ASIC课程设计——MOS输出级电路设计与Hspice仿真

目录

一．背景介绍 (1)

二．设计要求与任务 (2)

三．电路原理及设计方法 (2)

1．电阻负载共源级放大器电路原理分析 (3)

2．有源负载共源放大器设计方法 (5)

四．HSpice软件环境概述 (7)

1．简介 (7)

2．特点 (8)

3．界面预览 (8)

五．设计过程 (10)

六．结果和讨论 (11)

七．设计心得 (12)

八．库文件程序附录 (13)

一．背景介绍

ASIC是Application Specific Integrated Circuit的英文缩写，在集成电路界被认为是一种为专门目的而设计的集成电路。ASIC的设计方法和手段经历了几十年的发展演变，从最初的全手工设计已经发展到现在先进的可以全自动实现的过程。在集成电路界ASIC被认为是一种为专门目的而设计的集成电路。是指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。ASIC的特点是面向特定用户的需求，ASIC在批量生产时与通用集成电路相比具有体积更小、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增强、成本降低等优点。

ASIC分为全定制和半定制。全定制设计需要设计者完成所有电路的设计，因此需要大量人力物力，灵活性好但开发效率低下。如果设计较为理想，全定制能够比半定制的ASIC芯片运行速度更快。半定制使用库里的标准逻辑单元（Standard Cell），设计时可以从标准逻辑单元库中选择SSI（门电路）、MSI（如加法器、比较器等）、数据通路（如ALU、存储器、总线等）、存储器甚至系统级模块（如乘法器、微控制器等）和IP核，这些逻辑单元已经布局完毕，而且设计得较为可靠，设计者可以较方便地完成系统设计。现代ASIC常包含整个32-bit处理器，类似ROM、RAM、EEPROM、Flash的存储单元和其他模块. 这样的ASIC常被称为SoC（片上系统）。FPGA是ASIC的近亲，一般通过原理图、VHDL对数字系统建模，运用EDA软件仿真、综合，生成基于一些标准库的网络表，配置到芯片即可使用。它与ASIC的区别是用户不需要介入芯片的布局布线和工艺问题，而且可以随时改变其逻辑功能，使用灵活。

专用集成电路的开发可分为设计、加工与测试三个主要环节。设计过程包括：

①功能设计的目的是为电路设计做准备，将系统功能用于系统实现，便于按系统、电路、元件的级别做层次式设计。

②逻辑设计的结果是给出满足功能块所要求的逻辑关系的逻辑构成。它是用门级电路或功能模块电路实现，用表、布尔公式或特定的语言表示的。

③电路设计的目的是确定电路结构（元件联接关系）和元件特性（元件值、晶体管参数），以满足所要求的功能电路的特性，同时考虑电源电压变动、温度变动以及制造误差而引起的性能变化。

④布图设计直接服务于工艺制造。它根据逻辑电路图或电子电路图决定元件、功能模块在芯片上的配置，以及它们之间的连线路径.为节约芯片面积要进行多种方案比较，直到满意。

⑤验证是借助计算机辅助设计系统对电路功能、逻辑和版图的设计，以及考虑实际产品可能出现的时延和故障进行分析的过程。在模拟分析基础上对设计参数进行修正。

为了争取产品一次投片成功，设计工作的每一阶段都要对其结果反复进行比较取优，以取得最好的设计结果。

设计类型一般可分为全定制设计和半定制设计。前者是按图所示流程依次完成设计的各个阶段，后者是在设计的某个阶段利用已有成果，进行的更有效设计。例如对已具有合理的版图结构、经过实际使用证明是实用的模块电路进行半定制设计，就可节约布图或制造时间。标准单元法、门阵列法、可编程逻辑阵列法都是利用模块化电路进行半定制设计的常用方法。

设计方法和手段经历了几十年的发展演变，从最初的全手工设计发展到现在先进的可以全自动实现的过程。这也是近几十年来科学技术，尤其是电子信息技术发展的结果。从设计手段演变的过程划分，设计手段经历了手工设计、计算机辅助设计（ICCAD）、电子设计自动化EDA、电子系统设计自动化esda以及用户现场可编程器阶段。在计算机辅助设计系统中，以单元电路库、宏单元库形式开发的基本单元越丰富，越有利于电路设计。这些库包括基本门、触发器、译码器、微处理器核心电路、ROM、RAM以及模拟电路模块等。通常对库单元的描述有名称，功能，布尔表达式，逻辑图，电路图，电学参数，版图外框，输入、输出口和版图结构等。

二．设计要求与任务

MOS输出级电路设计与HSPICE仿真

1．理解MOS输出级电路的原理，并搭建电路；

2．选择元器件种类、数量和参数；

3．根据电路图，利用HSPICE软件，编写sp文件；

4．仿真得到增益、带宽等参数，并显示波形。

三．电路原理及设计方法

晶体管只有三个端子。其中两个需要分别用作输入端口和输出端口，余下的一个端口接地。根据接地端口，我们可得到三种放大组态，即共源级（CS）、共栅级（CG）和共漏级（CD）。所有晶体管对于小信号都是跨导g m器件。因为信号通常定义为电压，所以我们利用电阻将输出电流转为电压信号。共源级和共栅级放大器增益高，但共漏级放大器是将高阻抗变换为低阻抗而没有增益的缓冲器

所谓共源放大器是指输入输出回路中都包含MOS管的源极，即输入信号从MOS管的栅极输入，而输出信号从MOS管的漏极取出。根据放大器的负载不同，共源放大器可以分为无源负载共源放大器和有源负载共源放大器两种形式。

1．电阻负载共源级放大器电路原理分析

无源负载主要有电阻、电感与电容等，这里只讨论电阻负载共源放大器的特性。

电阻负载共源（CS）放大器结构如图3-1所示。对于共源放大器，低频交流信号从栅极输入时，其输入阻抗很大，所以在分析时可不考虑输入阻抗的影响。

V

o

V

i

图3-1 电阻负载共源放大器

1）直流分析

根据KCL定理，由上图可列出其直流工作的方程：

R

I

V

V

D

o

DD

+

=（3-1）当V GS＞V th时，MOS管导通，有：

]

)

(2[2

DS

DS

th

GS

N

D

V

V

V

V

K

I-

-

=（3-2）则直流工作方程为（注：V GS＝V i，V DS＝V o）：

R

V

V

V

V

K

V

V

o

o

th

i

N

DD

o

]

)

(2[2

-

-

-

=（3-3）进一步分工作区讨论

截止区：Vi＜Vth，则Vo＝VDD；

饱和区：Vi＞Vth，且Vi－Vth≤Vo时，有：

2

)

(

th

i

N

DD

o

V

V

RK

V

V-

-

=（3-4）线性区：Vo＜Vi－Vth，有：

]

)

(2[2

o

o

th

i

N

DD

o

V

V

V

V

RK

V

V-

-

-

=（3-5）深线性区：Vo＜＜2（Vi－Vth），此时M1可等效为一压控电阻，则有：

)

(

2

1

th

i

N

DD

on

on

DD

o V

V

R

K

V

R

R

R

V

V

-

+

=

+

=（3-6）根据以上分析，可以得到共源放大器的直流转换特性曲线，即V o与V i的关系曲线如