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Transcript 针对该图进行参数的提取 1
第8章
模拟集成电路仿真
主讲教师:邹志革
课程章节安排
第1章
第2章
第3章
第4章
第5章
第6章
第7章
第8章
第9章
绪论
放大器基础
MOS器件特性
单管放大器
差分放大器
电流源和电流镜
放大器的频率响应
模拟集成电路仿真
基本运算放大器设计
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课程内容
8.1 Hspice软件安装方法
8.2 电路图输入工具Viewdraw使用说明
8.2.1 WorkView软件简介
8.2.2 WorkView软件安装
8.2.3 Viewlogic使用简介
8.3 模拟集成电路的Hspice仿真
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8.1
Hspice软件安装方法
软件下载地址: http://icc.hust.edu.cn
执行setup,将Hspice安装到缺省路径
“C:\synopsys\Hspice2003.09\”下。
将license.dat文件拷贝到上述的安装路径下。
在计算机系统特性的“高级\环境变量”中添加变量:
LM_LICENSE_FILE,值为:
C:\synopsys\Hspice2003.09\license.dat。还有其它的license
(比如Modelsim的,也一并加上,中间用英文的“分号”格开)。
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Avanti Hspice 安装界面
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8.2
8.2.1
电路图输入工具Viewdraw使用说明
WorkView软件简介
Viewlogic是一个Windows的电路图输入工具。被不少IC设计公司采用。
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8.2.2
WorkView软件安装
Viewlogic的安装请参考文件夹下的Crack路径下的文本文件,该文件
有详细的安装说明。请按照安装说明的要求一步一步的安装。
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8.2.3
Viewlogic使用简介
在D盘建立工作目录,比如:D:\User\A1
将电路图元件库Basic拷贝到指定路径下:D:\User\lib\basic
创建工程,如图所示:
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添加元件库
为创建的工程添加元件库(我们为大家提供了Basic库),如图所示:
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启动ViewDraw软件
运行软件Viewlogic下的Toolboxes\……\ dxdesigner,启动ViewDraw
软件,准备电路图输入。
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建新的Schematic
在ViewDraw中建新的Schematic
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将库里的元件拖到电路图上
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完成电路图输入
将器件用导线连接,并加上关键线网的label,以及输入输出Pin
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导出该电路网表
导出该电路网表。注意导出网表时选择:Hspice、Hierarchal、Use
Node names等选项。
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导出的路网表
* Project A1
* Innoveda Wirelist Created with Version 6.3.5
* Inifile :
* Options : -h -d -n -m -x -c6
* Levels :
*
M1I1 OUT IN VDD VDD P_50 L=0.7U W=1.9U
M1I2 OUT IN VSS VSS N_50 L=0.7U W=1.9U
* DICTIONARY 1
* GND = 0
.GLOBAL VDD
.OPTIONS INGOLD=2 CSDF=2
.END
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修改网表
修改该网表,加上电源、输入激励、分析类型、仿真模型库等。
注意去掉上述网表中“CSDF=2”
启动Hspice进行仿真。
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模拟集成电路仿真工具——Hspice
1.SPICE 概览
2.仿真输入与控制
3.源和激励
4.分析类型
5.仿真输出与控制
6.元件与器件模型
7.优化
8.控制选项与收敛
9.图形工具
10.应用示范
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8.3
8.3.1
模拟集成电路的Hspice仿真
Hspice仿真的基本概念
SPICE : Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis
由California/Berkeley (UCB)大学开发
电路仿真的数值方法
电路节点和连接构成矩阵
必须依赖基于各种电路单元行为的模型
简单的 (e.g. Resistor)
复杂的(e.g. MOSFET)
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8.3.2
一个简单的Hspice例子
VDD
1
R1
V1
DC 10V
AC 1V
+
1K
2
-
R2
1K
C1
0.001µF
0
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仿真网表
A SIMPLE RC RUN
.OPTIONS LIST NODE POST
.OP
.AC DEC 10 1K 1MEG
*网表文件名
*设置输出选项为打印每一个节点名
*输出电路的静态工作点
*交流分析,频率从1KHz到1MEGHz
*按照每10倍频程10个点进行扫描
.PRINT AC V(1) V(2) I(R2) I(C1)
*打印电压V(1)、 V(2)以及流过R2,C1的
*电流的交流分析结果
V1 1 0 10 AC 1
* 设置V1连接位置及其直流电平及交流电平的大小
R1 1 2 1K
*设置R1连接位置及其大小
R2 2 0 1K
*设置R2连接位置及其大小
C1 2 0 .001U
*设置C1连接位置及其大小
.END
*网表的结束符,每个网表有且仅有一个结束符
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仿真结果
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HSPICE 数据流
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网表结构
标题 ------------------ Title Statement
控制 ----------------- .option nomod nopage
|
.tran 1 10
|
.print v(5) i(r1)
|------ .plot v(3) v(in)
* voltage sources
电源 ----------------- v3 3 0 dc 0 ac 0 pulse 0 1 0 0.1 0.1 4 8
vin in 0 sin(0 2 10k 0.5 0)
* Components
元件 ---------------- c2 2 0 2pf|
r1 1 0 1k
|
m1 1 2 3 4 mod L=10u W=30u
|---- x3 2 3 INV
*Model & Subcircuit
模型与子电路---- .model... or .LIB or .Subckt
文件结束---------- .end
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元件与节点命名约定
器件名称:
C 电容
D 二极管
E,F,G,H 受控电压电流源
I 电流源
J JFET or MESFET
K 互感
L 电感
M MOSFET
Q BJT
R 电阻
O,T,U 传输线
V 电压源
X 子电路调用
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电源
V6 6 0 DC=5V AC=1V
Pulse (PULSE Function)
Sinusoidal (SIN Function)
Exponential (EXP Function)
Piecewise Linear (PWL Function)
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PULSE 举例
Vin 1 0 PULSE ( 0V 5V 10ns 10ns 10ns 40ns 100ns )
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PWL举例
v3 3 0 pwl(0 0.5 10n 0.5 20n 4.5 2u 4.5 2.01u 0.5 4u 0.5
+ 4.01u 2.49 6u 2.49 6.01u 2.6 8u 2.6 8.01u 2.4 10u 2.4)
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分析类型
直流静态工作点:先于所有其他分析类型前计算
.OP ……
直流扫描与直流小信号分析
.DC ……
瞬态分析
.TRAN ……
交流扫描与小信号分析
.AC ……
其他高级功能
温度分析, 优化
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直流工作点分析
.OP 将打印出:
(1)节点电压:
(2)电源电流:
(3)功耗:
(4)半导体器件的电流,电感和电容。
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交流扫描与小信号分析
交流分析语句:
.AC :计算频域响应
.NOISE :噪声分析
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瞬态分析
瞬态分析语句:
.TRAN : 计算时域响应
.FOUR : 傅立叶分析
.FFT : 快速傅立叶变换
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输出文件一览
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输出命令
.PRINT : 打印数值分析结果
.PLOT :在.lis 文件中成低分辨率的图形
.PROBE : 只送入图形数据文件中的变量
.MEASURE : 打印已定义的测量的结果
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算术表达式
参数化 :
.PARAM WN=5u LN=10u VDD=5.0V
算术 :
.PARAM X=‘Y+5’
函数 :
.PARAM Gain(IN, OUT)=‘V(OUT)/V(IN)’
元件中的算术:
R1 1 0 r=‘ABS(V(1)/I(M1))+10’
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元件与器件模型
什么是元件?
什么是模型?
实例
器件的特性
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(1)元件的种类
无源元件:
R ---- Resistor
C ---- Capacitor
L ---- Inductor
有源元件:
K ---- Mutual Inductor
D ---- Diode
Q ---- BJT
J ---- JFET and MESFET
M ---- MOSFET
其他器件:
Subcircuit (X)
Behavioral (E,G,H,F,B)
Transmission Lines (T,U,O)
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MOSFET 元件语法举例:
M1 24 2 0 20 MN L=5u W=100u M=4
M2 1 2 3 4 MN 5u 100u
M3 4 5 6 8 N L=2u W=10u AS=100P
+ AD=100p PS=40u PD=40u
.OPTIONS SCALE=1e-6
M1 24 2 0 20 MODN L=5 W=100 M=4
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MOSFET 模型声明语句
.MODEL MODP PMOS LEVEL=2 VTO=-0.7
+ GAMMA=1.0......
.MODEL NCH NMOS LEVEL=39 TOX=2e-2 UO=600..........
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库工艺角模型
.LIB TT or (FF|SS|FS|SF)
.param toxn=0.0141 toxp=0.0148......
.lib ‘~/simulation/model/cmos.l’ MOS
.ENDL TT or (FF|SS|FS|SF)
.LIB MOS
.MODEL NMOD NMOS (LEVEL=49
+ TOXM=toxn LD=3.4e-8 , ......)
.ENDL MOS
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Hspice用户界面
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波形工具AvanWaves
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查看仿真结果
title
.options post probe
.probe v(a) v(b) v(out)
双击
Zou邹志革
Zhige
VLSI,
EST-ICC
HUST
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42
分析仿真结果
多信号波形显示在overlay和
stacked两种模式间切换,目前
为stacked,将切换为overlay
由波形可知实现了
与门的功能
缩放
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点击右键
43
分析仿真结果
加指针可以显示时间、电
压等,可用来测量与门输
出的tr, tf, td等指标
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8.4
MOS器件特性的仿真步骤
对单个器件仿真,从而得到MOS管的各种工艺参数,这是在某个工
艺下开展模拟集成电路设计的前提。MOS管的具体参数包括:
V TH
nCox
gm
p Cox
ro
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基于仿真看NMOS管IV特性
2
M1
1
VDS
VGS
0
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网表
* Project of NMOS Characteristics
M1 2 1 0 0 MN W=5U L= 2U M=1
*M? D G S B Model W L M
VGS 1 0 1V
VDS 2 0 5V
.OP
.lib 'D:\*.LIB' MOS_TT
.DC VDS 0 5 0.1 VGS 1 5 1
.PRINT DC V(2) I(M1)
.OPTION
.END
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仿真结果
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电路仿真步骤
第一步:对单个器件仿真,从而得到MOS管的各种工艺参数。具体
方法是:在对Vgs进行扫描时,得到的NMOS管的电压电流特性曲线。
1:Vth的提取
2: 的提取
3:gm的提取(注意其值是随ID的大小变化而变化的)
4: nCox 的提取
5: ro 的求取
6:Cox 的计算
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对Vgs进行扫描,得到NMOS管IV特性曲线
网表如下:
* project is written for parameters
.lib 'E:\CMOS_035_Spice_Model.lib' TT
M1 d g 0 0 N_33 W=2U L=1U M=1
VDD d 0 3.3
Vin g 0 1.5
.DC Vin 0 3.3 0.1
.Plot I(M1)
.OPTIONS LIST NODE POST
.OP
.END
(2.00V, 2.0E-4A)
(1.54V, 1.0E-4A)
660mV
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针对该图进行参数的提取
1:Vth的提取
在0.35um的工艺下,当
NMOS管的W=2U,L=1U
Vds=3.3V时 的值为0.66V。
(2.00V, 2.0E-4A)
(1.54V, 1.0E-4A)
660mV
邹志革
VLSI, HUST
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51
针对该图进行参数的提取
2:
nCox的提取
在图中我们截取了两个点(2.00V, 2.0E-4A)和(1.54V, 1.0E-4A)。
由NMOS管的电流电压方程
ID
1
W
nCox (Vgs Vth ) 2
2
L
我们可以知道:
(a)在 Vgs =2.0V时,I =2.0e-4A 加上
D
W
L =2 可以求得
nCox =1.02e-4
(2.00V, 2.0E-4A)
(b)在 Vgs =1.54V时,ID=1.0e-4A 加上
W
L
=2 可以求得
(1.54V, 1.0E-4A)
nCox =1.13e-4
取两者的平均值得nCox =1.07e-4
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660mV
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针对该图进行参数的提取
3:gm的提取(注意其值是随ID的大小变化而变化的)
nCox
=1.07e-4
在ID=1.0e-4A时,我们由公式
W
gm 2nCox I D
L
可以求得:
gm 2e 4
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针对该图进行参数的提取
4: 的提取
这里我们通过解析的方法近似求得: y k ( x x0) y0
在第四条曲线上取两点,(2.00V, 4.53E-4A) 和 (2.6V, 4.60E-4A)
5
4
通过两点拟合出的方程为 y 1.14 10 ( x 2) 4.5310
令y=0可以求得x=-41.7V
(2.0V,4.53E-4A)
(2.6V,4.60E-4A)
从而我们可以得到VM =41.7V,
如果要求得较为准确的值,可
以在每条曲线上取两点列解析
方程,求出不同的VM
然后求出平均值。
故可以求得:
1
VM
=0.02
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针对该图进行参数的提取
5:ro 的求取
由公式
1
ro
ID
可以求得在ID=1.0e-4A时,
1
ro
ID
=
1E 6
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55
The End !
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