第18章 Macrowind IC版图设计软件

Microwind是CMOS集成电路物理层布局图（layout）设计和性能模拟软件，它包含通常使用的数字和模拟元件布局图库，布局图编辑器，参数提取分析器及布局图仿真器。使用这个软件可以十分方便地进行IC版图设计教学，对于不具备大型IC设计软件的学生是十分有用的。

Microwind具有丰富的教学信息，例如，显示PMOS和NMOS管的特性曲线，器件尺寸，工艺参数；电路中连接线的寄生参数；所制定的模型参数可由设计者方便地进行调节，然后在屏幕上直接观察它们对元件特性的影响，并交互显示辅助指导内容。

18.1 进入Microwind

与Windows下的其他程序一样，软件安装以后，创建Microwind目录，然后双击“Microwind”图标运行软件。如图18-1所示，主窗口由布局图显示窗口、快捷图标菜单、分层调色板凳部分组成。

布局图显示窗口，其中的网格以（λ）为单位通常固定为光刻工艺技术中最小尺寸（沟道长）的一半。例如0.8µm工艺，λ=0.4µm。

1、设计CMOS反相器

以CMOS反相器为例，通过绘制其布局图学习各种命令的使用。CMOS反相器包括一个NMOS及一个PMOS三极管，见图18-2。

图标为绘制矩形图标，图标显示调色板。首先在调色板中选多晶硅层（红色），然后按以下步骤绘制布局图：

·绘制硅栅矩形，先用鼠标器点住选定的左上角，然后拖动至右下角；

·释放鼠标器，即得到一定尺寸的硅栅矩形图，应使得矩形宽度最小为2λ，见图18-3； ·按图18-4的比例继续绘制硅栅层； ·选择调色板中N+扩散层（绿色），按图18-5（下）绘制NMOS部分； ·选择调色板中P+扩散层（绿色，斜线），按图18-5(上)绘制PMOS部分； ·选择调色板中N-阱层，在图18-5的P扩散层周围添置N阱，如图18-6。

图18-1 进入Microwind主窗口

图18-2 符号图

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图18-3绘制硅栅矩形（1） 图18-4绘制硅栅矩形（2）

图18-5 绘制N沟道器件和P沟道器件 图18-6 添置N阱

2 分层结构仿真 点击图标

，利用鼠标器画一条待观察剖面的截线，屏幕上会显示相应的分层结构图。

3 接触窗孔及金属连接线

布局图中各层之间是通过SiO2薄层相互绝缘的，它们通过接触孔（Via）进行连接。Via中灌注了金属和扩散层材料，其尺寸由设计规程确定。

Microwind提供各种予定义Via图（调色板窗口上方），如图18-7所示。

图18-7 各类接触点

例如选择（N+/金属接触），出现随光标移动的正方轮廓，将它固定在N+区。同样地，选择（P+/金属接触）将它固定在P+区。在调色板选择金属层1（蓝色），即可引出NMOS和PMOS的电极，如图18-8。

注意图18-8中N右上角所示连接VDD的接触点，使N与高电平等电位。 进入仿真器前，最后的任务是定义VDD，VSS及输入/输出端。

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图18-8 基本反相器布局图

4 性能模拟

在调色板上有一组仿真器图标，如图18-9。

仍以上述反相器为例，首先将电源上部PMOS的一个P扩散层接VDD，下部NMOS的一个N扩散区接VSS，然后定义输入信号端及输出端。 操作步骤：

·如图18-9，从左至右，依次是电源VDD、地Ground、时钟Clock、加入脉冲Pulse、可视节点Node Visible。点击图时钟，再点击反相器公共栅区，则出现时钟设置对话框，按要求设脉冲宽度、周期、上升沿、下降沿等参数，以便了解预期的器件特性，见图18-10。

·选择图18-9最右的图标，定义观察点。应注意，仅当附属的字体为斜体时，方表示该功能被激活。

图18-9 仿真器图标组

当定义布局图输入/输出点时，所附带的字符是可更改的，常用的方法是在图18-10中修改“Enter the text name”框的内容。

注意：进行仿真之前，应先存储布局图。进入仿真器后，可观察已定义点的电压波形，电流波形及电压转移特性。

图18-10 定义时钟信号

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图18-11 设计规程校验

5 布局图是否符合设计规程

点击图标，设计规程校验器（Design Rule Checker（DRC））扫描设计图，发现错误即用高亮条显示错误性质。只有符合设计规程的布局图才能进一步转为制造文件。

6 参数分析

选择Analysis->Parametric Analysis，以反相器为例，点击输出点，进入参数分析界面，如图18-12。通过左下窗，选择分析功耗，传输延时，显示频率。点击“Start Analysis”，可给出相应的分析结果，如图18-13(a)(b)。

图 18-12 参数分析

图18-13a VDD对功耗的影响

图18-13b 输出电容对延时的影响

7 保存

单击图标

，保存布局图文件，文件自动加上扩展名.msk。

8 连线路径生成

布局图设计中，金属连接线自动生成功能将大大节省设计者的时间。Microwind具有连接线自动生成及其寄生参数分析功能。

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图18-14 绘制连接线

点击图18-14中对应图标，进入图18-15(a)界面。选择所要求的条目，然后回到主窗口，点击适当的位置，即得到连接线（图18-15(b)）。

图18-15(a) 金属线自动生成窗口

图18-15(b) 连接线生成

18.2 Microwind一些重要功能

Microwind具有WINDOWS环境中一般的图形编辑功能，例如：剪切，拷贝，粘贴，放大/缩小，旋转等。重要的是它增加了一些专门用途的条目分别用于编辑器、模拟器和分析器中。

◆转为Cif文件格式（Cif Out）

Microwind将MSK布局图文件转为Cif文件格式。格式可以输出至常用的几种工业软件，以便进一步产生与工艺有关的文件。

◆编译（Compile）

Microwind编译器自动地将描述转为CMOS布局图。它有两种可选方式，一种是编辑逻辑方程式；另一种是编译VERILOG结构文本。

◆段点检查（Floating Node）

选择Analysis->Floating Node，扫描布局图并检测是否存在浮动节点。浮动节点表示未被连接的扩散区。点击Analysis->Navigate中列出的节点名称，回指出它在主窗口中的位置。

◆工艺基础（Foundry）

在绘制布局图或进行性能模拟以前，必须首先确定所服从的工艺规程。选择FILE—>Select Foundry，在显示的工艺列表中指定一个*.rul文件。

◆打印（Hardcopy）

选择File-->Print Layout，将屏幕内容输出到打印机。若打印以前选FILE-->Monochrom/Color，则可用黑白方式输出。

基本库（Library）

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基本库中存有已定义的宏单元，例如接触点（Via），MOS器件，焊盘(Pad)等。它们按照工艺规程作为标准设计供用户选用。点击上面的图标即进入图18-16所示的对话框，然后由设计者定义可选的参数。

图18-16 进入元件/器件库

·MOS：该宏单元产生NMOS或PMOS三极管。需定义沟道长、沟道宽和基本门数，见图18-17。一旦定义完毕，即出现元件轮廓线，点住鼠标左键将元件置于合适的位置。

·PAD：为布局图绘制焊盘。焊盘尺寸默认设计规程的规定，也可自行定义尺寸。若绘制焊盘组，则在对话框中分别设置X、Y方向的焊盘个数。必要时，可更改代表VDD,VSS通路的金属线宽度，见图18-17。

图18-17 设置焊盘对话框

·PATH：这一命令类似ROUTING，但它是为同层金属连接线设置的，特别地用于绘制Vdd和VSS的连线。 ·BUS：总线绘制。用来产生由用户定义的平行线组。用户确定其间距、宽度及重复次数。在进行长连接线分布参数的性能模拟时很有用。例如：图18-18，定义连接线组宽度3λ，间距3λ，长度1000λ，重复2次。λ是布局图尺寸单位，一般来说，沟道长L=2λ。

图18-18 BUS命令对话框

◆特性曲线

点击图标，显示指定管的特性曲线，Id/Vd,Id/Vg,Id(log)/Vg。若选择则加入已有的测试文件，与仿真结果对照。

注意：必须是工艺级别相同的管子进行对照才有意义。

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Microwind中，应用如下模型：

·MOS Model 1(Berkeley Spice)

·MOS Model 3(Simplified version of Berkeley Spice) ·MM9(Philips)。

模型参数显示在左面窗口，用鼠标器修改参数，可以直观地表现参数对特性曲线的影响。 ◆ 统计File-->Statistics该菜单命令给出一些统计值，如图 18-19所示。

◆ 检查节点View Node

点击上面的图标，或选择View-->View Node，然后点击布局图中待观察的节点。软件经过抽取过程后即可显现与该节点相连的所有矩形线框。当布局图规模较大时，这一过程需要等待一些时间。

在特定的窗口中将会显示寄生电容值和文字标记列表（见图18-20）。

通过应用菜单命令View-->Unselect All或按键ESC，即取消上述节点的选择。

另一命令ViewÆInterconnnect，其功能与相似View-->View Node，只是抽取过程只在多晶硅层和金属层进行。

图18-19 统计命令 图18-20 Navigator对话框

◆ 调色板Palette

调色板窗口置于主窗口右部。默认布局层是多晶硅层polysilicon（PO）。图18-21给出各层定义。 View-->Process Aspect

◆ 转成Pspice文件

选择菜单File-->Pspice File，将布局图*.MSK转为*.CIR文件，可进入模拟器作进一步的分析。 ◆参数分析

通过选择AnylysisÆParametric Analysis，了解工作电压，节点电容对电路的影响。分析上升/下降延时，功耗及频率。

◆ 剖面图

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图18-21 调色板窗口

◆ 标尺Ruler

点击标尺命令，直接在屏幕上显示鼠标器划定线条的长度（以λ为单位）。利用View-->View Same或按消除该命令。 ◆ 性能模拟Simulate

这是Microwind的基本功能。进入模拟器窗口后，右侧会出现对话菜单，其中各条目的意义如图18-22所示。

◆ Text

利用文本编辑命令，在固定点设置文字。首先点击该图标，出现对话框写入文字，然后用鼠标器拖至合适的位置。

◆ 延伸和移动Stretch&Move

点击上面图标，然后用鼠标器点住某矩形的边沿，拉动鼠标器，该矩形将跟着延伸。

若点击上面图标，然后用鼠标器定义一个范围，该范围内的元件回消失，其轮廓将随鼠标器移动至确定的新位置。

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图18-22模拟器

文件列表

Microwind.EXE *.RUL *.MSK *.MES *.CIR *.TXT

可执行文件，布局图编辑及性能模拟 设计规程文件 布局图文件

MOS三极管实际测量数据文件 与Pspice兼容的文件 Verilog HDL结构文件

思考题与习题

1、如图所示是用Microwind绘出的一个MOS反相器的布局图，其中时钟周期和电源电压可自行设定，试对反相器进行仿真，并观察其输入输出结果。

题图1

2、利用Microwind设计出一个与非门的布局图，并加入时钟信号进行仿真。

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