模拟CMOS课程设计

目录
1 绪论 (1)
1.1设计背景 (1)
1.2 设计目标 (2)
2虚构形态NMOS反相器 (3)
2.1电路原理图 (3)
2.2HSPICE编程 (4)
2.3仿真结果 (5)
3叠接结构的电流镜 (10)
3.1电路原理图 (10)
3.2HSPICE 编程 (11)
3.3仿真结果 (12)
4威尔森电流镜 (13)
4.1电路原理图 (13)
4.2HSPICE编程 (14)
4.3仿真结果 (15)
总结 (16)
参考文献 (17)
1 绪论
1.1设计背景
随着信息技术及其产业的迅速发展，当今社会进入到了一个崭新的信息化时代。

微电子技术是信息技术的核心，模拟集成电路又是微电子技术的核心技术之一，因而模拟集成电路成为信息时代的重要技术领域。

模拟集成电路包含纯模拟信号处理功能的电路和A\D混合信号处理功能的电路。

其技术范围涉及数据转换器、线性和非线性放大器、电子开关和多路转换器、稳压电源调节器及其他模拟集成电路。

模拟集成电路主要用于对模拟信号完成采集、放大、比较、变换等功能。

集成电路技术的日益进步，使计算机辅助设计工具日趋成熟。

而各类模拟软件的加入，更加速了设计的过程。

近几年来，虽然制程技术一进入深亚微米（Deep Sub-micron）的新硅世纪，但是在集成电路设计上，仍以晶体管层次的线路模拟软件——SPICE软件为主。

虽然SPICE开发至今已超过20年，然而其重要性并未随着制程的进步而降低。

就国内的设计环境而言，商用的SPICE模拟软件主要有Hspice、Pspice、SBTspice、SmartSpice与Tspice等。

由于Hspice 其内建元件模型齐全，各类电路模拟与分析功能完整，故很多的集成电路产品利用Hspice辅助线路的设计与模拟，而有极好的效果呈现。

HSpice是Spice程序应用在PC上的程序，它的主要算法与Spice 相同。

由于HSpice A/D程序集成了模拟与数字电路的仿真运算法，
它不仅可以仿真单一的模拟电路或数字电路，而且可以有效、完善地仿真模拟和数字混合电路。

现实世界中的各种模拟信息经模拟集成电路采集、放大、变换等处理后，就可以得到计算机或数字电路处理所需的信号，从而实现人们需要的信息产品。

显然，模拟集成电路是模拟世界和数字化电子信息系统之间的桥梁。

1.2 设计目标
1.用HSpice得到虚构NMOS形态的反相器（pseudo NMOS inverter）。

2.用MOS场效应管实现叠接结构电流镜（Cascode Current Mirror）和威尔森电流镜（Wilson Current Mirror）。

3.用HSpice线路仿真软件对以上电路进行瞬态、交流模拟仿真，并观察波形。

2虚构形态NMOS反相器
2.1电路原理图
虚构NMOS形态的反相器（pseudo NMOS inverter）如图2.1所示，其中栅极接地的PMOS原件W-4um、L-2um，而NMOS栅极宽度为4um、6um、8um及16um的变化。

图2.1 虚构NMOS形态的反相器
2.2HSPICE编程
*EXERCISE8_12 pseudo nmos INVERTER
.options post=2 list
M1 2 0 3 3 MP L=2u W=4u
M2 2 1 0 0 MN L=2u W=4u
VDD 3 0 DC 5V
VIN 1 0 DC 5V
.MODEL MP PMOS (level=2 LD=0.250U TOX=365E-10
+ NSUB=6.193910E+15 VTO=-0.826989 KP=2.2870E-05
+ GAMMA=0.4793 PHI=0.6 U0=241.796 UEXP=0.214214
+ UCRIT=19100.4 DELTA=0.859687 VMAX=47972.9 XJ=0.250U + LAMBDA=5.403347E-02 NFS=2.351269E+11 NEFF=1.001
+ NSS=1.0E+12 TPG=-1.0 RSH=76.020 CGDO=3.54775E-10
+ CGSO=3.54775E-10 CGBO=6.981174E-10 CJ=2.2624E-04
+ MJ=0.46650 CJSW=2.3825E-10 MJSW=0.24660 PB=0.700)
.MODEL MN NMOS (LEVEL=2 LD=0.250U TOX=365E-10
+ NSUB=2.13818E+16 VTO=0.84898 KP=5.7790E-05
+ GAMMA=0.8905 PHI=0.6 U0=610.8 UEXP=0.244555
+ UCRIT=128615 DELTA=2.0298 VMAX=92227.9 XJ=0.250U
+ LAMBDA=1.956049E-02 NFS=2.307838E+12 NEFF=1
+ NSS=1.0E+12 TPG=1.0 RSH=22.730 CGDO=3.54775E-10
+ CGSO=3.54775E-10 CGBO=6.354506E-10 CJ=3.7740E-04
+ MJ=0.45890 CJSW=5.1360E-10 MJSW=0.36620 PB=0.800)
.DC VIN 0 5 0.001
.PRINT V(1) V(2)
.END
2.3仿真结果
当Wn = 4u时，Vckt = 2.931V.
volt voltage voltage
1 2
2.93100 2.9310 2.9316
V（1）、V(2)的输出波形如图2.2所示。

图2.2 Wn = 4u，V（1）、V(2)的输出波形
volt voltage voltage
1 2
2.57600 2.5760 2.5779 V（1）、V(2)的输出波形如图2.3所示。

图2.3 Wn = 6u，V（1）、V(2)的输出波形
volt voltage voltage
1 2
2.33400 2.3340 2.3397 V（1）、V(2)的输出波形如图2.4所示。

图2.4 Wn = 8u，V（1）、V(2)的输出波形
volt voltage voltage
1 2
1.88200 1.8820 1.8790 V（1）、V(2)的输出波形如图
2.5所示。

图2.5 Wn =16u，V（1）、V(2)的输出波形
Wn = 4u、Wn = 6u、Wn = 8u、Wn = 16u，V（1）、V(2)的输出波形的对比，如图2.6所示。

图2.6 V（1）、V(2)输出波形对比
可以看出，Vdd越高Vckt也越高，如图2.7所示（以Wn=4为例）所示。

图2.7 （以Wn=4u为例）
3叠接结构的电流镜
3.1电路原理图
如图3.1所示，直接以一直流电流源Idc直接供给叠接结构的电流镜（Cascode Current Mirror）。

图3.1叠接结构的电流镜（Cascode Current Mirror）
3.2HSPICE 编程
*Cascode Current Mirrors
*
.OPTIONS LIST POST=2
*
M1 1 1 0 0 MN W=20u L=2u
M2 2 1 0 0 MN W=20u L=2u
M3 3 3 1 0 MN W=20u L=2u
M4 4 3 2 0 MN W=20u L=2u
.MODEL MN NMOS(LEVEL=1 KP=40u GAMMA=0.5
+ PHI=0.6 VTO=1 LAMBDA=0.02) *
IDC 5 3 1m
*
VDD1 5 0 5V VDD 4 0 0V
*
.DC VDD 0 5 0.1 IDC 1m 2m 1m
.PRINT DC I(M3) I(M4)
*
.END
3.3仿真结果
模拟结果如图3.2所示。

图3.2
idc = 1.0000m idc = 2.0000m
V olt current current V olt current current
m3 m4 m3 m4 4.50000 1.0000m 994.8024u 4.50000 2.0000m 1.9638m 4.60000 1.0000m 995.3564u 4.60000 2.0000m 1.9657m 4.70000 1.0000m 995.8460u 4.70000 2.0000m 1.9679m 4.80000 1.0000m 996.2701u 4.80000 2.0000m 1.9700m
4.90000 1.0000m 996.6278u 4.90000 2.0000m 1.9720m
5.00000 1.0000m 99
6.9188u 5.00000 2.0000m 1.9740m
4威尔森电流镜
4.1电路原理图
威尔森电流镜（Wilson Current Mirror），其电路结构如图4.1所示。

他是一个用旁路串联反馈来提高输出阻抗的例子。

图4.1威尔森电流镜（Wilson Current Mirror）
4.2HSPICE编程
*Wilson Current Mirrors
*
.OPTIONS LIST POST=2
*
M1 2 1 0 0 MN W=20u L=2u
M2 1 1 0 0 MN W=20u L=2u
M3 4 2 1 0 MN W=20u L=2u
.MODEL MN NMOS(LEVEL=1 KP=40u GAMMA=0.5
+ PHI=0.6 VTO=1 LAMBDA=0.02) *
IDC 3 2 0
*
VDD1 3 0 5
VDD 4 0 0
*
.DC VDD 0 10 0.1 IDC 1m 2m 1m
.PRINT DC I(M1) I(M3)
*
.END
4.3仿真结果
模拟结果如图4.2所示。

图4.2
idc = 1.0000m idc = 2.0000m
V olt current current V olt current current
m3 m4 m3 m4 5.50000 1.0000m 935.0789u 5.50000 2.0000m 1.8227m 5.60000 1.0000m 935.1114u 5.60000 2.0000m 1.8196m 5.70000 1.0000m 935.1438u 5.70000 2.0000m 1.8232m 5.80000 1.0000m 935.1762u 5.80000 2.0000m 1.8262m
5.90000 1.0000m 935.2084u 5.90000 2.0000m 1.8288m
6.00000 1.0000m 935.2405u 6.00000 2.0000m 1.8311m
总结
本次课程设计通过对虚构反相器、电流镜电路的设计及用HSpice 仿真，对模拟电路的工作原理有了进一步的了解。

并且系统的学习了HSpice。

对HSpice基本的交直流、暂态分析功能、语法描述以及HSpice在电子领域中各层次模拟的特点有了进一步的了解。

对元件模型化与特性化的主要理念有了进一步的理解。

熟悉了HSpice的电路基本特性模拟，掌握了集成电路设计的基本方法。

通过两周的课程设计，综合运用所学的专业知识，完成了设计任务。

我对本专业的专业知识有了进一步的体会，并深入掌握了仿真方法和工具、同时为毕业设计打基础的实践环节。

理论是实践的基础，实践又是检验理论的有效途径。

在学习的过程中必须将二者结合起来，才能事半功倍。

总之，这次课程设计让我受益匪浅，非常感谢给予帮助的老师和同学。

参考文献
[1]钟文耀,郑美珠.CMOS电路模拟与设计—基于Hspice.全华科技图书股份有限公司印行,2006.
[2]何乐年,王忆.模拟集成电路设计与仿真. 科学出版社,2008.
[3]Davi A.Johns,Ken Martin.Analog Integrated Circuit Design.机械工业出版社,2005.。