西工大cmos实验报告一

模拟CMOS集成电路实验一
一、PPT示例
执行示例中的仿真程序，给出仿真结果。

并在NMOS的栅源电压为1.2V时，PMOS源栅电压等于1.2V时，分别仿真得出二者漏电流特性曲线。

这种情况下，手工计算出对于NMOS，当VDS=1V时漏电流、跨导的值；对于PMOS VSD=1V 时漏电流、跨导的值。

并与仿真结果比较。

沟道长度设置为1u，观察器件的漏电流有怎样的变化？
A.示例MOS管IV 漏电流特性曲线
1. Hspice仿真
SP文件如下：
.title MOS IV characters
**************model NMOS************************
.MODEL NMOS NMOS (
+LEVEL=1 VT0=0.7 GAMMA=0.45 PHI=0.9
+NSUB=9e+14 LD=0.08e-6 U0=350 LAMBDA=0.1
+TOX=9e-9 PB=0.9 CJ=0.56e-3 CJSW=0.35e-11
+MJ=0.45 MJSW=0.2 CGDO=0.4e-9 JS=1.0e-8)
**************model PMOS************************
.MODEL PMOS PMOS (
+LEVEL=1 VT0=-0.8 GAMMA=0.4 PHI=0.8
+NSUB=5e+14 LD=0.09e-6 U0=100 LAMBDA=0.2
+TOX=9e-9 PB=0.9 CJ=0.94e-3 CJSW=0.32e-11
+MJ=0.5 MJSW=0.3 CGDO=0.3e-9 JS=0.5e-8)
************************************************
**************netlist***************************
M1 DN GN SN BN NMOS W=1u L=0.5u
M2 DP GP SP BP PMOS W=1u L=0.5u
**************source****************************
VDSN DN SN 0
VGSN GN SN 0
VSN SN 0 0
VBN BN 0 0
VSDP SP DP 0
VSGP SP GP 0
VSP SP 0 3.3
VBP BP 0 3.3
**************analysis**************************
.DC VDSN 0 3.3 0.05 sweep VGSN 0 3 0.5
.DC VSDP 3.3 0 0.05 sweep VGSN 0 3 0.5
.probe i(M1) i(M2) lx7(M1) lx7(M2) .end
2.仿真图
B. NMOS的栅源电压为1.2V，PMOS源栅电压等于1.2V, 漏电流特性曲线
1. Hspice仿真
SP文件
.title MOS IV characters
**************model NMOS************************
.MODEL NMOS NMOS (
+LEVEL=1 VT0=0.7 GAMMA=0.45 PHI=0.9
+NSUB=9e+14 LD=0.08e-6 U0=350 LAMBDA=0.1
+TOX=9e-9 PB=0.9 CJ=0.56e-3 CJSW=0.35e-11
+MJ=0.45 MJSW=0.2 CGDO=0.4e-9 JS=1.0e-8)
**************model PMOS************************
.MODEL PMOS PMOS (
+LEVEL=1 VT0=-0.8 GAMMA=0.4 PHI=0.8
+NSUB=5e+14 LD=0.09e-6 U0=100 LAMBDA=0.2
+TOX=9e-9 PB=0.9 CJ=0.94e-3 CJSW=0.32e-11
+MJ=0.5 MJSW=0.3 CGDO=0.3e-9 JS=0.5e-8)
************************************************
**************netlist***************************
M1 DN GN SN BN NMOS W=1u L=0.5u
M2 DP GP SP BP PMOS W=1u L=0.5u
**************source****************************
VDSN DN SN 0
VGSN GN SN 1.2
VSN SN 0 0
VBN BN 0 0
VSDP SP DP 0
VSGP SP GP 1.2
VSP SP 0 3.3
VBP BP 0 3.3
**************analysis**************************
.DC VDSN 0 3.3 0.05
.DC VSDP 3.3 0 0.05
.probe i(M1) i(M2)
.end
2.仿真图
3.手工计算与分析
○1对于NMOS ：7.0,350u 9.02,45.01.00=====TH n F V ，，φγλ
当GS V =1.2V ，DS V =1V 时，NMOS 工作在饱和区，则
有:21()(1)2'
D n OX GS TH DS W I C V V V L μλ=-+ ()2mNMOS n OX GS TH n NMOS W W g C V V I L L μμ=-=
其中：TH V =F
SB F TH V V φφγ220-++ 代入参数可计算得：
454.32.1710NMOS mNMOS I A g S μ-=⎧⎨=⨯⎩
○2对于PMOS ：8.0,8.02,4.0,100u 2.00-=====TH F p V φγλ， SG V =1.2V,SD V =1V 时，PMOS 工作在饱和区，则：
()20.5(1)PMOS p OX GS TH DS W I C V V V L μλ=--+
()2mPMOS p OX GS TH p PMOS W W g C V V I L L μμ=-=
代入参数计算可得：
511.55.7610PMOS mNMOS I A g S
μ-=-⎧⎨=⨯⎩
C.沟道长度设置为1u, 漏电流特性曲线
二、课本习题2.5
a.图略
1.手工计算与分析：
λ=0.1，γ=0.45, 2F φ=0.9，0TH V =0.7
V GS =3-x V ，V DS =3-x V ，V SB =x V ，TH V =F SB F TH V V φφγ220-++
①当0)9.09.0(45.07.03>-+---=-X X TH G S V V V V 时，即X V <1.97时，
M1工作在饱和区：
DS TH GS ox n X V V V L
W C I )1()(u 212λ+-=)1.13.3()9.09.045.03.2(u 212X X X ox n V V V L
W C --+--= g m =D ox
n I L W C u 2=x ox n I L W C u 2 ○2 x V >1.97时， M1管将处于截止状态；
x I =0； m g =0。

2.分析草图：
3.Hspice 仿真
SP 文件
.title MOS IV characters
**************model NMOS************************ .MODEL NMOS NMOS (
+LEVEL=1 VT0=0.7 GAMMA=0.45 PHI=0.9
+NSUB=9e+14 LD=0.08e-6 U0=350 LAMBDA=0.1 +TOX=9e-9 PB=0.9 CJ=0.56e-3 CJSW=0.35e-11 +MJ=0.45 MJSW=0.2 CGDO=0.4e-9 JS=1.0e-8)
**************model PMOS************************ .MODEL PMOS PMOS (
+LEVEL=1 VT0=-0.8 GAMMA=0.4 PHI=0.8
+NSUB=5e+14 LD=0.09e-6 U0=100 LAMBDA=0.2 +TOX=9e-9 PB=0.9 CJ=0.94e-3 CJSW=0.32e-11 +MJ=0.5 MJSW=0.3 CGDO=0.3e-9 JS=0.5e-8)
************************************************
**************netlist***************************
M1 DN GN SN BN NMOS W=1u L=0.5u
**************source*****************
VDN DN 0 3
VGN GN 0 3
VSN SN 0 0
VBN BN 0 0
**************analysis******************
.DC VSN 0 1.5 0.05
.probe i(M1) lx7(M1)
.end
4.仿真图
b ．图略
1.手工计算与分析
λ=0.1，γ=0.45, 2F φ=0.9，0TH V =0.7
○1 当1X V V <时，源漏颠倒，M1管工作在线性区，则有： 1.9GS X V V =-；1DS X V V =-
21[2()]2X n ox GS TH DS DS W I C V V V V L
μ=---])1()1)(2.1(2[u 212X X X ox n V V V L W C -----=)4.1)(1(u 21X X ox n V V L W C ---= (1)X m n ox X GS I W g C V V L
μ∂==-∂ ○2 当 1 1.2X V V V <<时， M1管工作在线性区，则有：
1DS X S X V V V V =-=-;V V GS 9.019.1=-=
2211[()][0.4(1)(1)]22X n ox GS TH DS DS n ox X X W W I u C V V V V u C V V L L
=--=--- 21{[()]}(1)2m n ox GS TH DS DS n ox DS n ox X GS W W W g u C V V V V u C V u C V V L L L ∂=--==-∂ ○
3 当 1.2V V ≥时，M1管工作在饱和区,则： 21()0.022X n ox GS TH n ox W W I u C V V u C L L
=-= ()0.2m n ox GS TH n ox W W g u C V V u C L L
=-=
2.分析草图
3.Hspice仿真
.title MOS IV characters
**************model NMOS************************ .MODEL NMOS NMOS (
+LEVEL=1 VT0=0.7 GAMMA=0.45 PHI=0.9
+NSUB=9e+14 LD=0.08e-6 U0=350 LAMBDA=0.1 +TOX=9e-9 PB=0.9 CJ=0.56e-3 CJSW=0.35e-11 +MJ=0.45 MJSW=0.2 CGDO=0.4e-9 JS=1.0e-8)
**************model PMOS************************ .MODEL PMOS PMOS (
+LEVEL=1 VT0=-0.8 GAMMA=0.4 PHI=0.8
+NSUB=5e+14 LD=0.09e-6 U0=100 LAMBDA=0.2 +TOX=9e-9 PB=0.9 CJ=0.94e-3 CJSW=0.32e-11 +MJ=0.5 MJSW=0.3 CGDO=0.3e-9 JS=0.5e-8)
************************************************ **************netlist***************************
M1 DN GN SN BN NMOS W=1u L=0.5u
*****************source*****************
VDN DN 0 0
VGN GN 0 1.9
VSN SN 0 1
VBN BN 0 0
******************analysis******************
.DC VDN 0 3 0.05
.probe i(M1) lx7(M1)
.end
4.仿真图
仿真图与分析草图出现差异，原因在于：
当考虑衬底偏置效应时，当1>X V 时，γ=0.45, 2F φ=0.9，0TH V =0.7， TH V =F SB F TH V V φφγ220-++V 89.0)9.019.0(45.07.0=-++= 则有：0=X I 0g =m ，波形如下图所示：
c.图略
1.手工计算与分析
λ=0.1，γ=0.45, 2F φ=0.9，0TH V =0.7
○
1 当x V <0.3V 时，源漏倒置，M1管工作在饱和区，则： 1; 1.9GS X DS X V V V V =-=-；
22
11()(0.3)22X n ox GS TH n ox X W W I u C V V u C V L L =--=--
)3.0()3.0(-u =g n -=-x ox n x ox m V L W C u V L W C
○
2当 0.3X V V >时，M1将处于截止状态； x I =0， m g =0.
2.分析草图
3.Hspice 仿真
SP 文件
.title MOS IV characters
**************model NMOS************************
.MODEL NMOS NMOS (
+LEVEL=1 VT0=0.7 GAMMA=0.45 PHI=0.9
+NSUB=9e+14 LD=0.08e-6 U0=350 LAMBDA=0.1
+TOX=9e-9 PB=0.9 CJ=0.56e-3 CJSW=0.35e-11
+MJ=0.45 MJSW=0.2 CGDO=0.4e-9 JS=1.0e-8)
**************model PMOS************************
.MODEL PMOS PMOS (
+LEVEL=1 VT0=-0.8 GAMMA=0.4 PHI=0.8
+NSUB=5e+14 LD=0.09e-6 U0=100 LAMBDA=0.2 +TOX=9e-9 PB=0.9 CJ=0.94e-3 CJSW=0.32e-11 +MJ=0.5 MJSW=0.3 CGDO=0.3e-9 JS=0.5e-8)
************************************************ **************netlist***************************
M1 DN GN SN BN NMOS W=1u L=0.5u
*****************source*****************
VDN DN 0 0
VGN GN 0 1
VSN SN 0 1.9
VBN BN 0 0
******************analysis******************
.DC VDN 0 3 0.05
.probe i(M1) lx7(M1)
.end
4.仿真图
d.图略
1.手工计算与分析
8.0,8.02,4.0,2.00-====TH F V φγλ
①当8.10<<X V V 时，源漏倒置,M2管工作在饱和区，则：
0.9; 1.9GS DS X V V V V =-=-
210.01()22X p ox GS TH p ox W W I u C V V u C L L
=--=- ()0.1m p ox GS TH p ox W W g u C V V u C L L
=--=- ②.当V V V X 9.18.1<<时，M2管进入线性区，则：
0.9; 1.9GS DS X V V V V =-=-
2211[2()][0.2( 1.9)( 1.9)]22X p ox GS TH DS DS p ox X X W W I u C V V V V u C V V L L
=---=----( 1.9)X m p ox DS p ox X GS I W W g u C V u C V V L L ∂===-∂
③时，
当V V V X 39.1<<M2管工作在线性区，则： X
D S X G S V V V V -=-=9.1,1
2211[2()][2(1.8)(1.9)(1.9)]22X p ox GS TH DS DS p ox X X X W W I u C V V V V u C V V V L L
=--=----(1.9)X m p ox DS p ox X GS I W W g u C V u C V V L L ∂==-=--∂)9.1(ox -=X p V L W C u
2..分析草图
3. Hspice仿真
SP文件
.title MOS IV characters
**************model NMOS************************ .MODEL NMOS NMOS (
+LEVEL=1 VT0=0.7 GAMMA=0.45 PHI=0.9
+NSUB=9e+14 LD=0.08e-6 U0=350 LAMBDA=0.1 +TOX=9e-9 PB=0.9 CJ=0.56e-3 CJSW=0.35e-11 +MJ=0.45 MJSW=0.2 CGDO=0.4e-9 JS=1.0e-8)
**************model PMOS************************ .MODEL PMOS PMOS (
+LEVEL=1 VT0=-0.8 GAMMA=0.4 PHI=0.8
+NSUB=5e+14 LD=0.09e-6 U0=100 LAMBDA=0.2 +TOX=9e-9 PB=0.9 CJ=0.94e-3 CJSW=0.32e-11 +MJ=0.5 MJSW=0.3 CGDO=0.3e-9 JS=0.5e-8)
************************************************ **************netlist***************************
M2 DP GP SP BP PMOS W=1u L=0.5u
*****************source*****************
VSP SP 0 0
VGP GP 0 1
VDP DP 0 1.9
VBP BP 0 3
******************analysis******************
.DC VSP 0 3 0.05
.probe i(M2) lx7(M2)
.end
4.仿真图
e.图略
1.手工计算与分析
λ=0.1，γ=0.45, 2F φ=0.9，0TH V =0.7
0.5DS V =，0.9GS V =，1SB X V V =-
=TH V F SB F TH V V φφγ220-++)9.0|9.1|(45.07.0--+=X V ○1 )9.0|9.1|(45.02.0---=-≥X TH G S D S V V V V 时，即 1.82X V V ≤， M1管工作在饱和区；
2211()[0.20.45(|1.9|0.9)]22X n ox GS TH n ox X W W I u C V V u C V L L
=-=--- ()[0.20.45(|1.9|0.9)]m n ox GS TH n ox X W W g u C V V u C V L L
=-=--- ○2 0.20.45(|1.9|0.9)D S G S T H X V V V V <-=---时， 1.82X V V >，
M1管工作在线性区；
211[2()][0.050.45(|1.9|0.9)]22X n ox GS TH DS DS n ox X W W I u C V V V V u C V L L
=--=-+--12X m n ox DS n ox GS I W W g u C V u C V L L
∂===∂ 2.分析草图
3. Hspice 仿真
SP 文件
.title MOS IV characters
**************model NMOS************************ .MODEL NMOS NMOS (
+LEVEL=1 VT0=0.7 GAMMA=0.45 PHI=0.9
+NSUB=9e+14 LD=0.08e-6 U0=350 LAMBDA=0.1
+TOX=9e-9 PB=0.9 CJ=0.56e-3 CJSW=0.35e-11
+MJ=0.45 MJSW=0.2 CGDO=0.4e-9 JS=1.0e-8)
**************model PMOS************************ .MODEL PMOS PMOS (
+LEVEL=1 VT0=-0.8 GAMMA=0.4 PHI=0.8
+NSUB=5e+14 LD=0.09e-6 U0=100 LAMBDA=0.2
+TOX=9e-9 PB=0.9 CJ=0.94e-3 CJSW=0.32e-11
+MJ=0.5 MJSW=0.3 CGDO=0.3e-9 JS=0.5e-8)
************************************************
**************netlist***************************
M1 DN GN SN BN NMOS W=1u L=0.5u
*****************source***************** VDN DN 0 1.5
VGN GN 0 1.9
VSN SN 0 1
VBN BN 0 0
******************analysis****************** .DC VBN 0 3 0.05
.probe i(M1) lx7(M1)
.end
4.仿真图。