【正文】 文 劉旭波 2 【摘要】 現(xiàn)代社會正在飛速的發(fā)展，集成電路已經(jīng)成為現(xiàn)代科技發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)代技術(shù)產(chǎn)業(yè)的心臟，可以說，沒有集成電路，就沒有現(xiàn)代社會。集成電路發(fā)展迅猛，按功能結(jié)構(gòu)分類 集成電路可以分為模擬集成電路、數(shù)字集成電路和數(shù) /?；旌霞呻娐啡箢悺０粗谱鞴に嚪诸惣呻娐房煞譃榘雽?dǎo)體集成電路和膜集成電路。按集成度高低分類集成電路可分為 SSI 小規(guī)模集成電路、 MSI 中規(guī)模集成電路、 LSI 大規(guī)模集成電路、 VLSI 超大規(guī)模集成電路、 ULSI 特大規(guī)模集成電路、 GSI 巨大規(guī)模集成電路也被稱作極大規(guī)模集成電路或超特大規(guī)模集成電路。其中 38 譯碼器是集成電路設(shè)計中一個典型的芯片，集成電路設(shè)計方法、原理和流程是可以從中體現(xiàn)出來。 【關(guān)鍵詞】：集成電路設(shè)計 74HC138 Tranner Pro 版圖 集成電路 課程設(shè)計論文 劉旭波 3 1. 設(shè)計目的與任務(wù) 本課程設(shè)計是《集成電路分析與設(shè)計基礎(chǔ)》的實(shí)踐課程，其主要目的是使學(xué)生在熟悉集成電路制造技術(shù)、半導(dǎo)體器件原理和集成電路分析與設(shè)計的基礎(chǔ)上，訓(xùn)練綜合運(yùn)用已掌握的知識，利用相關(guān)軟件，初步熟悉和掌握集成電路芯片的系統(tǒng)設(shè)計→電路設(shè)計及模擬→版圖設(shè)計→版圖驗(yàn)證等正向設(shè)計方法。 2. 設(shè)計要求及內(nèi)容 器件名稱 38 線譯碼器的 74HC138 芯片 要求的電路性能指標(biāo) (1) 可驅(qū)動相當(dāng)于 25pF 電容負(fù)載 ； (2) 輸出高電平時， AIOH ?20? ， VVOH , ? (3) 輸出底電平時， mAIOL 4? ， VVOL , ? (4) 輸出級充放電時間 fr tt ? ， 15rt ns? (5) 工作電源 5V，常溫工作，工作頻率 MHzfwork 30? ， 計算 總功耗 P。 設(shè)計內(nèi)容 (1) 功能分析及邏輯設(shè)計； (2) 電路設(shè)計； (3) 估算功耗與延時； (4) 電路模擬與仿真； (5) 版圖設(shè)計（全手工、層次化設(shè)計） ； (6) 版圖檢查： DRC 與 LVS； (7) 后仿真 (選做 )； (8) 版圖數(shù)據(jù)提交。 設(shè)計要求 (1) 按題目要求，獨(dú)立完成設(shè)計全過程； (2) 設(shè)計時使用的工藝及設(shè)計規(guī)則； (3) 根據(jù)所用的工藝，選取合理的模型庫，使用其參數(shù)進(jìn)行相關(guān)計算 ； 集成電路 課程設(shè)計論文 劉旭波 4 (4) 選用以 lambda(λ )為單位的設(shè)計規(guī)則。 3. 設(shè)計方法及分析 74HC138 芯片簡介 74HC138 譯碼器可接受 3 位二進(jìn)制加權(quán)地址輸入（ A0, A1 和 A2），并當(dāng)使能時，提供 8 個互斥的低有效輸出（ Y0 至 Y7）。 74HC138 特有 3 個使能輸入端：兩個低有效（ E1 和 E2）和一個高有效（ E3）。除非 E1 和 E2 置低且 E3 置高，否則 74HC138將保持所有輸出為高。它的管腳圖如圖 31 所示，其邏輯真值表如表 31 所示。 圖 31 74HC138引腳圖 表 31 74HC138真值表 INPUTS 輸入 Outputs 輸出 ENABLE 使能 ADDRESS 地址 E3 E2 E1 A2 A1 A0 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 X X H X X X H H H H H H H H L X X X X X H H H H H H H H X H X X X X H H H H H H H H H L L L L L L H H H H H H H H L L L L H H L H H H H H H H L L L H L H H L H H H H H H L L L H H H H H L H H H H H L L H L L H H H H L H H H H L L H L H H H H H H L H H H L L H H L H H H H H H L H H L L H H H H H H H H H H L 74HC138 邏輯表達(dá)式： )( 0120 AAAY ? )( 0124 AAAY ? 集成電路 課程設(shè)計論文 劉旭波 5 )( 0121 AAAY ? )( 0125 AAAY ? )( 0122 AAAY ? )( 0126 AAAY? )( 0123 AAAY ? )( 0127 AAAY ? 74HC138 的邏輯圖如圖 32 所示： 圖 32 74HC138邏輯圖 工藝和規(guī)則及模型文件的選擇 根據(jù)設(shè)計要求，選取 MOSIS: mhp_ns5 作為工藝及設(shè)計規(guī)則，從 文件可知： Technology: (Lambda = ) / Nwell，本設(shè)計采用的參數(shù)如下： m??? ?? 根據(jù)所選擇的工藝，本設(shè)計選取的 CMOS 流程元件模型文件 ，使用其參數(shù)進(jìn)行相關(guān)計算。 模型文件的參數(shù)如下所示： 集成電路 課程設(shè)計論文 劉旭波 6 電路設(shè)計 輸出級電路設(shè)計 根據(jù)要求，輸出級等效電路 如圖 33 所示，輸入 Vi 為前一級的輸出，可認(rèn)為是理想的輸出，即 DDiHssiL VVVV ?? , 。 集成電路 課程設(shè)計論文 劉旭波 7 圖 33 輸出級等效電路 (1) 輸出級 N 管 (W/L)N 的計算 當(dāng)輸入為高電平時，輸出為低電平， N 管導(dǎo)通，后級 TTL 有較大的灌電流輸入，要求 mA4?OLI ， , ?manOLV ，依據(jù) MOS 管的理想電流統(tǒng)一方程式： ])()[()( 2221 DTGSTGLWoxnds VVVVVVCI ?????????? ? 可以求出 (W/L)N 的值。其主要計算如下 : ? ? ? ?? ?222 dtngStngoxn ds nN VVVVVVC ILW ???????????? ? =? ? ? ?32272 4 1035 0 4 10 5 1 0 5 1 ??????? ? ? ? ? ? ? ? ??? =≈ 22 (2) 輸出級 P 管 ? ? / pLW 的計算 當(dāng)輸入為低電平時，輸出為高電平， P 管導(dǎo)通。同時要求 N 管和 P 管的充放電時間 fr tt ? ，分別求這兩個條件下的 ? ? / min,PLW 極限值，然后取大者。 ① 以 A20??OHI , , ?OHV 為條件計算 ? ? / min,PLW 極限值，用 MOS 管理想電流方程統(tǒng)一表達(dá)式： ])()[()( 2221 DTGSTGLWoxpds VVVVVVCI ?????????? ? 可以求出 ? ? / pLW 的值。其主要計算如下： ? ? ? ?? ?222 dtpgstpgoxp ds pP VVVVVVC ILW ???????????? ? 集成電路 課程設(shè)計論文 劉旭波 8 ? ? ? ?62272 20 1010 0 4 10 0 1 5 0 1 54 491???????? ? ? ? ? ? ? ????? ② 以 fr tt ? 為條件計算 ? ? / min,PLW 的極限值 N 管和 P 管的充放電時間 rt 和 ft 表達(dá)式分別為 ? ?? ? ? ? ??????????? ???????????????? 2 dd tnddtnddtndd ddtnnnox Lf V VVVVVV VVWLC Ct ? ? ?? ? ? ? ??????????? ?????????????????? ddtpddtpddtpddddtpppoxLr V VVVVVVVVWLCCt 2? 其計算過程如下： 由 fr tt ? ，故有 ? ?? ? ? ? ??????????? ??????????????? dd tnddtnddtndd ddtnnn V VVVVVV VVWL 21? = ? ?? ? ? ? ??????????? ????????????????ddtpddtpddtpddddtppp VVVVVVVVVWL21? 令 ? ?? ? ? ?? ?? ? ? ?222 0 .1 1 9 2 01 ln2 1 0 .1 5 1 1 9 5 2 0 1 l n5 1 551 0 .7 3 9 5tn dd dd tnndd tn dddd tnVV VVKV V VVV? ????????????? ? ? ???????? ???? ? ?? ? ? ?? ?? ? ? ?222 19 201ln2 1 5 1 19 5 20 1 l n5 1 551 39 5tp dd dd tppdddd tpdd tpVV VVKVVVVV??? ??????? ???? ? ? ???????? ???? 0 . 7 3 9 5 3 5 0 = 7 70 . 7 3 9 5 1 0 0pnWWLL ?? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? 在兩種方法中，因?yàn)??中的 ? ? / PLW 大于 ?中的 ? ? / PLW ，故取方法 ?中計算的結(jié)果，即 77PWL??????? 。 集成電路 課程設(shè)計論文 劉旭波 9 ． 內(nèi)部基本反相器中的各 MOS 尺寸的計算 內(nèi)部基本反相器如圖 34所示，它的 N管和 P管尺寸依據(jù)充放電時間