引言

“數(shù)字集成電路（Integrated Circuit，簡(jiǎn)稱IC）原理與設(shè)計(jì)”是為高等學(xué)校電子、通信、機(jī)電等工科電子類專業(yè)的高年級(jí)本科生和碩士生開(kāi)設(shè)的一門課程，是培養(yǎng)我國(guó)急需的、緊缺的IC設(shè)計(jì)人才的入門課程。其主要任務(wù)是使學(xué)生能在較為全面地了解IC設(shè)計(jì)工藝和掌握IC設(shè)計(jì)工具的基礎(chǔ)之上，掌握IC基本單元的設(shè)計(jì)，為更復(fù)雜、規(guī)模更大的電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)，并通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生對(duì)微電子技術(shù)產(chǎn)生濃厚的興趣。然而筆者經(jīng)過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中不能系統(tǒng)地了解自己所學(xué)的是什么、具體能干什么，以至于對(duì)IC設(shè)計(jì)產(chǎn)生不了濃厚的學(xué)習(xí)興趣。實(shí)際上，“數(shù)字集成電路原理與設(shè)計(jì)”是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)課程，完全依靠傳統(tǒng)的板書教學(xué)或者多媒體PPT教學(xué)都很難表達(dá)清楚。因此，如何在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)通過(guò)改革教學(xué)方法與教學(xué)手段實(shí)現(xiàn)教學(xué)理論與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合從而提高授課效率是現(xiàn)階段該課程教學(xué)的一個(gè)研究重點(diǎn)。對(duì)于此問(wèn)題，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）計(jì)算機(jī)仿真軟件給IC教學(xué)提供了一個(gè)可靠的理論與實(shí)踐聯(lián)系的平臺(tái)。

目前，IC設(shè)計(jì)仿真軟件很多，其中按市場(chǎng)所占份額排行為Cadence、Mentor Graphics和Synopsys。這些工具功能極其強(qiáng)大，涵蓋了IC設(shè)計(jì)的整個(gè)流程，包括系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)、功能驗(yàn)證、IC綜合及布局布線、模擬和混合信號(hào)及射頻IC設(shè)計(jì)、全定制IC設(shè)計(jì)、IC物理驗(yàn)證等。然而由于成本高、適用操作系統(tǒng)環(huán)境有所限制、不適合IC初學(xué)者等劣勢(shì)，它們并不十分適合于本科生的教學(xué)工作。相比之下，本文介紹的Mentor收購(gòu)的Tanner公司開(kāi)發(fā)的基于Windows平臺(tái)的用于IC設(shè)計(jì)的工具軟件Tanner EDA更適用于高校進(jìn)行相關(guān)的教學(xué)和科研工作。一放面，Tanner EDA成本低，設(shè)備要求不高，可以在任何個(gè)人PC機(jī)上使用。另一方面，該IC設(shè)計(jì)工具具有強(qiáng)大的IC設(shè)計(jì)、模擬驗(yàn)證、版圖編輯和自動(dòng)布局布線等功能，圖形界面友好，編輯功能強(qiáng)，易學(xué)易用。

1 利用Tanner EDA進(jìn)行IC設(shè)計(jì)的流程

利用Tanner EDA進(jìn)行IC芯片設(shè)計(jì)的流程如下：

1.1 編輯原理圖。利用電路圖編輯環(huán)境S-Edit工具，根據(jù)設(shè)計(jì)要求編輯合理的電路原理圖，注意在設(shè)計(jì)原理圖時(shí)要與IC芯片代工廠使用的具體工藝相結(jié)合，設(shè)定器件的工藝參數(shù)。

1.2 模擬仿真。提取電路圖的Spice網(wǎng)表（*.sp），用T-Spice工具模擬仿真電路的邏輯特性、延遲特性等，用W-Edit觀察仿真波形。如果模擬結(jié)果有錯(cuò)誤，需返回第一步修改原理圖。如果無(wú)誤，則以L-Edit進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)。

1.3 版圖設(shè)計(jì)。輸出TPR網(wǎng)表（*.tpr），用L-Edit工具進(jìn)行版圖的編輯和生成，如果采用廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)單元，此時(shí)可以直接利用L-Edit的自動(dòng)布局布線SPR功能得到整個(gè)IC芯片的版圖，如果是全定制設(shè)計(jì)，需事先根據(jù)所用的工藝，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)單元設(shè)計(jì)，注意在版圖設(shè)計(jì)過(guò)程中要以DRC功能作設(shè)計(jì)規(guī)則檢查。如果違反設(shè)計(jì)規(guī)則，則修改版圖，直到設(shè)計(jì)規(guī)則檢查無(wú)錯(cuò)誤為止。

1.4 版圖驗(yàn)證。將驗(yàn)證過(guò)的版圖輸出Spice網(wǎng)表（*.spc），使用T-Spice工具進(jìn)行模擬仿真（后仿真），如果波形正確即通過(guò)驗(yàn)證；也可以用LVS工具，來(lái)對(duì)比版圖和原理圖，若一致，即通過(guò)驗(yàn)證。最終驗(yàn)證無(wú)錯(cuò)誤后，將L-Edit設(shè)計(jì)的版圖輸出成GDSII文件類型，提交給IC芯片代工廠加工生產(chǎn)該IC芯片。

2 應(yīng)用Tanner EDA設(shè)計(jì)5位同步加法計(jì)數(shù)器芯片的實(shí)例

2.1 用S-Edit編輯電路原理圖

S-Edit工具簡(jiǎn)單易用，與Protel、Multisim、protues等常用的原理圖編輯工具相比使用起來(lái)并不復(fù)雜，它可以設(shè)計(jì)特定功能的電路模塊。圖1是我們?cè)赟-Edit工具中利用element庫(kù)中NMOS，PMOS等元器件得到的5位二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器電路模塊的原理圖。該計(jì)數(shù)器采用5個(gè)邊沿JK觸發(fā)器串行連接而成，每個(gè)觸發(fā)器均連成T觸發(fā)器，再由4個(gè)2輸入端與非門連接。S-Edit電路圖編輯器可以把當(dāng)前模塊的電路圖轉(zhuǎn)化為不同的網(wǎng)表。這些網(wǎng)表主要是用于T-Spice電路模擬器的Spice網(wǎng)表，用于L-Edit版圖編輯器中的標(biāo)準(zhǔn)單元自動(dòng)布圖布線的TPR網(wǎng)表、VHDL網(wǎng)表、NeTran網(wǎng)表以及EDIF網(wǎng)表。

圖1 5位二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器的原理圖

2.2 用T-Spice進(jìn)行模擬仿真

編輯好計(jì)數(shù)器的電路原理圖后，為確認(rèn)該電路功能正確，需要利用電路模擬工具T-Spice進(jìn)行仿真，但該工具不能直接對(duì)原理圖進(jìn)行仿真，因此在仿真之前需從原理圖輸出Spice網(wǎng)表（*.sp），該網(wǎng)表文件以節(jié)點(diǎn)的形式描述了電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和元器件的工藝參數(shù)。而在輸出網(wǎng)表之后，必須加入工藝庫(kù)模型文件、設(shè)定各種仿真必要的參數(shù)、確定分析電路特性所需的分析內(nèi)容和分析類型等。根據(jù)T-Spice的格式要求得到*.sp網(wǎng)表文件之后，可以在T-Spice工具下進(jìn)行電路的功能仿真。圖2是從W-Edit觀察到的5位二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器的仿真波形圖。

圖2 5位二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器的仿真波形圖

2.3 用L-Edit進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)

圖3 5位二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器芯片的版圖

計(jì)數(shù)器電路的功能仿真正確后，需要利用L-Edit進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)。根據(jù)事先應(yīng)用特定工藝建立好的標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù) （反相器、與非門、或非門、異或門、同或門等），在L-Edit工具中利用電路圖驅(qū)動(dòng)版圖技術(shù)（SDL）來(lái)進(jìn)行計(jì)數(shù)器的版圖設(shè)計(jì)。SDL能根據(jù)電路原理圖轉(zhuǎn)換的TPR網(wǎng)表（*. tpr）自動(dòng)生成計(jì)數(shù)器電路中各個(gè)MOS管的版圖，我們只需對(duì)這些MOS版圖進(jìn)行金屬互連。值得注意的是，在MOS版圖金屬互連過(guò)程中，一定要進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（DRC），看是否符合事先設(shè)定的工藝設(shè)計(jì)規(guī)則，如果正確，下一步就是要用LVS進(jìn)行版圖與原理圖的對(duì)比。

2.4 用LVS進(jìn)行版圖驗(yàn)證

LVS（版圖與電路圖比較器）是一種網(wǎng)表比較工具，主要用來(lái)檢查IC芯片版圖的正確性。LVS通過(guò)比較L-Edit的Extract（版圖提取器）從版圖提取的Spice網(wǎng)表（*.spc）與S-Edit的網(wǎng)表輸出功能從同一設(shè)計(jì)的電路原理圖產(chǎn)生的Spice網(wǎng)表（*.sp），判別它們是否描述同一個(gè)電路。如果S-Edit中的電路圖已通過(guò)驗(yàn)證，利用LVS，后一張網(wǎng)表可以作為判別前一張網(wǎng)表正確性的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)電路圖與版圖的比較。如果兩個(gè)網(wǎng)表一致，工具的對(duì)話界面將出現(xiàn)“Circuits Are Equal”的提示，則通過(guò)驗(yàn)證，說(shuō)明設(shè)計(jì)成功。由圖4的LVS對(duì)比結(jié)果可知本文成功設(shè)計(jì)了計(jì)數(shù)器。實(shí)際上，當(dāng)不一致時(shí)，LVS還能幫助確認(rèn)和改正版圖中錯(cuò)誤，然后重復(fù)進(jìn)行驗(yàn)證過(guò)程，直到成功為止。最終將L-Edit設(shè)計(jì)好的版圖輸出成GDSII文件類型，提交給芯片代工廠加工生產(chǎn)該計(jì)數(shù)器IC芯片。

圖4 LVS對(duì)比結(jié)果

3 結(jié)論

本文介紹了一種實(shí)用的、適合于數(shù)字集成電路原理與設(shè)計(jì)課程教學(xué)的IC設(shè)計(jì)工具Tanner EDA。通過(guò)以上應(yīng)用實(shí)例可以看出，采用Tanner EDA進(jìn)行IC設(shè)計(jì)，現(xiàn)象直觀，結(jié)果精確。可見(jiàn)，將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和現(xiàn)代教學(xué)結(jié)合起來(lái)，有利于理論與實(shí)踐的結(jié)合，對(duì)于學(xué)生理解IC的原理與設(shè)計(jì)流程，對(duì)于學(xué)生微電子技術(shù)的興趣的激發(fā)、吸引他們涉足IC設(shè)計(jì)領(lǐng)域都有很好的幫助。