电子科技大学CMOS模拟集成设计Hspice仿真

饱和区 0 < VGS – VTHｎ ＜ VDS
I DSn =
且 [1-1]
1 W K n ( ) n (VGS − VT ) 2 (1 + λ nV DS ) 2 L
其中 Ｋｎ
是跨导参数，ＶＴ 是ＮＭＯＳ阀值电压，Ｗ和Ｌ是ＮＭＯＳ的宽
和长度，λｎ是沟道长度调制系数。
3.2.3 模拟电路中 CMOS 工作在饱和状态区 CMOS 工艺中 NMOS 和 PMOS 用于模拟电路设计时必须工作在饱和区。这一现象 由 MOSFET 的小信号模型的线性特征所决定。 gm = ∆ids W ≅ K n ( ) n (VGS − VT ) ∆v gs L
Hspice 的输入电路程序典型格式如下： *标题描述 电 路 主 体 电路描述 （资料叙述） 资料叙述） 分析形态 （控制叙述） 控制叙述） （输出叙述） 输出叙述） .END (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）
Байду номын сангаас
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图 1-13 Hspice Installing
6.
Click “OK”以忽略安装中的 Warnings 如图 1-14。
图 1-14 安装中 Warnings
7. 如图 1-15,Click “OK”以确论 license 文件的路径变量设置的要求信 息。HSPICE2008 安装完成后，再设置系统环境变量。
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 NMOS 晶体管 I-V 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。
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图 1-11 Window Program 中的名字
5. Click “Next”确定所有 Hspice Setup 选项, 如图 1-12 所示。 如图 1-13 所示，InstallShield Wizard 开始 Hspice 2008 的安装。
图 1-12 列表所有 Hspice Setup 选项
nmos.sp *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)
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图 1-15 环境变量修改信息
8. Click 图 1-16 中 “Finish”以完成安装。
图 1-16 Installation Completed
步骤六 步骤六：设置 Hspice2008 的 license 文件路径变量。 1. 从桌面目录 2008Hspice\_Hspice_2008-03\中，复制 hp_2008-03.lic 文件到目录 C:\synopsys\中。 2. 在桌面 desktop 上，在 “我的电脑”或“Computer”上，右击鼠标；选
3. Click “Next”选择“Typical Setup”, 如图 1-10 所示。
图 1-10 InstallShield Wizard 选择 Setup 的类型
4. Click “Next”选择“HSPICE A-2008.03-SPI”作为 Window Program 中 的名字, 如图 1-11 所示。
实验一、 实验一、Hspice 基础及 基础及 CMOS 工艺技术参数
1. 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
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：
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截止区 VGS < VT 且 ID = 0 线性区 0 < VDS < VGS – VTHｎ 且
I DSn = K n ( W ) n [2(VGS − VT ) − V DS ]V DS L
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图 1-5 Hspice 2008 的压缩文件
步骤三 步骤三：双击文件 _Hspice.part01，解压缩 Hspice Setup 文件到目录 2008Hspice\_Hspice\Hspice\中，如图 1-6 所示。
图 1-6 Hspice Setup 文件
以下用实例说明 Hspice 的输入电路程序。 的输入电路程序。
1
NMOS II-V Characteristic 测试电路： 测试电路：
图 1-1 NMOS I-V 特性测试电路 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
2.
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 K p , K n , Vtp , Vtn , λ p , λn 3) 设计反相器使其开关阀值电压为 0.25Vdd， 0.5Vdd，或 0.75Vdd
3. 预备知识： 预备知识： 3.1 Hspice 输入程序结构 输入程序结构
*标题描述
.END ------------------------------------------------------------
2
3.2 NMOS 和 PMOS 的 I-V 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。
步骤四 步骤四：双击文件 _Hspice_2008-03，解压缩 Hspice License 文件到 目录 2008Hspice\_Hspice_2008-03\中，如图 1-7 所示。
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图 1-7 Hspice License 文件
步骤五 步骤五：安装 Hspice2008 1. 双击目录 2008Hspice\_Hspice\Hspice\中的文件 hspice_vA-2008.03-SPI_Win_Setup, 开始 Hspice2008 的安装 Wizard， 如图 1-8 所示。
，且当此电 在 NMOS 的多晶硅（G）是加一正电位（对轻掺杂的 p- 阱--接地） 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，
实验目录
实验一： 实验一：EDA 仿真软件 Hspice 及 CMOS 工艺技术参数 实验二： 实验二：CMOS Differential Amplifier Design 差分放大器设计 实验三： 实验三：CMOS Operational Amplifier Design 运算放大器设计 实验四： 实验四：CMOS AnalogAnalog-toto-Digital Converter 模数转换器（ 模数转换器（ADC） ADC）设计
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 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 2011-12
前
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》 。