集成电路课程设计

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1、集成电路课程设计1.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。2.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：（1）可驱动10个LSTTL电路（相当于15pF电容负载）；（2）输出高电平时，

2、IOH

3、≤20μA，VOH，min=4.4V；（3）输出底电平时，

4、IOL

5、≤4mA，VOL，man=0.4V；（

6、4）输出级充放电时间tr=tf　，tpd＜25ns；（5）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1.独立完成设计74HC139芯片的全过程；2.设计时使用的工艺及设计规则：MOSIS:mhp_n12；3.根据所用的工艺，选取合理的模型库；4.选用以lambda(λ)为单位的设计规则；5.全手工、层次化设计版图；6.达到指导书提出的设计指标要求。3.设计方法与计算3.174HC139芯片简介3374HC139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

7、：图174HC139芯片管脚图表174HC139真值表片选输入数据输出CsA1A0Y0Y1Y2Y30000111001101010110101111101××1111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：3374HC139的逻辑图如图2所示：图274HC139逻辑图1.1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

8、下：NMOS:εox=3.9×8.85×10﹣12F/mμn=605.312×10﹣4㎡/Vstox=395×10﹣10mVtn=0.81056VPMOS:εox=3.9×8.85×10﹣12F/mμp=219×10﹣4㎡/Vstox=395×10﹣10mVtp=﹣0.971428V3.2.1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。33图3输出级电路（1）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

9、IOL

10、≤4mA，VOL，man

11、=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。1.以

12、IOH

13、≤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：33因此,则，1.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）P=1403

14、.2.2内部反相器中各MOS管的尺寸计算内部基本反相器如图4所示，它的N管和P管尺寸依据充放电时间tr和tf方程来求。关键点是先求出式中CL（即负载）。33图4内部反相器它的负载由以下三部分电容组成：①本级漏极的PN结电容CPN；②下级的栅电容Cg；③连线杂散电容CS。①本级漏极的PN结电容CPN的计算CPN＝Cj×（Wb）+Cjsw×(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

15、。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②栅电容Cg的计算Cg＝Cg，N＋Cg，P＝＋＝（WN＋WP）L33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