学生姓名： 真知 指导教师： 灼见
专业班级： 电子 1201 班 工作单位： 信息工程学院
题 目 : 基于 NMOS的二输入与非门电路 初始条件：
计算机、 Orcad9.2 软件、 L-Edit 软件
要求完成的主要任务 : （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰
写等具 体要求）
1、课程设计工作量： 2 周 2、技术要求：
（1）学习 Orcad9.2 软件和 L-Edit 软件。
（2）设计一个基于 NMOS 的二输入与非门电路。
（3）利用 Orcad9.2和 L-Edit 软件对该电路进行系统设计、 电路设计和版图设计， 并进行相应的设计、模拟和仿真工作。
3、查阅至少 5 篇参考文献。按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设 计报告书。全文用 A4 纸打印，图纸应符合绘图规范。
时间安排：
2015.6.19 布置课程设计任务、选题；讲解课程设计具体实施计划与课程设计
报 告格式的要求；课程设计答疑事项。
2015.6.19-6.20学习 Orcad9.2 和 L-Edit 软件，查阅相关资料，复习所设计内容的 基本理论知识。
2015.6.21-6.25对二输入与门电路进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。 2015.6.26 提交课程设计报告，进行答辩。
指导教师签名：
系主任（或责任教师）签名：
年 年
月 月
日 日
目录
摘要 ........................................... I... 绪论 ............................................. 1 一、设计要求 ..................................... 二、设计原理 ..................................... 三、设计思路 ..................................... 四、二输入与非门电路设计 ......................... 4.1 原理图设计 ................................. 4.2 仿真分析 ................................... 五、版图设计 ..................................... 5.1 NMOS管版图设计 ........................... 5.2 与非门版图设计 ............................. 5.3 总版图 DRC检查 ............................ 六、心得体会 ..................................... 参考文献 ......................................... 2 2 2 3
3 4
4
4 6 7
8 9
摘要 本文从设计到仿真以及后面的版图制
作等主要用到了 Orcad9.2 软件和 L-Edit 软件等。设计的题目是基于 NMOS的二输入与非门电路，电路设计的思路是使用三个 NMOS管连接实现二输入与非门的功能，其中电路设计部分用的是
Orcad9.2 软件，仿
真部分主要做的是时序仿真，后面的版图制作用的是 L-Edit 软件，版图完成之后进 行基本的 DRC检查。
关键词：NMOS 门电路、与非门、版图设计
Abstract
In this paper, from design to production simulation and the back of the map, m-ainly use the Orcad9.2 software and L - Edit software, etc. Design the topic is based on NMOS
two input and gate, circuit
design train of thought is to use three of
NMOS, the circuit design part with Orcad9.2 software, main do is timing simulation, si mulation of the back of the map production using L - Edit software, due to the map m-ak ing only uses a L - Edit software, so the layout is completed only done a basic DRCc he ck.
Keywords: NMOS gate, NAND gate,layout design
绪论
随着微电子技术的快速发展，人们生活水平不断提高，使得科学技术已融入到 社会生活中每一个方面。而对于现代信息产业和信息社会的基础来讲，集成电路是 改造和提升传统产业的核心技术。随着全球信息化、网络化和知识经济浪潮的到来， 集成电路产业的地位越来越重要，它已成为事关国民经济、国防建设、人民生活和 信息安全的基础性、战略性产业。
集成电路有两种。一种是模拟集成电路，另一种是数字集成电路。从制造工艺 上可以将目前使用的数字集成电路分为双极型、单极型和混合型三种。而在数字集 成电路中通常会用到 NMOS集成电路，本文便是讨论的 NMOS与非门电路的设计仿真 及版图的设计。
[ 2][ 3]
版图 （Layout） 是集成电路设计者将设计并模拟优化后的电
路转化成的一系列几 何图形，包含了集成电路尺寸大小、各层拓扑定义等有关器件的所有物理信息。集 成电路制造厂家根据版图来制造掩膜。版图的设计有特定的规则，这些规则是集成 电路制造厂家根据自己的工艺特点而制定的。不同的工艺，有不同的设计规则。设 计者只有得到了厂家提供的规则以后，才能开始设计。版图在设计的过程中要进行 定期的检查，避免错误的积累而导致难以修改。很多集成电路的设计软件都有设计 版图的功能， L-Edit 软件的的版图设计软件帮助设计者在图形方式下绘制版图。
对于复杂的版图设计，一般把版图设计分成若干个子步骤进行
1）划分 为了将处理问题的规模缩小，通常把整个电路划分成若干个模块 2）版图 规划和布局是为了每个模块和整个芯片选择一个好的布图方案。 3）布线 完成模块间的互连，并进一步优化布线结果。
4）压缩 是布线完成后的优化处理过程，他试图进一步减小芯片的面积。
一、设计要求
1、要求：用 MOS器件来设计二输入与非门电路。
2、内容：用 Orcad9.2 软件进行电路原理图的绘制， 生成网络表并进行交直流分析
及 瞬态分析。
3、用 L-Edit 软件进行电路版图的制作及 DRC的检查。
二、设计原理
二输入与非门有两个输入端 A、B以及一个输出端 Q，当 A 端和 B端同时为高电 平时输出才为低电平，否则输出都为高电平。与非门的真值表如表 1 所示：
A 0 0 1 1 表 1 二输入与非门真值表
B 0 1 0 1 Q 1 1 1 0 由于此次是用 NMOS管构建的二输入与非门，所以直接采用 3 个 NMOS管构成主 要元件即可完成。
三、设计思路
如图 1所示是由 NMOS管构成的二输入与非门电路，其中 A、B为两输入端， Q
为
输出端。这一电路的工作原理是： M1管为导通状态，当两个输入端 A 和 B 同时为
高
电平 1时， M2和 M3管同时导通，此时输出端 Q=0；当输入端 A或B只要有一个
为 0
时，如 A=O，M2管截止，由于 M2和 M3管串联，只要其中一只管子截止， 输出
端 Q=l。
通过上述分析可知，这一电路可以实现与非逻辑，所以是与非门电路 。
[1] [6]
图 1.NMOS二输入与非门电路原
四、二输入与非门电路设计
4.1 原理图设计
在 Orcad9.2 环境下画电路原理图，并在输入端口添加时钟激励源，修改合适的 时钟周期，并添加输出端口以便仿真时查看各点工作状态。如图 2 所示：
图 2.NMOS二输入与非门工作电路图
4.2 仿真分析 电路原理图画好之后接下来便是仿真分析了，本次我们做的是门
电路，输入输 出信号都是电平信号，研究的是输入输出信号随时间的变化关系，所以只需要做瞬 态分析。
首先点击菜单栏中的 Pspice 按钮选择 New Simulation 命令来新建一个仿真文 件，在 Name中输入仿真文件名，点击 Creat 后，在原来的工程文件夹中就会自动生 成一个相应名字的文件夹，后面所做的仿真结果和工程均保存在该文件夹下， 在
Analysis type （分析类型）中选取 Time Domain（ Transient ）（瞬态分析）， 并设
置合适的参数。再在仿真工具栏中点击运行图标进行仿真。加入观测波形，如 下图
3 所示：
图 3. 输入输出端波形显示
从图中可以看到只有当 A 端口和 B端口同时为高电平时输出口 Q才为低电平， 否则输出口 Q 一直为高电平，波形显示出电路符合与非门电路的功能。而且从图中 还能看到输出口 Q的波形中有一些分立线状波形，这些是由于 A 输入端和 B 输入端 处在上升或者下降沿的时候虽然电平并不是标准的高电平， 但电压也不为 0，在仿真 的时候软件将这些电平统一作高电平处理，所以才会出现一些分立的线状波形存在。
五、版图设计
5.1 NMOS管版图设计
由于 L-Edit 软件在进行电路版图设计之前首先得进行元器件版图的设计，而在 本次电路中用到的元器件有只有 NMOS管，所以在画与门版图之前首先绘制好
NMOS 管的版图。
（1）打开 L-Edit 程序： L-Edit 会自动将工作文件命名为 Layout1.tdb 并显示
在窗口的标题栏上，如下图 16 中所示。
（2）另存为新文件：选择执行 File/Save As 子命令，打开“另存为”对话框， 在“保存在”下拉列表框中选择存贮目录，在“文件名”文本框中输入新文件名称， 如 Ex1。
图 4.L-Edit 菜单栏
（ 3）替换设置信息：用于将已有的设计文件的设定（如格点、图层等） 应用 于当前的文件中。选择执行 File/Replace Setup 子命令打开对话框，单击“ From File ” 栏 填 充 框 的 右 侧 的 Browser 按 钮 ， 选 择 X: \\
Ledit1.1\\Samples\\SPR\\example1\\lights.tdb 文件，如下图 5 所示，单击 OK就将 lights.tdb
文件中的格点、图层等设定应用在当前文件中
图 5 替换设置信息窗口
设置好这些参数后，绘制 NMOS单元：依次绘制 Active 图层、 N Select 图层、
Ploy 图层、Active Contact 图层与 Metal1 图层，完成后的 NMOS单元如图 6 中所示。
其中， Active 宽度为 14个栅格，高为 5个栅格； Ploy 宽为2个栅格，高为 9个栅 格；N Select 宽为 18个栅格，高为 9个栅格；两个 Active Contact 的宽和高皆为
2 个栅格；两个 Metal1 的宽和高皆为 4 个栅格。
图 6 NMOS管版图
5.2 与非门版图设计
在已经做好了 MOS管的版图设计的基础上，接下来就能开始进行与非门版图的搭 建和连线了。
启动 L-Edit 程序，将文件另存为 EX2，将文件 lights.tdb 应用在当前的文件中， 设定坐标和栅格 。
[3] [5]
复制单元：执行 Cell/Copy 命令，打开 Select Cell to Copy对话框，将 Ex1.tdb 中的 nmos单元复制到 Ex2.tdb 文件中。
引用 nmos单元：执行 Cell/Instance 命令，打开 Select Cell to
Instance 对话框，选择 nmos单元单击 OK按钮，可以在编辑画面出现一个 nmos
单元， 由于本次绘制与非门电路需要用到 3 个 NMOS管，所以上步中的引用 nmos单元分别 需要进行三次，然后再进行元器件之间的电路连接。
按照电路原理图一步一步将所有的线路都连接好，然后再标出 节点以
及输入输出端口 A、B、Q等节点。 例如标注 Vdd和 GND节点的方法是单击插入节点图 标，再到绘图窗口中用鼠标左键拖曳出一个与上方电源线重叠的宽为 39 栅格、高为 5 个栅格的方格后，将自动出现 Edit Object(s) 对话框，在“ On”框的下拉列表中选 择 Metal1 ，在 Port name 栏内键入 Vdd，在 Text Alignment 选项中选
Vdd、GND
择文字相对于 框的位置的右边。然后单击“确定”按钮。用同样的方式标出
GND、A、B 以及 Q。
图 7.
放好上面的所有节点标号之后最整个二输入与非门电路的版图就算做好了， 接下 来再进行单元名称的修改。执行 Cell/Rename Cell 命令，打开 Rename Cell Cell0 对话窗口，将 cell 名修改为 yufeimen 。最后画好的完整版图如下图 8 所示
图8 二输入与非门电路版图
5.3 总版图 DRC检查
版图画好之后接下来就是做总版图 DRC检查，选择 Tools/DRC 命令，打开
Design Rule Check 对话框，选中 Write errors to files 复选框将错误项目记录到 yufeimen.drc 文件或自行取文件名，单击“确定”按钮，进行设计规则检查，结果
示正确
显
[4] 。
六、心得体会
此次课程设计在老师的悉心指导， 同学们的热情帮助下， 我圆满完成了课程设计 的要求。 从课题选择到具体构思和内容以及数据的测试， 我深刻体会到做事情不能急 躁，从电路原理图的绘制到仿真， 再到版图的制作， 每一步都要要细心仔细的去完成。 在这周时间所经历的学习和生活， 我深刻感受到老师的精心指导和无私的关怀， 让我 受益匪浅。本次课程设计的名称为“基于 NMOS二输入与非门电路设计”，经过此次有了更深刻的了解， 课设使我对 Orcad9.2 软件和 L-Edit 软件的使用都 这将对我以后 的学习和工作带来莫大的帮助。
参考文献
1. 权海洋主编 . 《超大规模集成电路设计与实践》，西安电子科技大学出版社，
2013 年出版。
2. 高德远主编 . 《超大规模集成电路－系统和电路的设计原理》，高等教育出版
社， 2013 年出版。
3. 贾新章等. 《OrCAD/Capture 9 》实用教程, 西安电子科技大学出版社， 2010年
出 版。
4. 邓红辉等译。《CMOS集成电路版图 --- 概念、方法与工具》 ，电子工业出版
社， 2012 年 3 月出版。
5. 孙润等编著 . 《TANNER集成电路设计教程》 （第一、二册），北京希望电子
出版社， 2013 年出版。
6 李伟华 编著, 《VLSI 设计基础 （第 3 版）》， 电子工业出版社 ,2013年出版。
附录
OFFTIME = 1uS ONTIME = .5uS DELAY =
STARTVAL = 0 Mbreak
OPPVAL = 1
910.8uV
OFFTIME = .5uS M3
ONTIME = .5uS DSTM2 DELAY =
CLK IN2
2.499mV
STARTVAL = 0 Mbreak
OPPVAL = 1 0V
0
NMOS 二输入与非门电路仿真NMOS 版图
图
总体版
图
本科生课程设计成绩评定表
姓名 专业、班级 电子科学与技术 1201 性女 课程设计题目： 基于 NMOS 的二输入与非门电路 课程设计答辩或质疑记录： 成绩评定依据： 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定） 指导教师签字：
年月日
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