集成电路CAD设计：CMOS 环形振荡器设计与仿真

一、目的：

1、掌握Cadence Virtuoso快捷键技巧，学会使用Cadence进行原理图设计、版图设计、原理图仿真。

2、实验使用AMI 0.6u C5N工艺，了解NCSU Cadence设计套件（NCSU_Analog_Parts库）的使用，学会使用自行设计的反相器设计环形振荡器。

3、实现CMOS 环形振荡器的设计与仿真。

 二、设计分析：

1、设计原理：环形振荡器的结构必须是一串奇数个串联连接的反相器(Invertor)构成一个闭环回路，最后一个输出恰好接上最初的输入。

例如：初始触发的时候给“1”，最后输出就是“0”，也就意味着第二个周期输入自然也就是“0”。在第二个周期里输出又变成“1”。如此，就实现了“0”和“1”的固定频率交替振荡输出。

2、频率计算：根据之前对反相器的设计，我们先根据实验指导书设计一个由31个串联连接的反相器构成的环形振荡器，通过总体设计后仿真结果得出，此环形振荡器输出振荡周期为5.0×10（-9）S，如图：

即可根据振荡器的周期公式T=2×N×tP （N是反相器的个数，tp是单个反向器的反应时间）推出：tP=0.08×10（-9）S=8×10（-11）S，同理可计算出当反相器个数为31时的环形振荡器振荡频率为2×108Hz。

3、自主设计：为了以后在芯片设计时，使芯片片内时钟便于分频和使用，我将设计一个振荡频率为1×108Hz，即100MHz的环形振荡器，此振荡器周期T=1×10（-8）S。又已知tP=0.08×10（-9）S=8×10（-11）S，T=2×N×tP ，则可计算出N=62.5。又因为环形振荡器串联连接的反相器必须是奇数，并且通过实际仿真考虑一定延时后，我最终选择了N=61来进行设计。

三、步骤：

首先验证所设计的单一反相器的反应时间。在库管理器中添加一个库，为方便今后辨认，我添加的库名为Aurora-5，如图：

 

选择库管理器中的Aurora-5库，新建原理图，使用NCSU_Analog_Parts库中源网络和之前成功设计的反相器绘制如下CMOS 环形振荡器原理图如图，共31个反相器输入输出首尾相接组成：

 

 

检查并保存”以后，对原理图进行ADE仿真，启动ADE_L，转至选择菜单Setup - > Model Libraries，选择地址在/$ HOME=/home/cademce/ncsu-cdk-1.6.0.beta/models/Spectre /standlone的ami06N.m(NMOS模型文件)以及ami06P.m(PMOS模型文件)，并且选择Setup—>Stimuli设置好Vdd!参数为DC 5V并且Enabled，之后Apply，之后再设置tran参数，所有参数设置完成后，仿真结果如下图：

仿真结果可见环形振荡器已经可以正常起振。为了使原理图美观，便于查看和修改N值，则将其改为如下图所示原理图： 

改动完成再次仿真，参数设置及仿真模型选择等步骤同之前一致，选择右端导线作为输出信号后，仿真结果如图所示： 

仿真结果与改动原理图之前一致，之后在原理图界面选择Create—Cellview—From Cellview建立CMOS 环形振荡器原理图的Symbol，绘制如下图： 

“检查并保存”以后，重新建立一个原理图对Symbol进行ADE仿真。CMOS环形振荡器的Symbol仿真参数设置如下图： 

 

 选择需要输出仿真结果的导线，之后运行仿真，CMOS环形振荡器Symbol仿真结果如下图所示：

仿真结果符合预期，保存仿真文件于Cellview中便于下次调用无需重新设置参数，上述无问题后，进行版图绘制，在Aurora-5库中新建一个Layout版图文件，绘制CMOS 环形振荡器的版图，绘图布局时始终使用“drw”图层，绘制完成如下图所示：

 

输出端引脚绘制如下图所示：

DRC版图Layout后，导出CMOS 环形振荡器的抽取视图（Extracted），成功后如下图所示： 

输出端局部视图如下图所示：

检查并使CMOS 环形振荡器版图的抽取视图（Extracted）与CMOS 环形振荡器的原理图相匹配，运行LVS，LVS完成后，结果如下： 

CMOS 环形振荡器版图抽取视图LVS的Output显示“The net-lists match.”，Output结果如下图： 

 

之后，对CMOS 环形振荡器进行后仿真：把CMOS 环形振荡器ADE_L设置环境Switch View List中仿真对象为“extracted schematic”，运行仿真，CMOS 环形振荡器仿真结果如下：

 

可见对“extracted schematic”的仿真结果中，由31个反相器构成的环形振荡器输出振荡周期为5.0×10（-9）S，如图：

根据振荡器的周期公式T=2×N×tP （N是反相器的个数，tp是单个反向器的反应时间）推出：tP=0.08×10（-9）S=8×10（-11）S，同理可计算出当反相器个数为31时的环形振荡器振荡频率为2×108Hz。

为了以后在芯片设计时，使芯片片内时钟便于分频和使用，我将设计一个振荡频率为1×108Hz，即100MHz的环形振荡器，此振荡器周期T=1×10（-8）S。又已知tP=0.08×10（-9）S=8×10（-11）S，T=2×N×tP ，则可计算出N=62.5。又因为环形振荡器串联连接的反相器必须是奇数，并且通过实际仿真考虑一定延时后，我最终选择了N=61来进行设计。在库管理器中复制粘贴一个库，为方便今后辨认，我添加的库名为Aurora-5-Freq，如图：

更改RING-OSC原理图使N=61，如下图所示： 

 

改动完成再次仿真，参数设置及仿真模型选择等步骤同之前一致，选择相应导线作为输出信号后，仿真结果如图所示：

 

仿真结果符合预期，之后更新Symbol并绘制Layout，版图内共61个反相器首尾相连，绘制结果如下图所示：

 

输出端与首尾相连部分局部视图分别如下两图所示：

 

DRC版图Layout后，导出CMOS 环形振荡器的抽取视图（Extracted），成功后如下图所示：

 

检查并使CMOS 环形振荡器版图的抽取视图（Extracted）与CMOS 环形振荡器的原理图相匹配，运行LVS，LVS完成后，CMOS 环形振荡器版图抽取视图LVS的Output显示“The net-lists match.”，结果如下图：

 

之后，对N=61的CMOS 环形振荡器进行后仿真：把CMOS 环形振荡器ADE_L设置环境Switch View List中仿真对象为“extracted schematic”，运行仿真，CMOS 环形振荡器仿真结果如下：

 

可见仿真结果显示振荡周期T=1×10（-8）S，振荡频率为1×108Hz，此振荡器仿真结果符合预期。至此，后仿真结果与预想理论情况一致，版图设计无问题，原理图与版图及其抽取视图相匹配，振荡频率为100MHz的 CMOS 环形振荡器设计结束。

四、设计结果：

原理图（Schematic）：

上图为100MHz CMOS 环形振荡器原理图。

上图为100MHz CMOS 环形振荡器的Symbol绘制结果。

原理图设计仿真（ADE_L）：

上图为100MHz CMOS 环形振荡器 Symbol仿真用原理图。

上图为100MHz CMOS 环形振荡器 Symbol原理图仿真结果。

版图（Layout）设计：

上图为100MHz CMOS 环形振荡器版图绘制结果。

抽取视图（Extracted）：

上图为100MHz CMOS 环形振荡器版图抽取视图结果。

LVS结果：

上图为100MHz CMOS 环形振荡器版图及原理图匹配成功后LVS的Output结果。（显示“The net-lists match.”）

后仿真结果（Sim-Extracted Schematic）：

上图为实验最后设置100MHz CMOS 环形振荡器 Symbol原理图仿真环境Switch View List中仿真对象为“extracted schematic”后的仿真结果，显示振荡周期T=1×10（-8）S，振荡频率为1×108Hz，此环形振荡器仿真结果符合预期。