ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ VLSI Δρ. ΕΥΣΤΑΘΙΟΣ ΚΥΡΙΑΚΗΣ-ΜΠΙΤΖΑΡΟΣ ΑΝΑΠΛΗΡΩΤΗΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ 2011
ΠΡΟΛΟΓΟΣ Στο φυλλάδιο αυτό περιλαμβάνονται οι ασκήσεις του Eργαστηρίου Σχεδίασης Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI, το οποίο διδάσκεται στο 6 ο εξάμηνο του Τμήματος Ηλεκτρονικής του ΤΕΙ Πειραιά. Σκοπός του εργαστηρίου είναι η εξοικείωση των σπουδαστών με τις τεχνικές και τα εργαλεία σχεδίασης ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Η ύλη του εργαστηρίου είναι προσανατολισμένη στα CMOS ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα και εκτείνεται από τη σχεδίαση και εξομοίωση ενός τρανζίστορ (n-mos και p-mos) το οποίο είναι το βασικό στοιχείο κάθε κυκλώματος, έως το σχεδιασμό και την εξομοίωση μίας αριθμητικής λογικής μονάδας ενός ψηφίου (1-bit ALU). Σε κάθε άσκηση αναφέρονται οι παράγραφοι του βιβλίου Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα, Μία Σχεδιαστική Προσέγγιση, J.M. Rabaey, A. Chandrakasan, B. Nikolic, Εκδόσεις Κλειδάριθμος 2006, Μετάφραση-Επιμέλεια για την ελληνική γλώσσα Σ. Νικολαϊδης, Γ. Θεοδωρίδης, και Λ. Μπισδούνης, στις οποίες περιλαμβάνεται το θεωρητικό υπόβαθρο που είναι απαραίτητο για την επιτυχή εκτέλεσή της. Για την πραγματοποίηση των ασκήσεων του εργαστηρίου γίνεται χρήση λογισμικού, το οποίο είναι διαθέσιμο σε προσωπικούς υπολογιστές (PCs). Συγκεκριμένα για το φυσικό σχεδιασμό (layout) και την εξομοίωση των κυκλωμάτων σε επίπεδο τρανζίστορ χρησιμοποιείται το εργαλείο MICROWIND, ενώ για το λογικό σχεδιασμό και εξομοίωση το DSCH. Τα βασικά στοιχεία των παραπάνω εργαλείων διδάσκονται στα πλαίσια του εργαστηρίου. Πλήρης οδηγός χρήσης με πολλά παραδείγματα (user s manual) είναι διαθέσιμος στη δικτυακή διεύθυνση: http://www.microwind.net/ Το υλικό του παρόντος φυλλαδίου σε μορφή pdf με έγχρωμες εικόνες, οι οποίες διευκολύνουν ιδιαίτερα στην πραγματοποίηση των ασκήσεων, βρίσκεται στη δικτυακή διεύθυνση του Εργαστηρίου Σχεδίασης Ψηφιακών Συστημάτων του Τμήματος Ηλεκτρονικής http://digilab.teipir.gr. Παρατηρήσεις που στοχεύουν στη βελτίωση του περιεχομένου φυλλαδίου και τη διόρθωση σφαλμάτων είναι ευπρόσδεκτες. Ε. Κυριάκης-Μπιτζάρος
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΑΣΚΗΣΗ 1η: Εισαγωγή στο φυσικό σχεδιασμό Χαρακτηριστικές I-V transistor...3 ΑΣΚΗΣΗ 2η: Εξομοίωση n-mos και p-mos transistor...10 ΑΣΚΗΣΗ 3η: Ο αντιστροφέας (inverter) CMOS...16 ΑΣΚΗΣΗ 4η: Παραμετρική εξομοίωση αντιστροφέα CMOS με φορτίο...25 ΑΣΚΗΣΗ 5η: Βασικές στατικές λογικές πύλες CMOS...27 ΑΣΚΗΣΗ 6η: Πολύπλοκες λογικές πύλες CMOS...31 ΑΣΚΗΣΗ 7η: Πλήρης αθροιστής (full-adder) 4-ψηφίων...34 ΑΣΚΗΣΗ 8η: Ακολουθιακά κυκλώματα D-latch και D-flip-flop...37 ΑΣΚΗΣΗ 9η-10η: Αριθμητική λογική μονάδα ενός ψηφίου (1-bit ALU)...39 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 1: Κανόνες Σχεδιασμού...46 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 2: Αρχείο τεχνολογίας CMOS 0.12μm...50 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 3: Παράμετροι SPICE μοντέλων του MOS τρανζίστορ...56 1
2
ΑΣΚΗΣΗ 1η ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟ ΦΥΣΙΚΟ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟ XΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ I V TRANSISTOR ΘΕΩΡΙΑ 1. Εισαγωγή στο φυσικό σχεδιασμό (layout) και την κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. (Παρ. 2.1, 2.2, 2.3, Ένθετο Α & Παράρτημα 1 του φυλλαδίου) 2. Αρχείο τεχνολογίας (technology file) (Παράρτημα 2, του φυλλαδίου) 3. Το MOS transistor (Παρ. 3.3.1, 3.3.2 έως τη σελίδα 133, Παρ. 3.3.4) 4. Μοντέλα transistor στο Microwind (Παράρτημα 3 του φυλλαδίου) ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΜΕΡΟΣ Α': ΦΥΣΙΚΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ Α. Το εργαλείο σχεδιασμού MICROWIND Ver. 2.5h. Το περιβάλλον εργασίας του εργαλείου σχεδιασμού Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI MICROWIND φαίνεται στο σχήμα 1.1 Σχήμα 1.1 Το περιβάλλον σχεδιασμού Ο.Κ. MICROWIND Στην πρώτη γραμμή υπάρχουν τα pull-down menus από όπου μπορούν να ξεκινήσουν όλες οι διαδικασίες του εργαλείου. Στη δεύτερη γραμμή υπάρχει μία σειρά από εργαλεία (toolbar) τα οποία ενεργοποιούνται με το πάτημα του αριστερού πλήκτρου του ποντικιού. Τέλος στη δεξιά πλευρά της επιφάνειας εργασίας εμφανίζεται μία παλέτα η οποία περιλαμβάνει τα επίπεδα του φυσικού σχεδιασμού για την επιλεγμένη τεχνολογία, μία σειρά από επαφές και στοιχεία (devices) που παράγονται αυτόματα καθώς και τα βασικά ηλεκτρικά στοιχεία (τάση 3
τροφοδοσίας, γείωση και γεννήτριες παλμών) που απαιτούνται για την εξομοίωση του κυκλώματος. Αν η παλέτα δεν εμφανίζεται στην οθόνη σας πρέπει να πατήσετε το πλήκτρο Show palette στη γραμμή εργαλείων. Στην τελευταία γραμμή του παραθύρου εμφανίζονται πληροφοριακά μυνήματα όπως η τεχνολογία που χρησιμοποιείται, η θέση του cursor και άλλα. Το εργαλείο Microwind χρησιμοποιεί για το φυσικό σχεδιασμό κανόνες λ και η κίνηση του cursor πάνω στην οθόνη γίνεται σε ακέραια πολλαπλάσια αυτού (snap to grid) ώστε να διευκολύνεται ο σχεδιασμός των σχημάτων με το ποντίκι. Β. Φυσικός σχεδιασμός (layout) nmos transistor με τη γεννήτρια στοιχείων (device generator). 1. Επιλέξτε την τεχνολογία CMOS 0.12 μm. Από το menu File --> Select foundry, ενεργοποιείται η φόρμα επιλογής αρχείου τεχνολογίας. Αναζητήστε στο directory που είναι εγκατεστημένο το Microwind το αρχείο κανόνων cmos012.rul και πατήστε το open. 2. Από το menu File --> Properties επιλέξτε το Set as default technology ώστε να ανοίγει πάντα το αρχείο με τη σωστή τεχνολογία. 3. Επιλέξτε από την παλέτα εργασίας το σύμβολο του τρανζίστορ (δεύτερη γραμμή συμβόλων, αριστερά). Στη φόρμα που εμφανίζεται συμπληρώστε τα στοιχεία όπως φαίνεται στο σχήμα 1.2. Σχήμα 1.2 H γεννήτρια transistor του Μicrowind 4. Πατήστε το Generate Device και κάνοντας κλικ με το αριστερό πλήκτρο του ποντικιού στην επιφάνειας εργασίας εμφανίζεται στο σημείο αυτό ένα τρανζίστορ με τις διαστάσεις καναλιού που έχουν επιλεγεί (W=0.24 μm και L=0.12 μm). Στo source και το drain του τρανζίστορ έχουν τοποθετηθεί επαφές και μέταλλα για να είναι δυνατή η σύνδεσή του με άλλα στοιχεία σε ένα κύκλωμα. Γ. Σχεδιασμός ενός pmos transistor με το χέρι (manually). 1. Δημιουργία της περιοχής πολυκρυσταλλικού πυριτίου (polysilicon) Επιλέξτε το επίπεδο του πολυκρυσταλλικού πυριτίου πατώντας το αντίστοιχο κουμπί πάνω στην παλέτα εργασίας. Στη συνέχεια επιλέγοντας με το mouse το εικονίδιο Draw box, από 4
την μπάρα εργαλείων (toolbar) σχεδιάστε μία λωρίδα πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Το εύρος της λωρίδας πρέπει να είναι 2λ, το οποίο είναι το ελάχιστο επιτρεπτό εύρος του πολυκρυσταλλικού πυριτίου και το οποίο δίνει για το μήκος του καναλιού του transistor (channel length) L=2λ=0.12μm. Το μήκος της λωρίδας να είναι τουλάχιστον 16λ. Στην κάτω αριστερή γωνία της οθόνης βλέπετε το μέγεθος της λωρίδας που εισάγετε. 2. Δημιουργία της περιοχής διάχυσης (diffusion) 2.1 Από το εικονίδιο measure distance της μπάρας εργαλείων τοποθετήστε τους μετρητές απόστασης όπως φαίνονται στο σχήμα 1.3, ώστε να επιβεβαιώνετε τις διαστάσεις των σχημάτων που σχεδιάζετε. 2.2. Αλλάξτε το επίπεδο σχεδιασμού σε διάχυση τύπου p (P+ diffusion, από την παλέτα εργασίας) και σχεδιάστε μία ορθογώνια περιοχή η οποία να τέμνει το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο. Η τομή μεταξύ αυτής της περιοχής και της λωρίδας πολυκρυσταλλικού πυριτίου δημιουργεί το κανάλι ενός PMOS στοιχείου, όπως φαίνεται στο σχήμα 1.3. Το μέγεθος της διάχυσης πρέπει να είναι 12λx16λ και πρέπει να τοποθετηθεί συμμετρικά ως προς τη λωρίδα του πολυκρυσταλικού πυριτίου. 7λ 7λ 16λ 16λ Σχήμα 1.3 Πολυκρυσταλλικό πυρίτιο και διάχυση με μετρητές απόστασης 3. Δημιουργία του πηγαδιού τύπου-n (n-well) Για να ολοκληρωθεί ο σχεδιασμός του pmos transistor, αλλάξτε το επίπεδο σχεδιασμού σε n-well από την παλέτα και σχεδιάστε μια ορθογώνια περιοχή γύρω από τη λωρίδα διάχυσης p-τύπου, που αποτελεί το πηγάδι μέσα στο οποίο αναπτύσσεται το pmos στοιχείο. Η περιοχή του n-well πρέπει να εκτείνεται τουλάχιστον 6λ γύρω από την περιοχή της διάχυσης, επομένως το μέγεθός της πρέπει να είναι τουλάχιστον 28λ x 24λ. 5
4. Τοποθέτηση επαφών (επαφή και μέταλλο) Από την παλέτα εργασίας επιλέξτε την επαφή p+diff/metal1 (πρώτη γραμμή, στη μέση) και τοποθετείστε στις γωνίες της διάχυσης τύπου p 4 επαφές όπως φαίνεται στο σχήμα 1.4. Σχήμα 1.4 Αρχική τοποθέτηση επαφών. 5. Διασύνδεση επαφών Ενώστε τις επαφές ανά δύο με metal1όπως φαίνεται στο σχήμα 1.5. Σχήμα 1.5 Τελική μορφή pmos transistor. 6. Έλεγχος των σχεδιαστικών λαθών Για να βεβαιωθείτε ότι δεν παραβιάζετε τους κανόνες σχεδιασμού μπορείτε σε όποια φάση της σχεδίασης θέλετε να επιλέξετε το εικονίδιο Design rule checker που βρίσκεται στην γραμμή εργαλείων του Microwind. Τότε το πρόγραμμα ελέγχει το κύκλωμα σας για τυχόν λάθη στη σχεδίαση σε σχέση με τους κανόνες σχεδιασμού που περιλαμβάνονται στο αρχείο της επιλεγμένης τεχνολογίας σχεδιασμού και σας υποδεικνύει τι λάθος έγινε και σε ποιο σημείο του κυκλώματος. Το τρανζίστορ που έχετε σχεδιάσει έχει δύο λάθη τα οποία πρέπει να διορθώσετε πριν συνεχίσετε στα επόμενα βήματα της άσκησης Δ. Τομή και 3-D απεικόνιση του transistor. 1. Επιλέξτε το αριστερό εικονίδιο Process view (πριόνι) για να δείτε μία κάθετη τομή του κυκλώματος. Η τομή αυτή ορίζεται σχεδιάζοντας μία ευθεία γραμμή πάνω στο κύκλωμα κρατώντας το αριστερό κουμπί του mouse πατημένο. Για παράδειγμα ξεκινώντας από τα 6
αριστερά του pmos στοιχείου στο ύψος των επαφών και πηγαίνοντας προς τα δεξιά, μπορείτε να παρατηρήσετε την εγκάρσια τομή του, όπως φαίνεται στο σχήμα 1.6. Σχήμα 1.6. Εγκάρσια τομή του pmos transistor. 2. Επιλέξτε το δεξί εικονίδιο Process View (3-D) για να δείτε μία βήμα προς βήμα τρισδιάστατη απεικόνιση της διαδικασίας κατασκευής του τρανζίστορ που σχεδιάσατε πάνω στην επιφάνεια του δισκιδίου (wafer) του πυριτίου. Από την αριστερή πλευρά της οθόνης με το ποντίκι μπορείτε να επιλέξετε τα στάδια της διαδικασίας κατασκευής που θέλετε να εμφανιστούν. Σχήμα 1.7 3-D απεικόνιση του pmos transistor. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΜΕΡΟΣ Β': ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ I V. Για την εξομοίωση των κυκλωμάτων το MICROWIND χρησιμοποιεί το SPICE. Υπάρχουν πολλά διαφορετικά μοντέλα για τα MOS transistors στο SPICE. Το παλαιότερο και απλούστερο είναι το level-1, το οποίο όμως δεν παρέχει ικανοποιητική ακρίβεια για τις σύγχρονες τεχνολογίες. Το πληρέστερο μοντέλο που διαθέτει το MICROWIND είναι το BSIM4, το οποίο έχει σημαντικά μεγαλύτερο αριθμό παραμέτρων από το level-1 γεγονός που έχει επίπτωση στην ταχύτητα της εξομοίωσης του κυκλώματος, αλλά παρέχει αξιόπιστα αποτελέσματα. 1. Ανοίξτε ένα νέο αρχείο με το MICROWIND. 2. Eπιλέξτε το εικονίδιο Simulate MOS Characteristics. Στην οθόνη θα εμφανιστούν οι χαρακτηριστικές I-V όπως φαίνονται στο σχήμα 2.1. 7
Σχήμα 2.1 Χαρακτηριστικές I V MOS transistor στο Microwind Στην αριστερή πλευρά της οθόνης μπορείτε να επιλέξετε το μοντέλο του transistor που θα χρησιμοποιήσετε (level1, level3, BSIM4). Ακριβώς κάτω από τις χαρακτηριστικές τα δύο πρώτα buttons αλλάζουν την κλίμακα του κατακόρυφου άξονα, ενώ στα επόμενα πεδία μπορείτε να αλλάξετε το εύρος και το βήμα των τάσεων των χαρακτηριστικών. Από το tab MOS size στην τελευταία γραμμή της οθόνης μπορείτε να επιλέξετε διαφορετικά μεγέθη transistors ενώ στο τέλος της γραμμής επιλέγετε τον τύπο του transistor (n-mos ή p-mos). 3. Αλλάξτε την μέγιστη τιμή του Vds από 1.2 V σε 2.4 V. 4. Επιλέξτε διαδοχικά τα τρία διαθέσιμα μοντέλα του transistor και παρατηρείστε τς διαφορές στη μορφή των καμπυλών. 5. Επιλέξτε μέγεθος transistor W=0,24μm, L=0,12μm και συμπληρώστε τις 4 πρώτες στήλες του παρακάτω πίνακα για nmos transistor. nmos MODEL level3 Vgs (V) Ids (ma) Ids (ma) Vds = 1V Vds = 2V MODEL BSIM4 Ids (ma) Vds = 1V 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 8 level3 vs BSIM4 Ids (ma) ΔIds (ma) Vds = 2V Vds = 1V ΔIds (ma) Vds = 2V
6. Επιλέξτε μέγεθος transistor αρχικά W=10 μm, L=0.12 μm και ακολούθως W=10 μm, L=10 μm και συμπληρώστε τις 4 πρώτες στήλες του παρακάτω πίνακα για nmos transistor model BSIM4. nmos W=10 μm, L=0,12μm Vgs (V) Ids (ma) Ids (ma) Vds = 1V Vds = 2V W=10 μm, L=10 μm Ids (ma) Vds = 1V L=0,12μm vs L=10μm Ids (ma) ΔIds (ma) Vds = 2V Vds = 1V ΔIds (ma) Vds = 2V 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 7. Με τον ίδιο τρόπο να παράγετε τις χαρακτηριστικές για τρία διαφορετικά pmos transistors (W=0.24μm, L=0.12μm, W=10 μm, L=0.12μm, W=10 μm, L=10 μm) και να συμπληρώσετε τον παρακάτω πίνακα για το μοντέλο BSIM4. pmos W=0.24μm,L=0.12μm W=10 μm, L=0.12μm Vgs (V) Ids (ma) Ids (ma) Vds = 1V Vds = 2V Ids (ma) Vds = 1V W=10 μm, L=10 μm Ids (ma) ΔIds (ma) Vds = 2V Vds = 1V ΔIds (ma) Vds = 2V 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 ΕΡΓΑΣΙΑ ΓΙΑ ΤΟ ΣΠΙΤΙ 1. Σχεδιάστε το layout των nmos και pmos transistors που χρησιμοποιήσατε στο δεύτερο μέρος της άσκησης. 2. Συμπληρώστε τις δύο τελευταίες στήλες των πινάκων των βημάτων 5 και 6 υπολογίζοντας τη διαφορά των ρευμάτων των transistors μεταξύ των δύο μοντέλων και των transistors με διαφορετικές διαστάσεις αντίστοιχα για τον κάθε πίνακα. 3. Καταγράψτε σε κατάλληλα διαμορφωμένο πίνακα το λόγο του ρεύματος Ids του nmos ως προς το ρεύμα του αντίστοιχου pmos transistor για όλες τις περιπτώσεις που μετρήσατε στο εργαστήριο με Vds = 1V. 4. Σχεδιάστε τη γραφική παράσταση του παραπάνω λόγου των ρευμάτων ως προς την τάση Vgs 9