河北科技大学集成电路原理课程设计优秀评分版.docx
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河北科技大学集成电路原理课程设计优秀评分版
河北科技大学
课程设计报告
学生姓名:
学号:
_________________
专业班级:
电科141_____________
课程名称:
集成电路原理与设计_____
学年学期:
2016—2017学年第二学期
指导教师:
安胜彪____________
2017年6月
课程设计成绩评定表
学生姓名
学号
成绩
专业班级
电科141
起止时间
2017.6.23—2017.7.3
设计题目
Hspice模拟仿真
指
导
教
师
评
语
指导教师:
年月日
目录
一、HSPICE简介2
二、HSPICE输入文件的语句和形式2
(一)电路的标题语句2
(二)电路描述语句2
1.电路元器件2
2.元器件模型3
3.电路输入激励和源4
4.子电路5
(三)分析类型描述语句6
1.基本语句6
2.库文件调用语句6
(四)输出描述语句7
(五)注释语句7
(六)结束语句7
三、逆向工程(以反相器为例)8
(一)TTL版图8
(二)电路原理图8
四、HSPICE仿真网表9
五、HSPICE仿真结果10
(一)瞬态仿真10
(二)直流仿真10
六、课设总结11
HSPICE是一个模拟电路仿真软件,在给定电路结构和元器件参数的条件下,它可以模拟和计算电路的各种性能。
用HSPICE分析一个电路,首先要做到以下三点:
(1)给定电路的结构(也就是电路连接关系)和元器件参数(指定元器件的参数库);
(2)确定分析电路特性所需的分析内容和分析类型(也就是加入激励源和设置分析类型);
(3)定义电路的输出信息和变量。
HSPICE规定了一系列输入,输出语句,用这些语句对电路仿真的标题,电路连接方式,组成电路元器件的名称,参数,模型,以及分析类型,以及输出变量等进行描述。
2、HSPICE输入文件的语句和形式
Hspice输入文件包括电路标题语句,电路描述语句,分析类型描述语句,输出描述语句,注释语句,结束语句等六部分构成,以下逐一介绍:
(1)电路的标题语句
输入文件的第一行,也成为标题行,必须设置。
它是由任意字母和字符串组成的说明语句,它在Hspice的title框中显示。
(2)电路描述语句
电路描述语句由定义电路拓扑结构和元器件参数的元器件描述语句,模型描述语句和电源语句等组成,其位置可以在标题语句和结束语句之间的任何地方。
1.电路元器件
HSPICE要求电路元器件名称必须以规定的字母开头,其后可以是任意数字或字母。
除了名称之外,还应指定该元器件所接节点编号和元件值。
电阻,电容,电感等无源元件描述方式如下:
R11210k(表示节点1与2间有电阻R1,阻值为10kΩ)
C1121pf(表示节点1与2间有电容C1,电容值为1pf)
L1121mh(表示节点1与2间有电感L1,电感值为1mh)
半导体器件包括二极管,双极性晶体管,结形场效应晶体管,MOS场效应晶体管等,这些半导体器件的特性方程通常是非线性的,故也成为非线性有源元件。
在电路CAD工具进行电路仿真时,需要用等效的数学模型来描述这些器件。
MxxxxNDNGNSNBMNAME
M为元件名称,ND,NG,NS,NB分别是漏,栅,源和衬底节点。
MNAME是模型名,L沟道长,M为沟道宽。
分类
形式
解释
二极管
DxxxxN+N-MNAME
D为元件名称,N+和N-分别为二极管的正负节点,MNAME是模型名,后面为可选项:
AREA是面积因子,OFF时直流分析所加的初始条件,IC=VD时瞬态分析的初始条件。
双极型晶体管
QxxxxNCNBNE
Q为元件名称,NCNBNE
缺省时,NS结地。
后可选项与二极管意义相同。
结型场效应晶体管
JXXXXNDNGNSMNAME
J为元件名称,NDNGNS为漏,栅,源的节点,MNAME是模型名,后面为可选项与二极管的意义相同。
MOS场效应晶体管
MxxxxNDNGNSNBMNAME
M为元件名称,ND,NG,NS,NB分别是漏,栅,源和衬底节点。
MNAME是模型名,L沟道长,M为沟道宽。
2.元器件模型
许多元器件都需用模型语句来定义其参数值。
模型语句不同于元器件描述语句,它是以"."开头的点语句,由关键字.MODEL,模型名称,模型类型和一组参数组成。
电阻,电容,二极管,MOS管,双极管都可设置模型语句。
这里我们仅介绍MOS管的模型语句,其他的可参考Hspice帮助手册。
MOS场效应晶体管模型是集成电路中常用的器件,在Hspice有20余种模型,模型参数有40――60个,大多是工艺参数。
例如一种MOS模型如下:
.MODELNSSNMOSLEVEL=3RSH=0TOX=275E-10LD=.1E-6XJ=.14E-6
+CJ=1.6E-4CJSW=1.8E-10UO=550VTO=1.022CGSO=1.3E-10
+CGDO=1.3E-10NSUB=4E15NFS=1E10
+VMAX=12E4PB=.7MJ=.5MJSW=.3THETA=.06KAPPA=.4ETA=.14
.MODELPSSPMOSLEVEL=3RSH=0TOX=275E-10LD=.3E-6XJ=.42E-6
+CJ=7.7E-4CJSW=5.4E-10UO=180VTO=-1.046CGSO=4E-10
+CGDO=4E-10TPG=-1NSUB=7E15NFS=1E10
+VMAX=12E4PB=.7MJ=.5MJSW=.3ETA=.06THETA=.03KAPPA=.4
上面:
.MODEL为模型定义关键字.NSS为模型名,NMOS为模型类型,LEVEL=3表示半经验短沟道模型,后面RSH=0等等为工艺参数。
3.电路输入激励和源
Hspice中的激励源分为独立源和受控源两种,这里我们仅简单介绍独立源。
独立源有独立电压源和独立电流源两种,分别用V和I表示。
他们又分为直流源,交流小信号源和瞬态源,可以组合在一起使用。
(1)直流源
VxxxxN+N-
例如:
VCC10DC5v(表示节点1,0间加电压5v)
(2)交流小信号源
VXXXXN+N-AC
IXXXXN+N-AC
其中,ACMAG和ACPHASE分别表示交流小信号源的幅度和相位。
例如:
V110AC1v(表示节点1,0间加交流电压幅值1v,相位0)
(3)瞬态源
瞬态源有几种,以下我们均只以电压源为例,电流源类似:
1)脉冲源(又叫周期源)
VxxxxN+N-PULSE(V1V2TDTRTFPWPER)
V1初始值,V2脉动值,TD延时,TR上升时间,TF下降时间,PW脉冲宽度,PER周期。
例如:
V150PULSE(032ns4ns4ns20ns50ns)
2)正弦源
VXXXXN+N-SIN(V0VAFREQTDTHETAPHASE)
V0:
偏置,VA:
幅度,FREQ:
频率,TD:
延迟,THETA:
阻尼因子,PHASE:
相位;
3)指数源
VXXXXN+N-EXP(V1V2TD1TAU1TD2TAU2)
V1初始值,V2中止值,TD1上升延时,TAU1上升时间常数,TD2下降延时,TAU2下降时间常数。
例如:
V130EXP(022ns30ns60ns40ns);
4)分段线性源
VXXXXN+N-PWL(T1V1 。 。 >) 其中每对值(T1,V1)确定了时间t=T1是分段线性源的值V1。 例如: Vpwl30PWL(01,10ns1.5)。 4.子电路 分类 形式 解释 子电路语句 .SUBCKTSUBNAMN1 子电路的定义由.SUBCKT语句开始。 SUBNAM是子电路名,N1 终止语句 .ENDS 表示结束子电路定义 子电路调试语句 XYYYN1 子电路元件名,必须以”X”开头,后面最多跟15个字符的字符串;N1子电路调用节点号;SUBNAM: 子电路参考名;PARNAM: 用来设置子电路中用到的参数值. 在Spice中调用子电路的方法是设定以字母X开头的伪元件名,其后是用来连到子电路上的节点号,在后面是子电路名。 例如: .SUBCKTOPAMP1234 (三)、分析类型描述语句 1.基本语句 分类 形式及解释 例子 .TRAN(瞬态分析语句) 一般形式: .TRANTSTEPTSTOP TSETP为时间增量,TSTOP为终止时间,TSTART为初始时间(若不设定,则隐含值为0) .TRAN1NS10000NS500NS(瞬态分析500—10000ns,步长为1ns) .DC(直流扫描语句) 是在指定的范围内,某一个独立源或其他电路元器件参数步进变化时,计算电路滞留输出变量的相应变化曲线。 一般形式: .DCSRCNANVSTARTVSTOPVINCR .DCVIN0.255.00.25(表示电压源VIN的值从0.25V扫描到5V,每次增量0.25V) .AC(交流分析语句) 在规定的频率范围内完成电路的交流小信号分析。 一般形式: .ACDECNDFSTARTFSTOP(数量级变化)其中,DEC为10倍频,ND为该范围内点的数目,FSTART初始频率,FSTOP中止频率。 .ACDEC10110K(指从1到10KHZ范围,每个数量级取10点,交流小 信号分析) .OPTION(可选项语句) ACCT(打印出计算和运行时间统计) LIST(打印出输入数据总清单) NODE(打印出结点表) NOMOD(抑制模型参数的打印输出) 2.库文件调用语句 因为本次课设涉及CMOS工艺库的调用,所以下列列出库文件调用的语句。 含义 HSPICE软件允许将器件模型(.MODEL语句)、子电路的定义(包含.ENDS语句)、有关注释语句及库文件调用语句(.LIB语句)等集中存放到库文件中,而在调用所要使用的模型和子电路时,仅需要将所要的模型、子电路等内容取出进入存储器即可,这样速度快、占内存少。 HSPICE中一个读取库文件的执行过程直到遇到.ENDL语句才结束。 一般形式 .LIB“ filepath 指明库文件所在的路径,当库文件与HSPICE运行在一目录下,则可缺省目录路径。 ”../”表示当前目录的上一级目录。 filename 包含在数据文件的文件名,所有文件目录路径和文件名组合最长不超过256个字符。 文件目录路径和文件名必须包含在单引号或双引号中。 entryname 进入文件的类型名,这个名字的第一个字符不能是一整数。 (四)输出描述语句 分类 文本打印语句.PRINT 文本绘图语句.PLOT 形式及解释 .PRINTTYPEov1 TYPE为指定的输出分析类型,如(DC);OV1为输出变量名。 .PRINTTYPEov1 例子 .PRINTDCV(5) (五)注释语句 注释语句以"*"为首字符,位置是任意的,它为非执行语句。 (六)结束语句 结束语句是输入文件的最后一行,用.END描述,必须设置。 三、逆向工程(以反相器为例) (一)、TTL版图 (二)、电路原理图 四、HSPICE仿真网表【注: 不严苛要求字母的大小写】 .titleinverter **Generatedfor: hspiceD **Generatedon: June23toJuly3in2017 **Designlibraryname: myLib **Designcellname: inverter **Designviewname: schematic .TEMP25 .optionslistnodepost .lib"C: \hspicesimulation\mix025_1.l"DIO .lib"C: \hspicesimulation\mix025_1.l"RES .lib"C: \hspicesimulation\mix025_1.l"TT_BIP .globalvddgnd d0gndinNDIO d1net038inNDIO d3net14net31NDIO d2outnet31NDIO q2net13net31net140npn10 q3net13net14out0npn5 q1net31net038net350npn5 q5outnet35gnd0npn5 q4net36net38gnd0npn10 x7outnet14rnwstil=11uw=3u x6vddnet13rnpo1wl=60uw=2.5u x5vddnet31rnwstil=22uw=3u x4vddnet038rnwstil=54.5uw=3u x2net35net038rnwstil=32.7uw=3u x1net35net36rnwstil=8.2uw=3u x0net35net38rnwstil=4uw=3u vccvddgnd12 viningndpulse(120200n1n1n80n150n) .op .dcvin0120.1 .tran100n3u .END 五、HSPICE仿真结果 (一)、瞬态仿真 仿真时间3us,仿真步长为100ns,打印时间33-34us,反向器输入为脉冲源,高电平12V,低电平0V,延时200ns,上升沿时间1ns,下降沿时间1ns,脉冲宽度为80ns,脉冲周期为150ns。 仿真波形如下图。 (二)、直流仿真 电压源vin从0V扫描到12V,每次增量为0.1V,仿真波形如下图所示。 六、课设总结 通过本次课程设计,使用了电路设计与仿真软件HSPICE,初步掌握Hspice的基本设计方法,一方面加深了对课程知识的感性认识,增强了电路设计与综合分析的能力。 另外一方面通过练习用网表文件来描述模拟电路,使我对HSPICE软件有一个更深层次的认识。 HSPICE是一个很强大的仿真环境,因为没有前端输入环境,使用起来同Cadence这种高集成度的开发环境相比还是有一定不便。 利用Cadence编辑原理图后生成网表文件导入到.sp文件,编辑仿真条件就可以利用HSPICE仿真。 仿真过程中需使用TSMC工艺的0.25umMixed-SignalSPICE元件库,以达到简化网表文件并使仿真结果和实际流片性能相近的目的。 通过对仿真库的学习,加深了对库的调用、器件模型的使用、子电路的调用等方面了解,对作为工业标准的BSIM模型也有了一个较为初步的认识。 对于现有的电路的学习,可以加快产品的开发及现有的电路性能的提高,同时对自身原理设计和版图设计的能力都有很大的帮助。 作为集成电路设计的一部分,由版图逆向出电路原理图也是一名电科学生应该掌握的一种能力。 经过本次课设,充分理解了“实践出真知”的道理,加强了自己的动手能力,同时也进一步加深了很多同集成电路原理与设计知识,正可谓“自我双赢”。
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- 河北 科技大学 集成电路 原理 课程设计 优秀 评分
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