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根据集成电路产业对设计人才的实际需求情况，本书基于华大九天国产EDA系统，以“集成电路版图设计”这一工作任务为主线，结合编者多年的企业实践与教学经验，以及本课程项目化内容改革成果进行编写。本书主要包括集成电路版图设计基础知识、基于华大九天系统的集成电路版图设计流程及基于华大九天系统的集成电路版图设计案例三大模块组成，其中集成电路版图设计基础知识模块包括集成电路版图设计基础、集成电路版图识别和集成电路版图设计系统等内容；基于华大九天系统的集成电路版图设计流程模块包括基于华大九天系统的芯片前端设计、芯片后端设计，以及版图寄生参数提取及后仿真等内容；基于华大九天系统的集成电路版图设计案例模块包括基于华大九天系统的版图设计基础案例、进阶案例及复杂案例等内容。
目录
目录
第1 章 集成电路版图设计基础 ................................................................................................. 1
1.1 集成电路和集成电路设计 ............................................................................................ 1
1.1.1 集成电路及其发展 ............................................................................................. 1
1.1.2 集成电路制造流程 ............................................................................................. 2
1.1.3 集成电路设计和要求 ......................................................................................... 4
1.1.4 集成电路设计流程 ............................................................................................. 5
1.1.5 集成电路设计分类方法 ..................................................................................... 6
1.2 集成电路版图设计与验证 ............................................................................................ 6
1.2.1 版图设计的概念 ................................................................................................. 6
1.2.2 版图设计方法 ..................................................................................................... 7
1.2.3 版图验证及相关工具 ......................................................................................... 8
1.3 集成电路版图设计工具 ................................................................................................ 9
1.3.1 全定制版图设计工具 ....................................................................................... 10
1.3.2 标准单元版图设计工具 ................................................................................... 11
1.4 集成电路版图设计工艺文件 ...................................................................................... 11
思考与操作练习 ................................................................................................................... 12
第2 章 集成电路版图识别 ....................................................................................................... 13
2.1 集成电路版图识别方法和工具 .................................................................................. 13
2.1.1 集成电路版图识别方法 ................................................................................... 13
2.1.2 集成电路版图识别工具 ................................................................................... 14
2.2 电阻版图的识别 .......................................................................................................... 15
2.2.1 集成电路中电阻的计算与绘制 ....................................................................... 15
2.2.2 集成电路版图中电阻的分类 ........................................................................... 17
2.3 电容版图的识别 .......................................................................................................... 20
2.3.1 集成电路中电容的测算 ................................................................................... 20
2.3.2 MOS 集成电路中常用的电容 .......................................................................... 22
2.4 二极管、三极管版图的识别 ...................................................................................... 25
2.4.1 二极管版图 ....................................................................................................... 25
2.4.2 三极管版图 ....................................................................................................... 25
2.5 MOS 场效应管版图的识别 ........................................................................................ 27
2.5.1 MOS 场效应管结构.......................................................................................... 27
2.5.2 MOS 场效应管版图.......................................................................................... 28
思考与操作练习 ................................................................................................................... 29
第3 章 集成电路版图设计系统 ............................................................................................... 30
3.1 硬件系统 ...................................................................................................................... 30
3.2 软件系统 ...................................................................................................................... 33
3.2.1 服务器软件系统 ............................................................................................... 33
3.2.2 Linux 操作系统中的常用指令 ......................................................................... 35
3.2.3 文本编辑器 ....................................................................................................... 37
3.2.4 远程桌面软件 ................................................................................................... 37
3.3 华大九天EDA 软件 .................................................................................................... 39
3.3.1 华大九天EDA 软件简介 ................................................................................. 39
3.3.2 原理图编辑工具Empyrean Aether SE 简介 .................................................... 40
3.3.3 电路仿真工具Empyrean ALPS 简介 .............................................................. 41
3.3.4 版图编辑工具Empyrean Aether LE 简介 ....................................................... 42
3.3.5 寄生参数提取工具Empyrean RCExplorer 简介 ............................................. 43
第4 章 基于华大九天系统的集成电路前端设计 ................................................................... 45
4.1 前端设计准备 .............................................................................................................. 46
4.1.1 库和库文件 ....................................................................................................... 46
4.1.2 Empyrean Aether DM 简介 ............................................................................... 46
4.1.3 创建库 ............................................................................................................... 47
4.1.4 管理库 ............................................................................................................... 49
4.2 绘制CMOS 反相器Schematic ................................................................................... 51
4.2.1 创建Schematic View 文件 ............................................................................... 51
4.2.2 添加元器件 ....................................................................................................... 52
4.2.3 连线 ................................................................................................................... 53
4.2.4 设置元器件参数 ............................................................................................... 54
4.2.5 放置端口 ........................................................................................................... 54
4.2.6 检查并保存 ....................................................................................................... 55
4.3 创建CMOS 反相器的Symbol ................................................................................... 55
4.3.1 创建Symbol ...................................................................................................... 55
4.3.2 编辑Symbol ...................................................................................................... 56
4.3.3 电路的层次化设计 ........................................................................................... 57
4.4 电路仿真 ...................................................................................................................... 58
4.4.1 创建仿真电路 ................................................................................................... 59
4.4.2 打开仿真环境 ................................................................................................... 60
4.4.3 仿真设置 ........................................................................................................... 60
4.4.4 输出选择 ........................................................................................................... 61
4.4.5 仿真并查看波形 ............................................................................................... 62
4.4.6 仿真结果分析 ................................................................................................... 62
第5 章 基于华大九天系统的集成电路后端设计 ................................................................... 64
5.1 版图的设计规则 .......................................................................................................... 64
5.2 CMOS 反相器版图绘制 .............................................................................................. 65
5.2.1 创建版图文件 ................................................................................................... 65
5.2.2 物理层和版图层之间的关系 ........................................................................... 66
5.2.3 CMOS 反相器版图的输入 ............................................................................... 68
5.3 原理图驱动版图设计方法 .......................................................................................... 70
5.4 CMOS 反相器版图验证 .............................................................................................. 72
5.4.1 CMOS 反相器的DRC 验证 ............................................................................. 72
5.4.2 CMOS 反相器的LVS 验证 .............................................................................. 74
第6 章 版图寄生参数提取及电路后仿真 ............................................................................... 78
6.1 版图寄生参数提取 ...................................................................................................... 78
6.1.1 版图寄生参数简介 ........................................................................................... 78
6.1.2 寄生参数提取流程 ........................................................................................... 79
6.2 电路后仿真 .................................................................................................................. 82
6.2.1 电路后仿真简介 ............................................................................................... 82
6.2.2 电路后仿真流程 ............................................................................................... 82
第7 章 基于华大九天系统的版图设计基础案例 ................................................................... 84
7.1 基本元器件的设计 ...................................................................................................... 84
7.1.1 电阻 ................................................................................................................... 84
7.1.2 电容 ................................................................................................................... 89
7.2 基本数字模块的设计 .................................................................................................. 91
7.2.1 复合逻辑门的设计 ........................................................................................... 92
7.2.2 复合逻辑门的优化设计 ................................................................................. 100
7.2.3 CMOS D 锁存器的设计 ................................................................................. 105
7.2.4 SRAM 单元电路设计 ..................................................................................... 114
7.3 基本模拟模块的设计 ................................................................................................ 119
7.3.1 电阻负载的共源放大电路及其版图的设计 ................................................. 120
7.3.2 输出驱动电路的设计 ..................................................................................... 125
第8 章 基于华大九天系统的版图设计进阶案例 ................................................................. 132
8.1 十六分频电路的设计 ................................................................................................ 132
8.1.1 D 触发器的设计 ............................................................................................. 132
8.1.2 十六分频电路的设计 ..................................................................................... 134
8.2 上电复位电路的设计 ................................................................................................ 135
8.2.1 案例简介 ......................................................................................................... 135
8.2.2 上电复位电路设计与仿真 ............................................................................. 137
8.2.3 上电复位电路版图设计与验证 ..................................................................... 143
8.3 低电压复位电路的设计 ............................................................................................ 148
8.4 RC 环形振荡器的设计 .............................................................................................. 151
8.4.1 案例简介 ......................................................................................................... 151
8.4.2 RC 环形振荡器电路设计与仿真 ................................................................... 151
8.4.3 RC 环形振荡器的版图设计与验证 ............................................................... 159
8.5 施密特触发器的设计 ................................................................................................ 162
8.5.1 案例简介 ......................................................................................................... 162
8.5.2 IP 电路设计与仿真 ......................................................................................... 163
8.5.3 IP 版图设计与验证 ......................................................................................... 168
第9 章 基于华大九天系统的版图设计复杂案例 ................................................................. 171
9.1 带隙基准电路的设计 ................................................................................................ 171
9.1.1 背景知识 ......................................................................................................... 171
9.1.2 电路设计与仿真 ............................................................................................. 174
9.1.3 版图设计 ......................................................................................................... 176
9.2 差分放大器的设计 .................................................................................................... 177
9.2.1 差分放大器的电路仿真 ................................................................................. 178
9.2.2 差分放大器的版图设计 ................................................................................. 179
9.3 高增益运算放大器的设计 ........................................................................................ 183
9.3.1 简单运算放大器的电路结构 ......................................................................... 183
9.3.2 高增益运算放大器的结构选取 ..................................................................... 183
9.3.3 两级式运放的设计 ......................................................................................... 184
9.4 运算放大器的频率补偿 ............................................................................................ 184
9.4.1 系统稳定原理 ................................................................................................. 184
9.4.2 米勒补偿 ......................................................................................................... 184
9.5 运算放大器的电路仿真 ............................................................................................ 185
9.5.1 仿真准备及仿真环境设置 ............................................................................. 185
9.5.2 仿真结果读取 ............................................................................................... 186
9.5.3 仿真结果分析 ................................................................................................. 188
9.6 运算放大器的版图设计 ............................................................................................ 189
9.6.1 电流源版图 ..................................................................................................... 189
9.6.2 MOS 管版图 ................................................................................................... 189
9.6.3 电阻版图 ......................................................................................................... 189
9.6.4 电容版图 ......................................................................................................... 190
9.6.5 总体版图与版图优化 ........................................................................................ 191
9.7 运算放大器的版图验证 ............................................................................................ 192
9.7.1 DRC 验证 ........................................................................................................ 192
9.7.2 LVS 验证 ......................................................................................................... 194
第1 章 集成电路版图设计基础 ................................................................................................. 1
1.1 集成电路和集成电路设计 ............................................................................................ 1
1.1.1 集成电路及其发展 ............................................................................................. 1
1.1.2 集成电路制造流程 ............................................................................................. 2
1.1.3 集成电路设计和要求 ......................................................................................... 4
1.1.4 集成电路设计流程 ............................................................................................. 5
1.1.5 集成电路设计分类方法 ..................................................................................... 6
1.2 集成电路版图设计与验证 ............................................................................................ 6
1.2.1 版图设计的概念 ................................................................................................. 6
1.2.2 版图设计方法 ..................................................................................................... 7
1.2.3 版图验证及相关工具 ......................................................................................... 8
1.3 集成电路版图设计工具 ................................................................................................ 9
1.3.1 全定制版图设计工具 ....................................................................................... 10
1.3.2 标准单元版图设计工具 ................................................................................... 11
1.4 集成电路版图设计工艺文件 ...................................................................................... 11
思考与操作练习 ................................................................................................................... 12
第2 章 集成电路版图识别 ....................................................................................................... 13
2.1 集成电路版图识别方法和工具 .................................................................................. 13
2.1.1 集成电路版图识别方法 ................................................................................... 13
2.1.2 集成电路版图识别工具 ................................................................................... 14
2.2 电阻版图的识别 .......................................................................................................... 15
2.2.1 集成电路中电阻的计算与绘制 ....................................................................... 15
2.2.2 集成电路版图中电阻的分类 ........................................................................... 17
2.3 电容版图的识别 .......................................................................................................... 20
2.3.1 集成电路中电容的测算 ................................................................................... 20
2.3.2 MOS 集成电路中常用的电容 .......................................................................... 22
2.4 二极管、三极管版图的识别 ...................................................................................... 25
2.4.1 二极管版图 ....................................................................................................... 25
2.4.2 三极管版图 ....................................................................................................... 25
2.5 MOS 场效应管版图的识别 ........................................................................................ 27
2.5.1 MOS 场效应管结构.......................................................................................... 27
2.5.2 MOS 场效应管版图.......................................................................................... 28
思考与操作练习 ................................................................................................................... 29
第3 章 集成电路版图设计系统 ............................................................................................... 30
3.1 硬件系统 ...................................................................................................................... 30
3.2 软件系统 ...................................................................................................................... 33
3.2.1 服务器软件系统 ............................................................................................... 33
3.2.2 Linux 操作系统中的常用指令 ......................................................................... 35
3.2.3 文本编辑器 ....................................................................................................... 37
3.2.4 远程桌面软件 ................................................................................................... 37
3.3 华大九天EDA 软件 .................................................................................................... 39
3.3.1 华大九天EDA 软件简介 ................................................................................. 39
3.3.2 原理图编辑工具Empyrean Aether SE 简介 .................................................... 40
3.3.3 电路仿真工具Empyrean ALPS 简介 .............................................................. 41
3.3.4 版图编辑工具Empyrean Aether LE 简介 ....................................................... 42
3.3.5 寄生参数提取工具Empyrean RCExplorer 简介 ............................................. 43
第4 章 基于华大九天系统的集成电路前端设计 ................................................................... 45
4.1 前端设计准备 .............................................................................................................. 46
4.1.1 库和库文件 ....................................................................................................... 46
4.1.2 Empyrean Aether DM 简介 ............................................................................... 46
4.1.3 创建库 ............................................................................................................... 47
4.1.4 管理库 ............................................................................................................... 49
4.2 绘制CMOS 反相器Schematic ................................................................................... 51
4.2.1 创建Schematic View 文件 ............................................................................... 51
4.2.2 添加元器件 ....................................................................................................... 52
4.2.3 连线 ................................................................................................................... 53
4.2.4 设置元器件参数 ............................................................................................... 54
4.2.5 放置端口 ........................................................................................................... 54
4.2.6 检查并保存 ....................................................................................................... 55
4.3 创建CMOS 反相器的Symbol ................................................................................... 55
4.3.1 创建Symbol ...................................................................................................... 55
4.3.2 编辑Symbol ...................................................................................................... 56
4.3.3 电路的层次化设计 ........................................................................................... 57
4.4 电路仿真 ...................................................................................................................... 58
4.4.1 创建仿真电路 ................................................................................................... 59
4.4.2 打开仿真环境 ................................................................................................... 60
4.4.3 仿真设置 ........................................................................................................... 60
4.4.4 输出选择 ........................................................................................................... 61
4.4.5 仿真并查看波形 ............................................................................................... 62
4.4.6 仿真结果分析 ................................................................................................... 62
第5 章 基于华大九天系统的集成电路后端设计 ................................................................... 64
5.1 版图的设计规则 .......................................................................................................... 64
5.2 CMOS 反相器版图绘制 .............................................................................................. 65
5.2.1 创建版图文件 ................................................................................................... 65
5.2.2 物理层和版图层之间的关系 ........................................................................... 66
5.2.3 CMOS 反相器版图的输入 ............................................................................... 68
5.3 原理图驱动版图设计方法 .......................................................................................... 70
5.4 CMOS 反相器版图验证 .............................................................................................. 72
5.4.1 CMOS 反相器的DRC 验证 ............................................................................. 72
5.4.2 CMOS 反相器的LVS 验证 .............................................................................. 74
第6 章 版图寄生参数提取及电路后仿真 ............................................................................... 78
6.1 版图寄生参数提取 ...................................................................................................... 78
6.1.1 版图寄生参数简介 ........................................................................................... 78
6.1.2 寄生参数提取流程 ........................................................................................... 79
6.2 电路后仿真 .................................................................................................................. 82
6.2.1 电路后仿真简介 ............................................................................................... 82
6.2.2 电路后仿真流程 ............................................................................................... 82
第7 章 基于华大九天系统的版图设计基础案例 ................................................................... 84
7.1 基本元器件的设计 ...................................................................................................... 84
7.1.1 电阻 ................................................................................................................... 84
7.1.2 电容 ................................................................................................................... 89
7.2 基本数字模块的设计 .................................................................................................. 91
7.2.1 复合逻辑门的设计 ........................................................................................... 92
7.2.2 复合逻辑门的优化设计 ................................................................................. 100
7.2.3 CMOS D 锁存器的设计 ................................................................................. 105
7.2.4 SRAM 单元电路设计 ..................................................................................... 114
7.3 基本模拟模块的设计 ................................................................................................ 119
7.3.1 电阻负载的共源放大电路及其版图的设计 ................................................. 120
7.3.2 输出驱动电路的设计 ..................................................................................... 125
第8 章 基于华大九天系统的版图设计进阶案例 ................................................................. 132
8.1 十六分频电路的设计 ................................................................................................ 132
8.1.1 D 触发器的设计 ............................................................................................. 132
8.1.2 十六分频电路的设计 ..................................................................................... 134
8.2 上电复位电路的设计 ................................................................................................ 135
8.2.1 案例简介 ......................................................................................................... 135
8.2.2 上电复位电路设计与仿真 ............................................................................. 137
8.2.3 上电复位电路版图设计与验证 ..................................................................... 143
8.3 低电压复位电路的设计 ............................................................................................ 148
8.4 RC 环形振荡器的设计 .............................................................................................. 151
8.4.1 案例简介 ......................................................................................................... 151
8.4.2 RC 环形振荡器电路设计与仿真 ................................................................... 151
8.4.3 RC 环形振荡器的版图设计与验证 ............................................................... 159
8.5 施密特触发器的设计 ................................................................................................ 162
8.5.1 案例简介 ......................................................................................................... 162
8.5.2 IP 电路设计与仿真 ......................................................................................... 163
8.5.3 IP 版图设计与验证 ......................................................................................... 168
第9 章 基于华大九天系统的版图设计复杂案例 ................................................................. 171
9.1 带隙基准电路的设计 ................................................................................................ 171
9.1.1 背景知识 ......................................................................................................... 171
9.1.2 电路设计与仿真 ............................................................................................. 174
9.1.3 版图设计 ......................................................................................................... 176
9.2 差分放大器的设计 .................................................................................................... 177
9.2.1 差分放大器的电路仿真 ................................................................................. 178
9.2.2 差分放大器的版图设计 ................................................................................. 179
9.3 高增益运算放大器的设计 ........................................................................................ 183
9.3.1 简单运算放大器的电路结构 ......................................................................... 183
9.3.2 高增益运算放大器的结构选取 ..................................................................... 183
9.3.3 两级式运放的设计 ......................................................................................... 184
9.4 运算放大器的频率补偿 ............................................................................................ 184
9.4.1 系统稳定原理 ................................................................................................. 184
9.4.2 米勒补偿 ......................................................................................................... 184
9.5 运算放大器的电路仿真 ............................................................................................ 185
9.5.1 仿真准备及仿真环境设置 ............................................................................. 185
9.5.2 仿真结果读取 ............................................................................................... 186
9.5.3 仿真结果分析 ................................................................................................. 188
9.6 运算放大器的版图设计 ............................................................................................ 189
9.6.1 电流源版图 ..................................................................................................... 189
9.6.2 MOS 管版图 ................................................................................................... 189
9.6.3 电阻版图 ......................................................................................................... 189
9.6.4 电容版图 ......................................................................................................... 190
9.6.5 总体版图与版图优化 ........................................................................................ 191
9.7 运算放大器的版图验证 ............................................................................................ 192
9.7.1 DRC 验证 ........................................................................................................ 192
9.7.2 LVS 验证 ......................................................................................................... 194
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