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
华中科技大学远程教学
2
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
华中科技大学远程教学
3
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）。
华中科技大学远程教学
4
Avanti Hspice 安装界面
华中科技大学远程教学
5
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。
华中科技大学远程教学
6
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。
华中科技大学远程教学
7
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：
华中科技大学远程教学
8
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：
华中科技大学远程教学
9
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。
华中科技大学远程教学
10
建新的Schematic
 在ViewDraw中建新的Schematic
华中科技大学远程教学
11
将库里的元件拖到电路图上
华中科技大学远程教学
12
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
华中科技大学远程教学
13
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。
华中科技大学远程教学
14
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
华中科技大学远程教学
15
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。
华中科技大学远程教学
16
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
华中科技大学远程教学
17
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)
华中科技大学远程教学
18
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
华中科技大学远程教学
19
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
华中科技大学远程教学
20
仿真结果
华中科技大学远程教学
21
HSPICE 数据流
华中科技大学远程教学
22
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
华中科技大学远程教学
23
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
华中科技大学远程教学
24
电源
 V6 6 0 DC=5V AC=1V
 Pulse (PULSE Function)
 Sinusoidal (SIN Function)
 Exponential (EXP Function)
 Piecewise Linear (PWL Function)
华中科技大学远程教学
25
PULSE 举例
Vin 1 0 PULSE ( 0V 5V 10ns 10ns 10ns 40ns 100ns )
华中科技大学远程教学
26
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)
华中科技大学远程教学
27
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
华中科技大学远程教学
28
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。
华中科技大学远程教学
29
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
华中科技大学远程教学
30
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
华中科技大学远程教学
31
输出文件一览
华中科技大学远程教学
32
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
华中科技大学远程教学
33
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’
华中科技大学远程教学
34
元件与器件模型
 什么是元件？
 什么是模型？
 实例
 器件的特性
华中科技大学远程教学
35
（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)
华中科技大学远程教学
36
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
华中科技大学远程教学
37
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..........
华中科技大学远程教学
38
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
华中科技大学远程教学
39
Hspice用户界面
华中科技大学远程教学
40
波形工具AvanWaves
华中科技大学远程教学
41
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
华中科技大学远程教学
42
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
华中科技大学远程教学
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
华中科技大学远程教学
44
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
华中科技大学远程教学
45
基于仿真看NMOS管IV特性
2
M1
1
VDS
VGS
0
华中科技大学远程教学
46
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
华中科技大学远程教学
47
仿真结果
华中科技大学远程教学
48
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
华中科技大学远程教学
49
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
华中科技大学远程教学
50
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
华中科技大学远程教学
51
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
华中科技大学远程教学
660mV
52
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  2nCox I D
L
可以求得：
gm  2e  4
华中科技大学远程教学
53
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)  4.5310
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
华中科技大学远程教学
54
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
华中科技大学远程教学
55
The End ！
华中科技大学远程教学
56