第九章 版图设计实 例

主要内容 1. CMOS 门电路 2. CMOS RAM 单元及阵列 3. CMOS D 触发器 4. CMOS 放大器 5. 双极集成电路

1. CMOS 门电路 (1) 反相器 电路图 版图 1 版图 2 版图 1 特点 : 多晶栅竖直排列,MOS 管源区面积小, 因而反相器面积也小。 版图 2 特点 : 多晶栅水平排列,MOS 管漏极金属与电源、地金属线之间的空档允许 其它金属线通过, 因水平尺寸较大而使面积稍大一些。

(2) 异或门 电路图 版图 1 版图 2 版图 1 特点 : 多晶栅竖直放置 ;MOS 管排成 4 行, 第 2 和第 4 行构成或非门, 第 1 和第 3 行构成与或非门. 整个版图较高。 版图 2 特点 : 或非门和与或非门分开布局,P 管和 N 管各占一行。

(3) 二输入端与门 (snd2) 电路图 版图 特点：与门由与非门和反相器串联而成，采用合并公共区域的技巧，将 P 管接 电源的有源区公用， N 管接地的有源区公用，器件的排列很紧凑，面积很小。

(4) 与或非门 (AOI) 电路图 版图 提示：设计 AOI 或 OAI 的版图，一定要熟练掌握 MOS 管串联和并联的画法后进行， 看清每个 MOS 管的输入信号，用棍棒图画出草图后再画版图。

(5) 或与非门（ OAI) 电路图 版图 提示：对比 AOI 和 OAI 电路图和版图的区别和画法，巩固和熟练掌握 CMOS 复联 电路版图的画法。

(6) 全加器 门级电路图 晶体管级电路图

版图 特点： ① 和异或门相似，几个输入信号被几乎所有的器件公用，设计版图时要充分注意这一特点。 ② 版图把 A 、 B 、 C 多晶分成二段且排成二列， A 线在上面 ( 靠近 Vdd) 转折连接， B 线在下面 ( 靠近 Vss) 转折 连接， C 线二段不能直接连接，在 Vss 附近用金属连接。 ③ 用左面一列 A 、 B 、 C 多晶布局器件的串并联，右面一列 A 、 B 、 C 多晶布局器件的串联。整个电路分为 4 行，第 2 和第 3 行组成进位电路的前级，第 1 行和第 4 行组成求和电路的前级。 ④ 进位与求和的输出反相器采用较大的宽长比。 ⑤ 在版图中间一条横的金属线阻挡了进位部分串并联电路的输出从上至下进行连接，用多晶从该金属线 下穿过将这段输出金属连接。

2. CMOS RAM 单元及阵列 (1 ） CMOS RAM 单元 电路图 版图 特点：版图用双层金属设计。两个反相器共源，它们的交叉连接和衬底连接 都用金属 1 ，两条位线也用金属 1 作为连线。 Vdd 、 Vss 和 W 用金属 2 作为导线。门 管的多晶栅和金属 1 连接，然后金属 1 经过通孔连接到用字线。阱和衬底的接触也 经过通孔连接到 Vdd 和 Vss 。

(2) CMOS RAM 阵列 CMOS SRAM 4×4 阵列 特点：存储单元排成阵列时，列的方向只要求相邻单元位线的间距符合设计规 则；行的布局合并了公共区域，即 Vdd 和 Vss 共用。

3. CMOS D 触发器 (1) 无置位和复位端的 D 触发器 电路图 电路图中, 用钟控反相器代替反相器和传输门（ TG2 ）串联。

版图 特点： 1 ）版图为 4 行结构，中间两行构成反相器，多晶从第 2 行延伸到第 3 行就 形成反相器。 2 ）第 1 行和第 4 行构成传输门，虽然被第 2 、 3 行分隔开，但这两行 MOS 管不需 要多晶共用，只用金属进行源漏连接，即使这些金属连线跨过中间两行有源区，也 不会形成寄生 MOS 管。 3 ） CP 多晶放在 Vdd 线下， CPb 多晶沿 Vss 水平布线，在中央部位，这两条多晶 都从有源区的空隙分别延伸到 Vdd 和 Vss 线附近，与传输门器件的栅级连接。 4 ）主触发器采用钟控反相器，节省一根金属连线。

(2) 带置位端的 D 触发器 电路图 版图 特点：器件仍分 为 4 层， CP 和 CPb 也 位于上下两边，并且 在 CP 多晶的上方增 加一条水平的多晶作 为复位（ R ）。 CPb 线在水平和垂直方向 的连接采用金属过渡。 主触发器采用钟控或 非门，节省一根金属 连线。

4. CMOS 放大器 电路图 五个器件的布局 分割输入器件实现四方交叉：将 M3 变为 M3a 和 M3b ， M4 变为 M4a 和 M4b ，就可 以实现四方交叉，保证输入器件的对称性。

由于全部电流都要通过输入晶体管中的每一个，例如，有时整个电流完全在 M3 ，当差分信号关断时， M3 关断 M4 接通，整个电流又完全在 M4 ，信号每摆动 一次就切换一次，为了承受这一电流，在 M3 和 M4 之间的金属线需要达到一定的 宽度，采用二条金属线连接 M3 和 M4 的源极，并且从 M4b 和 M3b 的中间向下，这 样， M3 导通时电流将通过 M3a 和 M3b ，即它的两半把电流向下送到中心导线。

中心区域多晶交叉连接细节图

M3 和 M4 的宽长比很大， M3a 、 M3b 、 M4a 和 M4b 都采用多管并联的结构。这四 个 MOS 管的源已经连接到 Metal1 导线，为了避免和 Metal1 交叉短路, M3 和 M4 的漏极 要用 Metal2 连接。 Metal2 有很多通孔和很宽的导线，使电流能够顺利通过。

为了实现对称，将 M5 也分割为 M5a 和 M5b 。

CMOS 放大器的版图

考虑对称性，两个 P 管只要画一个，另一个通过复制而成。 P 管制作在 N 阱中，用 N 阱接触包围整个器件，并且将电源线和接触合并为一条金属线。在 阱外用 P 衬底接触把 P 管整个包围起来，然后复制 M2 管，由于 M1 和 M2 之间有 衬底接触，它们的电源线就用 Metal2 连接。两个器件的栅极也用 Metal2 连接。 M1 、 M2 与差分输入对管的连接也用 Metal2 ，并且用衬底接触把整个版图包围。 最后完成的版图，放大器的 2 个输入从左边进入， 2 个输出从上方送出。 5. 双极集成电路 (1) 五管单元与非门 电路图的隔离区

版图

(2) 通用集成运放 电路图

版图