电子科技大学CMOS模拟集成设计Hspice仿真.pdf
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CMOS模拟集成电路设计与Hspice仿真实验教学手册王明珍张俊编电工学院电子科技大学电子信息工程专业建设CMOSCMOSCMOSCMOS模拟集成电路设计模拟集成电路设计模拟集成电路设计模拟集成电路设计与与与与HspiceHspiceHspiceHspice仿真仿真仿真仿真实验教学手册实验教学手册实验教学手册实验教学手册王明珍张俊编电工学院电子科技大学2011-12前前前前言言言言集成电路设计和应用是多学科交叉高技术密集的学科,是现代电子信息科技的核心技术,是国家综合实力的重要标志。
目前我国对集成电路设计人才需求旺盛,模拟集成电路设计人才尤其缺乏。
本实验教学手册是面向本科生的CMOS模拟集成电路设计的自学软件平台。
通过应用EDA仿真软件Hspice,学生了解和掌握CMOS模拟集成电路设计技术及基本理论。
实验手册的目的是使学生了解集成电路设计的EDA工具,掌握CMOS模拟集成电路设计的基础知识和基本技能,并熟悉其应用领域相关的系统知识。
CMOS模拟集成电路设计是一门电路基本理论与现代新型元器件相结合且具有较强的实践性的专业课程。
其实验教学可以1)使学生巩固所学的电路理论知识,培养学生实践动手能力,解决问题能力以及创新能力;2)使电子信息专业的本科生充分的了解CMOS模拟集成电路设计技术及其相关知识,培养学生学习CMOS模拟集成电路设计技术的兴趣和积极性;3)激发学生从事集成电路设计和集成系统的研究、开发和应用,以满足我国集成电路设计领域及相关行业人才需求。
从自学软件平台,学生可以download仿真软件Hspice和项目实验学习指导书。
在学生用来学习的计算机上,安装和设置Hspice,根据实验学习指导书完成实验内容。
此实验教学手册可作为用作独立的学习指导书,也可作为CMOS模拟集成电路设计的课程实验手册。
对应的参考教材是P.E.Allen和D.R.Holberg的CMOSAnalogCircuitDesign。
实实实实验验验验目目目目录录录录实验一实验一实验一实验一:
EDAEDAEDAEDA仿真软件仿真软件仿真软件仿真软件HspiceHspiceHspiceHspice及及及及CMOSCMOSCMOSCMOS工艺技术参数工艺技术参数工艺技术参数工艺技术参数实验二实验二实验二实验二:
CMOSDifferentialAmplifierDesignCMOSDifferentialAmplifierDesignCMOSDifferentialAmplifierDesignCMOSDifferentialAmplifierDesign差分放大器设计差分放大器设计差分放大器设计差分放大器设计实验三实验三实验三实验三:
CMOSOperationalAmplifierDesignCMOSOperationalAmplifierDesignCMOSOperationalAmplifierDesignCMOSOperationalAmplifierDesign运算放大器设计运算放大器设计运算放大器设计运算放大器设计实验四实验四实验四实验四:
CMOSAnalogCMOSAnalogCMOSAnalogCMOSAnalog-totototo-DigitalConverterDigitalConverterDigitalConverterDigitalConverter模数转换器模数转换器模数转换器模数转换器(ADCADCADCADC)设计设计设计设计1实验一实验一实验一实验一、HspiceHspiceHspiceHspice基础基础基础基础及及及及CMOSCMOSCMOSCMOS工艺技术参数工艺技术参数工艺技术参数工艺技术参数1.实验目的实验目的实验目的实验目的:
学习和掌握EDA仿真软件Hspice;了解CMOS工艺技术及元器件模型,掌握MOSFET工作原理及其电压电流特征;通过仿真和计算,获得CMOS中NMOS和PMOS的工艺参数,为后续实验作准备2.实验内容实验内容实验内容实验内容:
1)安装和设置Hspice2)仿真获得PMOS和NMOS的工艺参数,pntptnpnKKVV3)设计反相器使其开关阀值电压为0.25Vdd,0.5Vdd,或0.75Vdd3.3.3.3.预备知识预备知识预备知识预备知识:
3.13.13.13.1HspiceHspiceHspiceHspice输入程序输入程序输入程序输入程序结构结构结构结构Hspice的输入电路程序典型格式如下:
*标题描述标题描述标题描述标题描述(*引导的注解叙述可安插入其内任一行引导的注解叙述可安插入其内任一行引导的注解叙述可安插入其内任一行引导的注解叙述可安插入其内任一行)电电电电路路路路主主主主体体体体电路描述电路描述电路描述电路描述(资料叙述资料叙述资料叙述资料叙述)分析形态分析形态分析形态分析形态(控制叙述控制叙述控制叙述控制叙述)(输出叙述输出叙述输出叙述输出叙述).END(结束叙述结束叙述结束叙述结束叙述)-以下用实例说明以下用实例说明以下用实例说明以下用实例说明HspiceHspiceHspiceHspice的输入电路程序的输入电路程序的输入电路程序的输入电路程序。
2NMOSINMOSINMOSINMOSI-VCharacteristicVCharacteristicVCharacteristicVCharacteristic测试电路测试电路测试电路测试电路:
图1-1NMOSI-V特性测试电路-nmos.sp*标题描述标题描述标题描述标题描述*NMOSI-VCharacteristic.OPTIONSLISTNODEPOST.LIBtsmc_025um_model.libCMOS_MODELSM12100CMOSNL=0.24UW=1uVGS100.8VDS201.DCVGS0.61.80.1.DCVDS02.50.1.PRINTDCI(M1).END-33.23.23.23.2NMOSNMOSNMOSNMOS和和和和PMOSPMOSPMOSPMOS的的的的IIII-VVVV工作特性工作特性工作特性工作特性半导体集成电路设计最常采用的两种工艺是Bipolar工艺和MOS工艺。
近年来,由于MOS工艺可设计出高密度的电路,用户对高密度数字电路(如存储器和微处理器)的需求推动了MOS工艺在数字电路应用中的巨大发展。
模拟和数字电路兼容在同一芯片上又催化MOS模拟电路设计的发展。
当前,MOS工艺中CMOS工艺占主导地位,许多新的VLSI集成电路设计采用CMOS工艺。
本实验阐述CMOS工艺中元器件NMOS和PMOS用于模拟电路设计时的I-V工作特性。
3.2.13.2.13.2.13.2.1CCCCMOSMOSMOSMOS晶体管晶体管晶体管晶体管结构结构结构结构图1-2显示了采用P阱工艺制作的n沟和p沟MOS晶体管的结构。
P沟器件(PMOS)形成在衬底为轻掺杂n-的材料上。
同样,n沟晶体管(NMOS)是在一轻掺杂的p-阱内(p阱工艺)。
图1-2P阱CMOS工艺中NMOS和PMOS结构在NMOS的多晶硅(G)是加一正电位(对轻掺杂的p-阱-接地),且当此电压差大于一定电压(Vthn),氧化层下的轻掺杂的p-阱转化成n-type,从而和源(S)、漏(D)两端n+形成n沟道。
当D和S之间有压差,NMOS就会导通,形成漏源电流IDSn。
PMOS的工作相反,多晶硅(G)是加一负电位(对轻掺杂的n-衬底-接VDD),且当此电压差大于一定电压(Vthp),氧化层下的轻掺杂的n-阱转化成p-type,4从而和源(S)、漏(D)两端p+形成p沟道。
当D和S之间有压差,PMOS就会导通,形成源漏电流ISDp。
3.2.23.2.23.2.23.2.2NNNNMOSMOSMOSMOS晶体管晶体管晶体管晶体管IIII-VVVV工作特性工作特性工作特性工作特性NMOS晶体管I-V工作特性可用其简单的大信号模型来表示。
图1-3显示NMOS晶体管电流电压方向。
图1-4显示NMOS工作区。
图1-3NMOS晶体管电流电压方向图1-4NMOS工作区NMOS有三个工作区,截止区,线性区,和饱和区。
其端点电压及漏源电流I-V特性在不同工作区分别如下:
5?
截止区截止区截止区截止区VGSVT且ID=0?
线性区线性区线性区线性区0VDSVGSVTH且DSDSTGSnnDSnVVVVLWKI)
(2)(=?
饱和区饱和区饱和区饱和区0VGSVTHVDS且)1()()(212DSnTGSnnDSnVVVLWKI+=1-1其中是跨导参数,是阀值电压,和是的宽和长度,是沟道长度调制系数。
3.2.33.2.33.2.33.2.3模拟电路中模拟电路中模拟电路中模拟电路中CMOSCMOSCMOSCMOS工作在饱和状态区工作在饱和状态区工作在饱和状态区工作在饱和状态区CMOS工艺中NMOS和PMOS用于模拟电路设计时必须工作在饱和区。
这一现象由MOSFET的小信号模型的线性特征所决定。
)()(TGSnngsdsmVVLWKvig=饱和状态下NMOS电压电流关系公式1-1中的参数,和是CMOS工艺参数,理想状态下是常数。
针对一具体CMOS工艺技术,通过仿真求取以上工艺参数是模拟电路设计的第一步。
4.4.4.4.实验步骤实验步骤实验步骤实验步骤:
练习一练习一练习一练习一:
下下下下载载载载/安装安装安装安装/设置设置设置设置HspiceHspiceHspiceHspice仿真软件仿真软件仿真软件仿真软件步骤一步骤一步骤一步骤一:
在本机的桌面建一子目录2008Hspice。
步骤二步骤二步骤二步骤二:
从指定的机器和目录中,下载图1-5中23个压缩文件到本机的子目录2008Hspice下。
文件_Hspice.part01到_Hspice.part22是Hspice的setup文件的压缩,_Hspice.2008-03是Hspice2008版的license文件的压缩。
6图1-5Hspice2008的压缩文件步骤步骤步骤步骤三三三三:
双击文件_Hspice.part01,解压缩HspiceSetup文件到目录2008H_HspiceHspice中,如图1-6所示。
图1-6HspiceSetup文件步骤步骤步骤步骤四四四四:
双击文件_Hspice_2008-03,解压缩HspiceLicense文件到目录2008H_Hspice_2008-03中,如图1-7所示。
7图1-7HspiceLicense文件步骤步骤步骤步骤五五五五:
安装Hspice20081.双击目录2008H_HspiceHspice中的文件hspice_vA-2008.03-SPI_Win_Setup,开始Hspice2008的安装Wizard,如图1-8所示。
图1-8HspiceInstallShieldWizard2.选择安装目录。
Click“Next”选择default目录,如图1-9所示。
C:
synopsysHspice_A-2008.03-SPI是default的目录。
8图1-9InstallShieldWizard选择安装目录3.Click“Next”选择“TypicalSetup”,如图1-10所示。
图1-10InstallShieldWizard选择Setup的类型4.Click“Next”选择“HSPICEA-2008.03-SPI”作为WindowProgram中的名字,如图1-11所示。
9图1-11WindowProgram中的名字5.Click“Next”确定所有HspiceSetup选项,如图1-12所示。
如图1-13所示,InstallShieldWizard开始Hspice2008的安装。
图1-12列表所有HspiceSetup选项10图1-13HspiceInstalling6.Click“OK”以忽略安装中的Warnings如图1-14。
图1-14安装中Warnings7.如图1-15,Click“OK”以确论license文件的路径变量设置的要求信息。
HSPICE2008安装完成后,再设置系统环境变量。
11图1-15环境变量修改信息8.Click图1-16中“Finish”以完成安装。
图1-16InstallationCompleted步骤步骤步骤步骤六六六六:
设置Hspice2008的license文件路径变量。
1.从桌面目录2008H_Hspice_2008-03中,复制hp_2008-03.lic文件到目录C:
synopsys中。
2.在桌面desktop上,在“我的电脑”或“Computer”上,右击鼠标;选12“property”;再选“advancedenvironmentvariables”;在uservariables,选”New”生成一个新环境变量如图1-17所示。
图1-17环境变量设置步骤七步骤七步骤七步骤七:
测试测试测试测试2008Hspice2008Hspice2008Hspice2008Hspice1.点击start(开始),到allprograms,选HSPICE_A-2008.03-SP1,点击Hspui_A-2008.03-SP1。
Hspice2008的用户界面显示如图1-18。
图1-18Hspice_2008用户界面132.点击Hspice_2008用户界面的File,选open,然后open目录C:
synopsysHspice_A-2008.03-SP1Demohspicemos下任意Hspice设计文件,如mosiv.sp。
Hspice_2008用户界面将自动装载相应的文档,如图1-19所示。
图1-19装置了设计的Hspice_2008用户界面3.点击Hspice_2008用户界面中左下角的“Simulate”,Hspice_2008开始仿真,仿真后的用户界面如图1-20所示。
图1-20仿真后用户界面4.点击“EditSL”查看仿真输出表,如图1-21。
14图1-21仿真输出表5.点击“Avanwave”查看仿真结果,如图1-22。
在“ResultsBrowser”窗口,选仿真sw1;Types选Currents;在Curves双击I(Vds,打开此mos的漏-源电流随漏-源电压的变化曲线窗口“AvanWaves”。
图1-22仿真结果6.运行到此,Hspice_2008安装成功。
15练习二练习二练习二练习二:
NMOSNMOSNMOSNMOS工艺参数工艺参数工艺参数工艺参数目的目的目的目的:
通过仿真,获得所给工艺中NMOS和PMOS的工艺参数,如,pntptnpnKKVV。
方法方法方法方法:
对于给定长宽的MOSFET,通过Hspice仿真,测得几组栅-源电压,漏-源电压和漏-源电流数据,代人公式)1()()(212DSnTGSnnDSnVVVLWKI+=,求得对应的工艺参数,pntptnpnKKVV。
步骤步骤步骤步骤:
步骤一步骤一步骤一步骤一:
在本机目录C:
synopsys中,建一子目录“project”,并从指定目录中download工艺库文件(1111)tsmc_025um_modellib(2222)tsmc_035um_model.lib(3333)tsmc_050um_model.lib(4444)tsmc_018_model.lib(5555)ibm_013um_model.lib步骤步骤步骤步骤二二二二:
在目录C:
synopsysproject中,建一子目录“lab1”用于实验一的工作目录。
步骤步骤步骤步骤三三三三:
在目录C:
synopsysprojectlab1中,用编辑器Notepad产生一个文件nmos_para.sp如图1-23所示。
此例所用工艺模型是TSMC0.25um。
图1-23nmos_para的Hspice文件步骤四步骤四步骤四步骤四:
从本机的“start开始”,打开Hspice_2008用户界面HspuiA-2008.03-SPI;在用户界面窗口,从文件File到open,打开目录C:
synopsysprojectlab1下Hspice文件nmos_para.sp,如图1-24所示:
16图1-24nmos_para.sp调入Hspui步骤步骤步骤步骤五五五五:
点击“Simulate”,仿真完成。
步骤步骤步骤步骤六六六六:
双击“Avanwaves”,测量仿真结果。
在“ResultBrowser”窗口,移动鼠标并点击选择仿真结果sw0:
DCnmosI-VCharacteristics;在Type中选currents,在Curves中,双击I(M1;在AvaneWaves,显示NMOS在Vgs为0.8v和1v时的I-VCharacteristics,如图1-25NMOSI-VCharacteristics。
图1-25NMOSI-VCharacteristics17步骤步骤步骤步骤七七七七:
移动鼠标到AvanWaves窗口,点鼠标器右键,选“Gridoff“;点击左上角菜单中”Windows”,选”FlipColor“;点击左上角WaveList中Do:
Sw0:
i(m1),移动鼠标到菜单中的”Panels“,选择”EditCurve“修改仿真输出曲线的颜色(成黑色)。
步骤步骤步骤步骤八八八八:
在AvanWaves中,用菜单中的“Measures”,如用pointToPoint分别测量Vin(Vgs)为0.8v和1v输出线上,Vout(Vds)为1v和1.5v时的电流,如图1-26,图中下半部四个量是上半部所测量的电流的放大图。
图1-26测量的Vds(X)-Ids(Y)步骤步骤步骤步骤九九九九:
计算Kn,Vtn和n。
从图1-26,所测的数据如下表:
VdsVdsVdsVdsIdsIdsIdsIds1v1v1v1v1.5v1.5v1.5v1.5v0.8v0.8v0.8v0.8v74.8uA74.8uA74.8uA74.8uA82.7uA82.7uA82.7uA82.7uAVgsVgsVgsVgs1v1v1v1v165uA165uA165uA165uA177uA177uA177uA177uA18)5.11()8.0)(24.02(27.82)11()8.0)(24.02(28.7422vnVtnvumumknuavnVtnvumumKnuA+=+=?
27.0n22)8.0)(24.02(28.74)1)(24.02(2165VtnvumumKnuAVtnvumumKnuA=?
210739.0VuAKnvVtn步骤步骤步骤步骤十十十十:
重复步骤三到步骤九,测TSMC0.25um工艺中pmos参数Kp,Vtp和p.测量pmos工艺参数的Hspice文件:
图1-27pmos_para.sp测量pmosI-Vcharacteristics如图1-28所示。
19图1-28pmosI-Vcharacteristics计算计算计算计算KpKpKpKp,VtpVtpVtpVtp和和和和pppp。
从图从图从图从图1111-28282828,所测的数据如下表所测的数据如下表所测的数据如下表所测的数据如下表|Vsd|Vsd|Vsd|Vsd|Ids|Ids|Ids|Ids|1v1v1v1v1.5v1.5v1.5v1.5v0.8v0.8v0.8v0.8v20.3uA20.3uA20.3uA20.3uA22.3uA22.3uA22.3uA22.3uA|Vsg|Vsg|Vsg|Vsg|1v1v1v1v49.8uA49.8uA49.8uA49.8uA53.1uA53.1uA53.1uA53.1uA)5.11(|)|1)(24.02(21.53)11(|)|1)(24.02(28.4922vpVtpvumumKpuAvpVtpvumumKpuA+=+=?
152.01p20)5.11(|)|8.0)(24.02(23.22)11(|)|8.0)(24.02(23.2022vpVtpvumumKpuAvpVtpvumumKpuA+=+=?
245.02p?
20.0221+ppp22|)|8.0)(24.02(23.20|)|1)(24.02(28.49VtpvumumKpuAVtpvumumKpuA=?
25.39145.0|1|VuAKpvVtp22|)|8.0)(24.02(23.22|)|1)(24.02(21.53VtpvumumKpuAVtpvumumKpuA=?
22.39243.0|2|VuAKpvVtp?
23.3922144.02|2|1|VuAKpKpKpvVtpVtpVtp=+=+TSMC0.25umTSMC0.25umTSMC0.25umTSMC0.25um工艺参数工艺参数工艺参数工艺参数:
210739.027.0VuAKnvVtnn23.3944.0|20.0VuAKpvVtpp步骤步骤步骤步骤十一十一十一十一:
代替工艺模型TSMC0.25um,用TSMC0.18um工艺模型重复以上步骤,测量0.18um工艺参数Kn/Kp,Vtn/Vtp,和n/p.21练习三练习三练习三练习三:
反相器设计反相器设计反相器设计反相器设计目的目的目的目的:
通过仿真,获得所用工艺设计反相器时NMOS和PMOS的物理大小的匹配,以便于CMOS工艺电路设计。
要求要求要求要求:
用TSMC0.25um工艺,设计一组输出电压为0.25Vdd,0.5Vdd,和0.75Vdd的CMOS反相器步骤步骤步骤步骤:
步骤一步骤一步骤一步骤一:
用练习二中所获工艺参数,计算不同输出电压的反相器的NMOS和PMOS物理大小比例。
TSMC0.25umTSMC0.25umTSMC0.25umTSMC0.25um工艺参数工艺参数工艺参数工艺参数:
210739.027.0VuAKnvVtnn23.3944.0|20.0VuAKpvVtpp输出电压输出电压输出电压输出电压0.25Vdd0.25Vdd0.25Vdd0.25Vdd:
由IdspIdsn=)75.01(|)|75.0)
(2)25.01()25.0)(222VddpVtpVddLWpKpVddnVtnVddLWnKn+=+=16)5.225.027.01()39.05.225.0(107)5.275.020.01()44.05.275.0(3.39)25.01()25.0()75.01(|)|75.0(2222+=+=Vddn
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