电子科技大学CMOS模拟集成设计Hspice仿真

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,,,,,pntptnpnKKVVλλ3)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0VDSVGS–VTHｎ且DSDSTGSnnDSnVVVVLWKI])(2[)(--=
饱和区饱和区饱和区饱和区0VGS–VTHｎ＜VDS且)1()()(212DSnTGSnnDSnVVVLWKIλ+-=[1-1]其中ＫＫＫＫｎｎｎｎ是跨导参数，ＶＶＶＶＴＴＴＴ是ＮＭＯＳ阀值电压，ＷＷＷＷ和ＬＬＬＬ是ＮＭＯＳ的宽和长度，λλλλｎｎｎｎ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-≅ΔΔ=饱和状态下NMOS电压电流关系公式[1-1]中的参数ＫＫＫＫｎｎｎｎ,ＶＶＶＶＴＴＴＴ和λλλλｎｎｎｎ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eetop.cn_Hspice.part01到eetop.cn_Hspice.part22是Hspice的setup文件的压缩，eetop.cn_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eetop.cn_Hspice.part01，解压缩HspiceSetup文件到目录2008Hspice\eetop.cn_Hspice\Hspice\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eetop.cn_Hspice_2008-03，解压缩HspiceLicense文件到目录2008Hspice\eetop.cn_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2008Hspice\eetop.cn_Hspice\Hspice\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1-8Hspic