电子科技大学CMOS模拟集成设计Hspice仿真.pdf-资料库

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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 CMOS 模拟集成电路设计 CMOS 模拟集成电路设计 CMOS CMOS 模拟集成电路设计模拟集成电路设计与与与与 Hspice Hspice 仿真仿真仿真仿真 Hspice Hspice 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《CMOS Analog Circuit Design》。

实实实实验验验验目目目目录录录录 CMOS 工艺技术参数 Hspice 及及及及 CMOS 仿真软件 Hspice EDA 仿真软件实验一实验一实验一实验一：：：：EDA 工艺技术参数工艺技术参数 CMOSCMOS Hspice 仿真软件仿真软件 EDA EDA Hspice 工艺技术参数 CMOS Differential Amplifier Design 差分放大器设计实验二实验二实验二实验二：：：：CMOS Differential Amplifier Design 差分放大器设计差分放大器设计 CMOS Differential Amplifier Design CMOS Differential Amplifier Design 差分放大器设计 CMOS Operational Amplifier Design 运算放大器设计实验三实验三实验三实验三：：：：CMOS Operational Amplifier Design 运算放大器设计运算放大器设计 CMOS Operational Amplifier Design CMOS Operational Amplifier Design 运算放大器设计 Digital Converter 模数转换器 CMOS Analog----totototo----Digital Converter 实验四实验四实验四实验四：：：：CMOS Analog 模数转换器（（（（ADCADCADCADC））））设计设计设计设计模数转换器 Digital Converter CMOS Analog CMOS Analog Digital Converter 模数转换器

CMOS 工艺技术参数 Hspice 基础基础基础基础及及及及 CMOS 实验一实验一实验一实验一、、、、Hspice 工艺技术参数工艺技术参数 CMOSCMOS Hspice Hspice 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 Hspice 2) 仿真获得 PMOS 和 NMOS 的工艺参数 , p n K K V V l l , , , , tp tn p n 3) 设计反相器使其开关阀值电压为 0.25Vdd， 0.5Vdd，或 0.75Vdd 3.3.3.3. 预备知识预备知识：：：：预备知识预备知识 3.13.13.13.1 Hspice Hspice 输入程序输入程序结构结构结构结构输入程序 Hspice Hspice 输入程序 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电电电电电路描述电路描述电路描述电路描述路路路路主主主主体体体体资料叙述））））（（（（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（（（（*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 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Hspice 的输入电路程序以下用实例说明 Hspice 以下用实例说明的输入电路程序。。。。的输入电路程序 Hspice 以下用实例说明以下用实例说明 Hspice 的输入电路程序 1

V Characteristic 测试电路 NMOS I----V Characteristic NMOS I 测试电路：：：：测试电路测试电路 V Characteristic NMOS I NMOS I V Characteristic 图 1-1 NMOS I-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 *NMOS I-V Characteristic .OPTIONS LIST NODE POST .LIB "tsmc_025um_model.lib" CMOS_MODELS M1 2 1 0 0 CMOSN L=0.24U W=1u VGS 1 0 0.8 VDS 2 0 1 .DC VGS 0.6 1.8 0.1 .DC VDS 0 2.5 0.1 .PRINT DC I(M1) .END ------------------------------------------------------------ 2

3.23.23.23.2 NMOS PMOS 的的的的 IIII----VVVV工作特性 NMOS 和和和和 PMOS 工作特性工作特性 PMOSPMOS NMOS NMOS 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。 3.2.1 CCCCMOSMOSMOSMOS 晶体管晶体管晶体管晶体管结构结构结构结构 3.2.1 3.2.1 3.2.1 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 1-2 P 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， 3

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。 3.2.2 NNNNMOSMOSMOSMOS 晶体管晶体管晶体管晶体管 IIII----VVVV 工作特性 3.2.2 工作特性工作特性 3.2.2 3.2.2 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 1-3 NMOS 晶体管电流电压方向图 1-4 NMOS 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： 4

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