘栅场效应晶体管。直到1968年解决了MOS器件的稳定。

1.2 MOS集成电路分类

按晶体管的沟道导电类型，可分为P沟MOSIC、N沟MOSIC以及将P沟和N沟MOS晶体管结合成一个电路单元的互补MOSIC，分别称为PMOS 、NMOS和CMOS集成电路。随着工艺技术的发展，CMOS集成电路已成为集成电路的主流，工艺也日趋完善和复杂，由P阱或N阱CMOS发展到双阱CMOS工艺。80年代又出现了集双极型电路和互补金属-氧化物-半导体（CMOS）电路优点的BiCMOS集成电路结构。按栅极材料可分为铅栅、硅栅、硅化物栅和难熔金属（如钼、钨）栅等MOSIC，栅极尺寸已由微米进入亚微米（0.5～1微米）和强亚微米（0.5微米以下）量级。此外，还发展了不同的MOS集成电路结构的MOSIC：如

浮栅雪崩注入MOS（FAMOS）结构，用于可擦写只读存贮器；扩散自对准MOS（DMOS）结构和V型槽MOS结构等，可满足高速、高电压要求。近年来发展了以蓝宝石为绝缘衬底的CMOS结构，具有抗辐照、功耗低和速度快等优点。MOSIC广泛用于计算机、通信、机电仪器、家电自动化、航空航天等领域，可使整机体积缩小、工作速度快、功能复杂、可靠性高、功耗低和成本便宜等。

1.3 MOS集成电路的优点

①制造结构简单，隔离方便。

②电路尺寸小、功耗低适于高密度集成。

③MOS管为双向器件，设计灵活性高。

④具有动态工作独特的能力。

⑤温度特性好。其缺点是速度较低、驱动能力较弱。一般认为MOS集成电路功耗低、集成度高，宜用作数字集成电路；双极型集成电路则适用作高速数字和模拟电路。

二、LTspice电路仿真

2.1 SPICE简介

Spice是Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis的缩写，是一种功能强大的通用模拟电路仿真器，自从Spice问世以来，其版本的更新持续不断， LTspice是集成电路仿真分析软件其中之一，它是Linear Technology公司开发的一个可视化的图形输入电路仿真软件，在windows操作系统下运行。

2.2 CMOS反相器LTspice仿真过程

CMOS反相器所用到的MOS管有l个NMOS和一个PMOS，首先要对其以正确的方式连起来，这就得对MOS管有一定的掌握，然后用LTSPICE对电路进行仿真，最后用LASI7设计成生产用的物理层结构。

2.2.1实现方案

本次电路实现的是CMOS反相器，就是用MOS管来实现电路功能，它们的电路连接方式如图2.2-1所示：

图2.2-1

分析其工作原理，当输入为高电平是，NMOS管M1导通，PMOS管M2截止，这时通过NMOS管M1的电流仅仅是PMOS管M2的漏电流。这个漏电流非常小，流过处于导通状态的NMOS管M1，在NMOS管MI上的电压降非常小，似的输出电压十分接近0V。当输入为低电平时，情况刚好相反，PMOS管M2导通，NMOS管M1截止，这时通过PMOS管M2的电流仅是NMOS管M1的漏电流，在PMOS管M2 上的电压降非常小，所以使得电压VOH = VDD。其真值表和相应的MOS导通情况如图2.2-2所示：