ASIC课程设计MOS输出级电路设计与Hspice仿真文档格式.docx

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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，而且能够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重复进行比较取优，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见方法。

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能够全自动实现的过程。

这也是近几十年来科学技术，特别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。

一般对库单元的描述有名称，功能，布尔表示式，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gm器件。

因为信号一般定义为电压，因此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，共源放大器能够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，因此在分析时可不考虑输入阻抗的影响。

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：

（3-1）

当VGS＞Vth时，MOS管导通，有：

（3-2）

则直流工作方程为（注：

VGS＝Vi，VDS＝Vo）：

（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：

（3-4）

线性区：

Vo＜Vi－Vth，有：

（3-5）

深线性区：

Vo＜＜2（Vi－Vth），此时M1可等效为一压控电阻，则有：

（3-6）

根据以上分析，能够得到共源放大器的直流转换特性曲线，即Vo与Vi的关系曲线如图3-2所示。

图3-2直流转换特性曲线

对于放大器而言，必须先确定其直流工作点，即必须先把放大器合理地偏置在某一电压，以得到合适的电压放大增益以及输入输出压摆。

可经过图解法求解直流工作点：

先画出MOS管的输出特性（I/V特）曲线，同时在同一图上画出其直流负载线，则直流负载线与MOS管的I/V特性曲线相交的交点即为其直流工作点。

对于电阻负载放大器，根据直流工作方程能够直接画出其直流负载线，如图3-3所示。

图3-3直流负载线

从上图得到如下结论：

1直流工作点不能设置得太高，因为太高时，容易进入三极管区，从而减小了放大器的增益，也即减小了输入输出的压摆。

2当然，直流工作点也不能设置得太小，因为这会使MOS管进入截止区，进而使放大器不能工作，因此直流工作点太小，其输入输出电压的摆幅也很小。

3因此此类电路的直流工作点位置的确定与电路的输入输出摆幅直接相关。

2）交流小信号分析

电路的交流小信号等效电路如图3-4所示。

图3-3交流小信号等效电路图

根据KCL定理，由上图能够得到输出电压：

（3-7）

电压增益为：

（3-8）

因此，可经过提高跨导值gm、增大负载电阻R和减小ID的方法来提高增益。

2．有源负载共源放大器设计方法

由于采用电阻负载时存在的缺点，特别是电阻阻值的误差较大，而且大阻值的电阻所占用的芯片面积也较大，因此经常见有源负载代替，还能够提高增益。

图3-4所示是一个以电流源作为负载的共源放大器。

图3-4电流源负载共源放大器

电流镜是模拟集成电路中最基本的单元电路之一，它是一种能将电路中某一支路的参考电流在其它支路得以重现或复制的电路。

由于电流镜的电流复制能力，它常常被用来构成模拟集成电路和器件中的直流偏置电流源，成为模拟集成电路中应用最广泛的电路技术之一。

MOS管基本电流源电路由两个MOS对管组成，其偏置包括电流偏置和电压偏置。

偏置的作用是使MOS晶体管及其电路处于正常的工作状态，电流偏置提供了电路中相关支路的静态工作电流。

因为一个工作于饱和区的MOS管能够作为一个恒流源，因此图中的M2应处于饱和区。

图3-4共源放大器的小信号模型

为了进行高频分析，图3-4中共源放大器的小信号等效电路如图3-5所示。

这里，Cgs1是M3的栅极－源极电容。

注意，我们已经假设输入源极的输出电容能够忽略。

电容C2由M3和M2的漏极－衬底电容与负载电容CL的并联组成。

CL一般占主导地位。

在高频下分析电路可使用节点分析。

在节点v1，我们把所有离开节点的电流相加并设置总和为零，得到：

其中：

v1=vgs1

解得：

其中

且

在增益开始下降但依然远大于1的频率下，分子的一阶项-s（Cgd1/gm1），以及分母的二阶项s2b能够忽略。

对于这种情况有：

四．HSpice软件环境概述

1．简介

随着微电子技术的迅速发展以及集成电路规模不断提高，对电路性能的设计要求越来越严格，这势必对用于大规模集成电路设计的EDA工具提出越来越高的要求。

自1972年美国加利福尼亚大学伯克利分校电机工程和计算机科学系开发的用于集成电路性能分析的电路模拟程序SPICE（SimulationProgramwithICEmphasis）诞生以来，为适应现代微电子工业的发展，各种用于集成电路设计的电路模拟分析工具不断涌现。

HSPICE是Meta-Software公司为集成电路设计中的稳态分析，瞬态分析和频域分析等电路性能的模拟分析而开发的一个商业化通用电路模拟程序，它在伯克利的SPICE（1972年推出），MicroSim公司的PSPICE（1984年推出）以及其它电路分析软件的基础上，又加入了一些新的功能，经过不断的改进，当前已被许多公司、大学和研究开发机构广泛应用。

HSPICE可与许多主要的EDA设计工具，诸如Cadence，Workview等兼容，能提供许多重要的针对集成电路性能的电路仿真和设计结果。

采用HSPICE 

软件能够在直流到高于100GHz的微波频率范围内对电路作精确的仿真、分析和优化。

在实际应用中，HSPICE能提供关键性的电路模拟和设计方案，而且应用HSPICE进行电路模拟时，其电路规模仅取决于用户计算机的实际存储器容量。

2．特点

HSpice不但具备了Spice绝大多数功能，还具有许多新的特点，如下所述：

①优越的收敛性。

Synopsys公司借着修正元件模型，方程式及演算法（algorithm）改进电脑程式求解时的收敛性。

在早期的Spice模型中，由于实际元件的特性是连续的，而很多电路的饱和区与线性区的工作点在两区交界点处并不连续，故造成不收敛情况。

而在HSpice中有多项设定选择，因此有极好的收敛性。

②精确的模型参数，包括许多Foundry模型参数。

由于VISI制作过程的进步，使得元件进入次微米或毫微米时代。

因此，在电路模拟上对元件模型的精确性与应用有更严格的要求。

③层次式节点命名和参考。

④基于模型和库单元的电路优化，逐项或同时进行AC，DC和瞬态分析中的优化。

⑤具备蒙特卡罗（Monte 

Carlo）和最坏情况（worst-case）分析。

集成电路产品的性能好坏，除了设计及制作过程外，在产品的使用或可靠性的测试等都能够反应出产品的品质及合格率。

在HSpice中，可用蒙特卡罗统计分析，用测试的结果修正原来的设计规则;

同时还能够进行最坏情况分析（worst-case）模拟，以便提供产品性能的评估与合格率的分析。

⑥参数化单元的输入、输出和行为代数化。

在HSpice中对于任何元件或电路单元都能够参数化，其输出、输入都能够用代数式来描述，并做运算。

⑦有较高级逻辑模拟标准库的单元特性描述工具。

⑧能对PCB、多芯片系统、封装以及IC技术中连线间的几何损耗加