沙烽

摘 要：在經(jīng)濟技術快速發(fā)展的背景下，集成電路（IC）產(chǎn)業(yè)也發(fā)展迅速。集成電路將多個基本計算單元和有源器件集成在一個集成電路中，使電子產(chǎn)品體積更小，核心運算更快，以滿足當今的計算和使用需求。全減器是芯片運算電路的核心和基本功能，實現(xiàn)了二進制減法運算。它是集成電路中最基本的單元，滿足了人們對信息處理的最基本的需求。本設計介紹了全減器的基本知識。根據(jù)集成電路的設計方法和要求，進行全減器的邏輯電路圖和版圖設計。在邏輯電路圖的設計中，我們運用所學知識，在全減器真值表的基礎上構造原理圖。在版圖設計部分，介紹了如何用邏輯電路圖設計全減器集成電路以及在繪制版圖時應注意的細節(jié)。

關鍵詞：集成電路;全減器;版圖設計

一、前言

隨著工業(yè)文明的快速發(fā)展，人們越加依賴電子產(chǎn)品。這些電子產(chǎn)品是集成電路發(fā)展的產(chǎn)物。集成電路將數(shù)億個晶體管和有源器件集成在一塊硅片上，使得攜帶電子產(chǎn)品更加容易。

本文研究的減法器作為集成電路芯片的核心運算單元，決定了芯片的速度。因此，一個合理、優(yōu)良的全減器單元是一個好的CPU的基礎。

接下來，本文將簡要介紹全減法器的基本知識，根據(jù)邏輯電路圖的功能分析設計邏輯電路圖。通過本次設計對芯片的設計有一個初步的了解，對今后的其它設計有一定的參考意義。

二、全減器在集成電路中的作用

（一）全減器的簡介

全減法是兩個二進制數(shù)減法的運算單位。最簡單的總減法器是基于標準結果和借來顯示的。在二進制系統(tǒng)中通過借一取二來通過改變兩個輸出變量的電平，從而實現(xiàn)減法運算。在計算機中，通過一些計算可以被處理、加密以及用其他計算器解碼。

（二）全減器的作用

數(shù)字減法器電路是構成集成電路的重要基礎電路，是集成電路設計與分析的重要環(huán)節(jié)。在算術運算電路中，減法器作為組合邏輯電路的基本單元電路舉例具有一定的代表性，熟悉全減器的邏輯功能以及電路實現(xiàn)有助于加深我們對組合邏輯電路的理解和掌握。

在電路工作過程中，延時使得電路在周期內(nèi)得到的輸出結果與理論上電路邏輯輸出結果存在誤差，可能導致整個電路工作異常甚至崩潰。而全減器是CPU等運算電路的核心，其速度和功耗等方面的性能直接影響到集成電路的整體性能。

三、CMOS全減器集成電路的原理圖設計

（一）全減器原理分析

不帶進位減我們稱之為半減，帶進位減稱之為全減法。將兩個多位二進制數(shù)相減，除了最低位以外，每一位都應該考慮來自低位的借位，即將兩個對應位的加數(shù)和來自低位的借位3個數(shù)相減。這種運算稱為全減，所用的電路稱為全減器電路。

根據(jù)二進制運算法可以列出1位全減器的真值表，再根據(jù)真值表我們又可以分析出它的卡諾圖，然后由卡諾圖分析化簡可得出邏輯函數(shù)，綜上我們可以畫出全減器的邏輯圖

通過邏輯圖我們了解到一個全減器是由兩個異或門、三個與非門、及一個非門（通過反相器構成）來組成，這些門構成了全減器的功能。

（二）全減器原理圖的設計

通過分析真值表及其邏輯式的演算結合元器件的特性設計出全減器的邏輯電路圖，下面需要對其原理圖進行設計，我們需要使用Tanner軟件中的S-Edit來繪制電路原理圖。

通過選取元件我們可以繪制反相器、兩輸入與非門和兩輸入異或門。為了達成目標，需要用到NMOS，PMOS，Vdd與Gnd這4個模塊，所以我們要從組件庫中復制NMOS，PMOS，Vdd與Gnd這4個模塊到PLUS文件。在完成這些后，下面我們將會開始進行CMOS反相器、兩輸入與非門、兩輸入異或門的繪制。

完成我們所需器件原理圖繪制之后，我們將參照邏輯電路圖進行原理圖的排版與連線，在連線中不能出現(xiàn)十字交叉及短路、斷路現(xiàn)象，所有器件應準確接入電源。

四、版圖設計

（一）設計版圖的基礎知識

在完成全減器電路的設計后，我們依照原理圖進行其電路版圖的設計。在設計開始前，我們需要先了解N阱（N-WELL）、有源區(qū)、多晶硅柵極和通孔及金屬連線的定義和使用規(guī)則。

在COMS工藝中，N型晶體管直接做在晶片的襯底上，而P型晶體管需要做在N阱中的，所以在制作芯片時，我們要先輕參雜工藝來制作出N阱，再進行PMOS管的制作。

（二）通過軟件設計全減器電路版圖

我們通過Tanner軟件中的L-Edit來編輯電路圖，首先我們進入電路版圖設計，

1.打開L-Edit程序，執(zhí)行File-New命令，在菜單欄中輸入本次工程名，完成后保存;

2.圖層菜單標識及選取操作介紹：

在L-Edit軟件編輯中，系統(tǒng)默認我們是在P型硅襯底上，所以我們在繪制過程中并不需要進行更改。

在軟件主界面圖中，左側有一個Layers面板，鼠標單擊下拉列表，便會看到繪制版圖時需要選取的圖層。

3.環(huán)境設定

在繪制版圖之前，首先要有確實的大小，所以我們在繪圖之前要設定坐標與實際長度的關系。接下來我們選擇Setup命令，然后打開Design對話框，在Technology選項卡中出現(xiàn)使用技術的名稱、單位與設定，我們選用技術單位Technology units為以Lambda為單位，而Lambda單位與內(nèi)部單位Internal Unit的關系可在Technology setup選項組中進行設定。如下圖所示，我們設定一個Lambda為1000個Internal Unit，也設定一個Lambda等于一個Micron。接著我們選擇Grid選項卡，其中包括使用格點顯示設定、鼠標停格設定與坐標單位設定。設定結果為1個格點距離等于1個坐標單位也等于1個Micron。

4.編輯組件

L-Edit編輯方式是以組件（Cell）為單位的，每一個文件可有多個組件，每一個組件表示一種電路圖的布局說明，在我們每次打開新文件時也自動打開一個組建，L-Edit軟件會自動為我們以CELL來命名保存，我們也可根據(jù)需要選擇是否重命名。

6.繪制版圖注意事項：

在使用L-Edit繪圖時，應先考慮好各個元器件的擺放位置，如何巧妙地連接，巧妙運用到多層金屬，也應考慮到電源線的走線。在確定這些后，我們也要考慮整體版圖的景觀，應做到注意對稱性能的差異，這有主有提升電路性能。

芯片的輸入和輸出這兩端，在左側的為信號輸入，右側輸出的最佳分配，這樣我們就可以減少輸出到地磁干擾的輸入。

為傳輸高頻信號，必須避免降低層間電容的干擾;同時由于金屬或較長多晶硅材料的電阻效應，走長線會導致更大的電阻值，這樣會產(chǎn)生防止寄生電阻而影響了電路的性能，所以在電路布線時不能走很長的線。

五、結束語

全減器是芯片運算電路的核心和基本功能，實現(xiàn)了二進制減法運算。

本論文主要使用集成電路進行全減的電路設計，設計中采用反相器、與非門、異或門，其特點是運用種類、數(shù)量最少的門電路，以減少電路中的信號延遲，提高運算速度，且其中的連線也較少，十分方便。我們在進行電路設計時，具體方法應視實際情況而定。

參考文獻：

[1] 朱正涌，張海洋，朱元紅.半導體集成電路[第2版][M]，北京：清華大學出版社，04.2009.

[2] 張淵.半導體制造工藝[M];北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[3] 曾慶貴.集成電路版圖設計[M]，北京：機械工業(yè)出版社，02.2008.

[4] 王強，錢聲東，陳琳.電子技術與項目應用[M]，中國人民大學出版社，2012.

[5] 賈立新，何劍春，包曉敏.數(shù)字電路[M]，北京：電子工業(yè)出版社，10.2007.

[6] 張紅.集成電路設計與項目應用[M]北京：機械工業(yè)出版社.