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淺析集成電路的發(fā)展與前景以及CMOS全減器設(shè)計(jì)與分析

2020-05-06 09:17沙烽
科學(xué)與財(cái)富 2020年5期
關(guān)鍵詞:集成電路

沙烽

摘 要:在經(jīng)濟(jì)技術(shù)快速發(fā)展的背景下,集成電路(IC)產(chǎn)業(yè)也發(fā)展迅速。集成電路將多個(gè)基本計(jì)算單元和有源器件集成在一個(gè)集成電路中,使電子產(chǎn)品體積更小,核心運(yùn)算更快,以滿足當(dāng)今的計(jì)算和使用需求。全減器是芯片運(yùn)算電路的核心和基本功能,實(shí)現(xiàn)了二進(jìn)制減法運(yùn)算。它是集成電路中最基本的單元,滿足了人們對(duì)信息處理的最基本的需求。本設(shè)計(jì)介紹了全減器的基本知識(shí)。根據(jù)集成電路的設(shè)計(jì)方法和要求,進(jìn)行全減器的邏輯電路圖和版圖設(shè)計(jì)。在邏輯電路圖的設(shè)計(jì)中,我們運(yùn)用所學(xué)知識(shí),在全減器真值表的基礎(chǔ)上構(gòu)造原理圖。在版圖設(shè)計(jì)部分,介紹了如何用邏輯電路圖設(shè)計(jì)全減器集成電路以及在繪制版圖時(shí)應(yīng)注意的細(xì)節(jié)。

關(guān)鍵詞:集成電路;全減器;版圖設(shè)計(jì)

一、前言

隨著工業(yè)文明的快速發(fā)展,人們?cè)郊右蕾囯娮赢a(chǎn)品。這些電子產(chǎn)品是集成電路發(fā)展的產(chǎn)物。集成電路將數(shù)億個(gè)晶體管和有源器件集成在一塊硅片上,使得攜帶電子產(chǎn)品更加容易。

本文研究的減法器作為集成電路芯片的核心運(yùn)算單元,決定了芯片的速度。因此,一個(gè)合理、優(yōu)良的全減器單元是一個(gè)好的CPU的基礎(chǔ)。

接下來(lái),本文將簡(jiǎn)要介紹全減法器的基本知識(shí),根據(jù)邏輯電路圖的功能分析設(shè)計(jì)邏輯電路圖。通過(guò)本次設(shè)計(jì)對(duì)芯片的設(shè)計(jì)有一個(gè)初步的了解,對(duì)今后的其它設(shè)計(jì)有一定的參考意義。

二、全減器在集成電路中的作用

(一)全減器的簡(jiǎn)介

全減法是兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)減法的運(yùn)算單位。最簡(jiǎn)單的總減法器是基于標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果和借來(lái)顯示的。在二進(jìn)制系統(tǒng)中通過(guò)借一取二來(lái)通過(guò)改變兩個(gè)輸出變量的電平,從而實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算。在計(jì)算機(jī)中,通過(guò)一些計(jì)算可以被處理、加密以及用其他計(jì)算器解碼。

(二)全減器的作用

數(shù)字減法器電路是構(gòu)成集成電路的重要基礎(chǔ)電路,是集成電路設(shè)計(jì)與分析的重要環(huán)節(jié)。在算術(shù)運(yùn)算電路中,減法器作為組合邏輯電路的基本單元電路舉例具有一定的代表性,熟悉全減器的邏輯功能以及電路實(shí)現(xiàn)有助于加深我們對(duì)組合邏輯電路的理解和掌握。

在電路工作過(guò)程中,延時(shí)使得電路在周期內(nèi)得到的輸出結(jié)果與理論上電路邏輯輸出結(jié)果存在誤差,可能導(dǎo)致整個(gè)電路工作異常甚至崩潰。而全減器是CPU等運(yùn)算電路的核心,其速度和功耗等方面的性能直接影響到集成電路的整體性能。

三、CMOS全減器集成電路的原理圖設(shè)計(jì)

(一)全減器原理分析

不帶進(jìn)位減我們稱之為半減,帶進(jìn)位減稱之為全減法。將兩個(gè)多位二進(jìn)制數(shù)相減,除了最低位以外,每一位都應(yīng)該考慮來(lái)自低位的借位,即將兩個(gè)對(duì)應(yīng)位的加數(shù)和來(lái)自低位的借位3個(gè)數(shù)相減。這種運(yùn)算稱為全減,所用的電路稱為全減器電路。

根據(jù)二進(jìn)制運(yùn)算法可以列出1位全減器的真值表,再根據(jù)真值表我們又可以分析出它的卡諾圖,然后由卡諾圖分析化簡(jiǎn)可得出邏輯函數(shù),綜上我們可以畫出全減器的邏輯圖

通過(guò)邏輯圖我們了解到一個(gè)全減器是由兩個(gè)異或門、三個(gè)與非門、及一個(gè)非門(通過(guò)反相器構(gòu)成)來(lái)組成,這些門構(gòu)成了全減器的功能。

(二)全減器原理圖的設(shè)計(jì)

通過(guò)分析真值表及其邏輯式的演算結(jié)合元器件的特性設(shè)計(jì)出全減器的邏輯電路圖,下面需要對(duì)其原理圖進(jìn)行設(shè)計(jì),我們需要使用Tanner軟件中的S-Edit來(lái)繪制電路原理圖。

通過(guò)選取元件我們可以繪制反相器、兩輸入與非門和兩輸入異或門。為了達(dá)成目標(biāo),需要用到NMOS,PMOS,Vdd與Gnd這4個(gè)模塊,所以我們要從組件庫(kù)中復(fù)制NMOS,PMOS,Vdd與Gnd這4個(gè)模塊到PLUS文件。在完成這些后,下面我們將會(huì)開始進(jìn)行CMOS反相器、兩輸入與非門、兩輸入異或門的繪制。

完成我們所需器件原理圖繪制之后,我們將參照邏輯電路圖進(jìn)行原理圖的排版與連線,在連線中不能出現(xiàn)十字交叉及短路、斷路現(xiàn)象,所有器件應(yīng)準(zhǔn)確接入電源。

四、版圖設(shè)計(jì)

(一)設(shè)計(jì)版圖的基礎(chǔ)知識(shí)

在完成全減器電路的設(shè)計(jì)后,我們依照原理圖進(jìn)行其電路版圖的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)開始前,我們需要先了解N阱(N-WELL)、有源區(qū)、多晶硅柵極和通孔及金屬連線的定義和使用規(guī)則。

在COMS工藝中,N型晶體管直接做在晶片的襯底上,而P型晶體管需要做在N阱中的,所以在制作芯片時(shí),我們要先輕參雜工藝來(lái)制作出N阱,再進(jìn)行PMOS管的制作。

(二)通過(guò)軟件設(shè)計(jì)全減器電路版圖

我們通過(guò)Tanner軟件中的L-Edit來(lái)編輯電路圖,首先我們進(jìn)入電路版圖設(shè)計(jì),

1.打開L-Edit程序,執(zhí)行File-New命令,在菜單欄中輸入本次工程名,完成后保存;

2.圖層菜單標(biāo)識(shí)及選取操作介紹:

在L-Edit軟件編輯中,系統(tǒng)默認(rèn)我們是在P型硅襯底上,所以我們?cè)诶L制過(guò)程中并不需要進(jìn)行更改。

在軟件主界面圖中,左側(cè)有一個(gè)Layers面板,鼠標(biāo)單擊下拉列表,便會(huì)看到繪制版圖時(shí)需要選取的圖層。

3.環(huán)境設(shè)定

在繪制版圖之前,首先要有確實(shí)的大小,所以我們?cè)诶L圖之前要設(shè)定坐標(biāo)與實(shí)際長(zhǎng)度的關(guān)系。接下來(lái)我們選擇Setup命令,然后打開Design對(duì)話框,在Technology選項(xiàng)卡中出現(xiàn)使用技術(shù)的名稱、單位與設(shè)定,我們選用技術(shù)單位Technology units為以Lambda為單位,而Lambda單位與內(nèi)部單位Internal Unit的關(guān)系可在Technology setup選項(xiàng)組中進(jìn)行設(shè)定。如下圖所示,我們?cè)O(shè)定一個(gè)Lambda為1000個(gè)Internal Unit,也設(shè)定一個(gè)Lambda等于一個(gè)Micron。接著我們選擇Grid選項(xiàng)卡,其中包括使用格點(diǎn)顯示設(shè)定、鼠標(biāo)停格設(shè)定與坐標(biāo)單位設(shè)定。設(shè)定結(jié)果為1個(gè)格點(diǎn)距離等于1個(gè)坐標(biāo)單位也等于1個(gè)Micron。

4.編輯組件

L-Edit編輯方式是以組件(Cell)為單位的,每一個(gè)文件可有多個(gè)組件,每一個(gè)組件表示一種電路圖的布局說(shuō)明,在我們每次打開新文件時(shí)也自動(dòng)打開一個(gè)組建,L-Edit軟件會(huì)自動(dòng)為我們以CELL來(lái)命名保存,我們也可根據(jù)需要選擇是否重命名。

6.繪制版圖注意事項(xiàng):

在使用L-Edit繪圖時(shí),應(yīng)先考慮好各個(gè)元器件的擺放位置,如何巧妙地連接,巧妙運(yùn)用到多層金屬,也應(yīng)考慮到電源線的走線。在確定這些后,我們也要考慮整體版圖的景觀,應(yīng)做到注意對(duì)稱性能的差異,這有主有提升電路性能。

芯片的輸入和輸出這兩端,在左側(cè)的為信號(hào)輸入,右側(cè)輸出的最佳分配,這樣我們就可以減少輸出到地磁干擾的輸入。

為傳輸高頻信號(hào),必須避免降低層間電容的干擾;同時(shí)由于金屬或較長(zhǎng)多晶硅材料的電阻效應(yīng),走長(zhǎng)線會(huì)導(dǎo)致更大的電阻值,這樣會(huì)產(chǎn)生防止寄生電阻而影響了電路的性能,所以在電路布線時(shí)不能走很長(zhǎng)的線。

五、結(jié)束語(yǔ)

全減器是芯片運(yùn)算電路的核心和基本功能,實(shí)現(xiàn)了二進(jìn)制減法運(yùn)算。

本論文主要使用集成電路進(jìn)行全減的電路設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)中采用反相器、與非門、異或門,其特點(diǎn)是運(yùn)用種類、數(shù)量最少的門電路,以減少電路中的信號(hào)延遲,提高運(yùn)算速度,且其中的連線也較少,十分方便。我們?cè)谶M(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí),具體方法應(yīng)視實(shí)際情況而定。

參考文獻(xiàn):

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