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cmos实验
实验一HSPICE实践
一、实验目的
1、熟悉电路仿真工具Hspice的基本语法及其使用方法。
2、会使用Hspice编写程序对简单RCL电路及双极型电路进行仿真。
3、结合MOS器件的工作原理,会使用Hspice编写程序查看MOS器件的各种特性曲线。
二、实验原理
在电学上MOS管作为一种电压控制的开关器件。
当栅-源电压Vgs等于开启电压VT时,该器件开始导通。
当栅—源间加一电压Vds以及Vgs=VT时,由于源-漏电压和栅-衬底电压而分别产生的电场水平起着使电子沟道向漏极运动的作用。
随着源-漏电压的增加,沿沟道电阻的压降会改变沟道的形状。
MOS管的这个行为特性如图1所示。
在沟道源端,栅极电压在使沟道反型过程中全部有效;然而在沟道漏端,只有栅极和漏极间的电压差才是有效的。
当有效栅电压(Vgs-VT)比漏极电压大时,随着Vgs的增加,沟道变得更深,这时沟道电流Ids既是栅极电压也是漏极电压的函数,习惯上称这个区域为“线性”区或“电阻”区,或“非饱和”区。
如果Vgs大于Vds-VT;即,当Vgd 在这种情况下,导电是由于正漏极电压作用下电子的漂移机理所引起的。 在电子离开沟道后,电子注入到漏区耗尽层中,接着向漏区加速。 沟道夹断处的电压降不变,保持在Vgs-VT,这种情况为“饱和”状态。 这时沟道电流受栅极电压控制,几乎与漏极电压无关。 应注意耗尽层中没有可动的载流子,因而能够将沟道与衬底的其余部分隔离开来。 实际上,由于沟道与衬底形成一个反偏PN结,所以流向衬底的电流很小。 在源-漏电压和栅极电压固定的情况下,影响源极流向漏极(对于给定的衬底电阻率)的漏极电流Ids大小的因素有: (1)源、漏之间的距离; (2)沟道宽度; (3)开启电压vt; (4)栅绝缘氧化层的厚度; (5)栅绝缘层的介电常数; (6)载流子(电子或空穴)的迁移率µ。 一个MOS管的正常电压特性可分为以下几个区域: (1)“夹断”区: 这时的电流是源-漏间的泄漏电流; (2)“线性”区: 弱反型区,这时漏极电流随栅压线性增加; (3)“饱和”区: 沟道强反型,漏极电流与漏极电压无关。 当漏极电压太高时,会发生称为雪崩击穿或穿通的非正常导电情况。 在这两种情况中,栅极电压已不能对漏极电流进行控制。 描述NMOS器件在这三个区域中性能的理想表达式为: 其中Ids是漏极电流;Vgs是栅-源电压;VT是器件的开启电压;KN是NMOS晶体管的跨导系数,KN与工艺参数及器件的几何尺寸有关,其关系为: 这里,μn表示沟道中电子的有效表面迁移率;ε是栅绝缘层的介电常数,tox是栅绝缘层的厚度;W是沟道宽度;L是沟道长度,因此,跨导系数包括了一个与工艺有关的本征导电因子项(KN=μnε/tox),一个几何尺寸有关项(W/L),工艺有关项考虑了所有的工艺因素,如掺杂浓度,栅氧化层的厚度等;而几何尺寸的有关项则与器件的实际版图有关。 三、实验内容 1、在固定Vgs下,使用Hspice仿真并验证NMOS的I/V特性曲线。 仿真时,使用CMOS0.6uDPDMmixsignal模型,该文件名为h06mixddct02v23.lib。 电路网表为: *nmos_I-V_test mn0voutvin00NMw=2ul=1u .lib'C: \synopsys\h06mixddct02v23.lib'tt v1vin02 v2vout01 .dcv2050.1 .probei1(mn0) .end 2、在上题中改变NMOS的W/L为4u/0.6u,重新仿真电路,比较漏极电流Id的变化。 3、在不同Vgs下仿真NMOS的I/V特性曲线,Vgs从0V变化到5V,每隔0.5V取一个点,查看并验证该I/V特性曲线。 *nmos_I-V_test mn0voutvin00NMw=4ul=0.6u .lib'C: \synopsys\h06mixddct02v23.lib'tt v1vin020 v2vout015 .dcv2050.1v1050.5 .plotdcv(vout)id(mn0) .probe .end 4、在温度为0℃-80℃的范围内线性取下5个点,仿真NMOS的I/V特性曲线,并比较它们的差异以及Id随温度的变化趋势以及变化量。 *nmos_I-V_test mn0voutvin00NMw=2ul=1u .ModelNMNMOSvt0=0.7kp=110ugamma=0.4lambda=0.04phi=0.7 v1vin02 v2vout01 .dcv2050.1temp08020 .probei1(mn0) .end 5、在固定Vds下仿真NMOS管的转移特性曲线。 *nmos_I-V_test mn0voutvin00NMw=2ul=1u .lib'C: \synopsys\h06mixddct02v23.lib'tt v1vin02 v2vout01 .dcv1050.1 .probei1(mn0) .end 6、对于CMOS反向器电路,PMOS的W/L为4u/0.6u,NMOS的W/L为2u/0.6u,Vdd为5V,假设输入波形为pwl(005u5),仿真得出输出波形。 *coms_test mn0voutvin00NMw=2ul=0.6u mn1voutvinvddvddPMw=4ul=0.6u .lib'C: \synopsys\h06mixddct02v23.lib'tt vinvin0pwl(005u5) vddvdd0dc5.0 .tran0.01u5u .plottranv(vout)v(vin) .probe .end 7、对上述反向器电路,将输入波形改为sin(2.360.011meg),仿真得出输出波形。 *cmos_I-V_test mn0voutvin00NMw=2ul=0.6u mn1voutvinvddvddPMw=4ul=0.6u .lib'C: \synopsys\h06mixddct02v23.lib'tt vinvin0sin(2.360.011meg) vddvdd0dc5.0 .tran0.01u2.5u .plottranv(vout)v(vin) .probe .end 8、对上述反向器电路,在10HZ-100MHZ之间进行交流小信号扫描,得出该反向器的幅频特性。 (提示: .Probeacvdb(vout)vp(vout))。 *cmos_output_test mn0voutvin00NMw=2ul=0.6u mp0voutvinvddvddPMw=4ul=0.6u .lib'c: \synopsys\h06mixddct02v23.lib'tt vddvdd05 v1vin02ac10 .acdec10100.1G .op .probeacvdb(vout)vp(vout) .end 实验二单级放大器的Hspice仿真 一、实验目的 1、进一步熟悉Hspice语法,重点复习电路的直流,交流,瞬态分析方法。 2、复习共源、共栅,共源共栅、折叠式级联的电路结构,直流和交流特性,并使用HSPICE仿真电路的特性。 二、实验内容 1、无源负载共源放大器电路如图1所示,使用Hspice负载得出该电路的 (1)输入输出特性曲线; (2)直流工作点;(3)交流小信号幅频特性曲线。 图1无源负载共源放大器 (1)输入输出特性曲线 网表如下: *single_amp_input_output_test mn0voutvin00NMw=2ul=0.6u RR0vddvout10k .lib'c: \synopsys\h06mixddct02v23.lib'tt vddvdd05 v1vin01.2 .dcv1050.1 .op .end (2)直流工作点 网表如下: *single_amp_op_test mn0voutvin00NMw=2ul=0.6u RR0vddvout10k .lib'c: \synopsys\h06mixddct02v23.lib'tt vddvdd05 v1vin01.2 v2vout01 .dcv2050.1sweepv1050.5 .op .probei1(mn0)i1(RR0) .end (3)交流小信号幅频特性曲线 网表如下: *single_amp_gain_test mn0voutvin00NMw=2ul=0.6u RR0vddvout10k .lib'c: \synopsys\h06mixddct02v23.lib'tt vddvdd05 v1vin01.2ac10 .acdec10101G .op .probeacvdb(vout)vp(vout) .end 2、将上题无源负载电阻改为100K,分别仿真该电路的: (1)输入输出特性曲线: *single_amp_input_output_test mn0voutvin00NMw=2ul=0.6u RR0vddvout100k .lib'c: \synopsys\h06mixddct02v23.lib'tt vddvdd05 v1vin01.2 .dcv1050.1 .op .end (2)直流工作点: *single_amp_op_test mn0voutvin00NMw=2ul=0.6u RR0vddvout100k .lib'c: \synopsys\h06mixddct02v23.lib'tt vddvdd05 v1vin01.2 v2vout01 .dcv2050.1sweepv1050.5 .op .probei1(mn0)i1(RR0) .end (3)交流小信号幅频特性曲线: *single_amp_gain_test mn0voutvin00NMw=2ul=0.6u RR0vddvout100k .lib'c: \synopsys\h06mixddct02v23.lib'tt vddvdd05 v1vin01.2ac10 .acdec10101G .op .probeacvdb(vout)vp(vout) .end 3、以NMOS二极管连接方式为负载的共源放大器电路如图2所示,使用Hspice仿真得出该电路的 (1)输入输出特性曲线; (2)直流工作点;(3)交流小信号幅频特性曲线。 图2以NMOS二极管连接方式为负载的共源放大器电路 (1)输入输出特性曲线: *single_amp_input_output_test mn0voutvin00NMw=20ul=0.6u mn1vddvddvout0NMw=2ul=0.6u .lib'C: \synopsys\h06mixddct02v23.lib'tt vddvdd05 v1vin01.2 .dcv1050.1 .op .end (2)直流工作点: *single_amp_op_test mn0voutvin00NMw=20ul=0.6u mn1vddvddvout0NMw=2ul=0.6u .lib'C: \synopsys\h06mixddct02v23.lib'tt vddvdd05 v1vin01.2 v2vout01 .dcv2050.1sweepv1050.5 .op .probei1(mn0)i1(mn1) .end (3)交流小信号幅频特性曲线: *single_amp_gain_test mn0voutvin00NMw=20ul=0.6u mn1vddvddvout0NMw=2ul=0.6u .lib'C: \synopsys\h06mixddct02v23.lib'tt vddvdd05 v1vin01.2ac10 .acdec10101G .op .probeacvdb(vout)vp(vout) .end 4、以PMOS二极管连接方式为负载的共源放大器电路如图3所示,使用Hspice仿真得出该电路的 (1)输入输出特性曲线; (2)直流工作点;(3)交流小信号幅频特性曲线。 图3以PMOS二极管连接方式为负载的共源放大器电路 (1)输入输出特性曲线: *single_amp_input_output_test mn0voutvin00NMw=20ul=0.6u mn1voutvoutvddvddPMw=2ul=0.6u .lib'C: \synopsys\h06mixddct02v23.lib'tt vddvdd05 v1vin01.2 .dcv1050.1 .op .end (2)直流工作点: *single_amp_op_test mn0voutvin00NMw=20ul=0.6u mn1vddvoutvoutvddPMw=2ul=0.6u .lib'C: \synopsys\h06mixddct02v23.lib'tt vddvdd05 v1vin01.2 v2vout01 .dcv2050.1sweepv1050.5 .op .probei1(mn0)i1(mn1) .end (3)交流小信号幅频特性曲线: *single_amp_gain_test mn0voutvin00NMw=20ul=0.6u mn1voutvoutvddvddPMw=2ul=0.6u .lib'C: \synopsys\h06mixddct02v23.lib'tt vddvdd05 v1vin01.2ac10 .acdec10101G .op .probeacvdb(vout)vp(vout) .end 5、电流源负载的共源放大器电路如图4所示,使用Hspice仿真得出该电路的 (1)输入输出特性曲线; (2)直流工作点;(3)交流小信号幅频特性曲线。 图4电流源负载的共源放大器电路 (1)输入输出特性曲线 网表如下: *single_amp_input_output_test mn0voutvin00NMw=8ul=0.6u mn1vout1vddvddPMw=4ul=0.6u mn211vddvddPMw=8ul=0.6u rr0108K .lib'C: \synopsys\h06mixddct02v23.lib'tt vddvdd05 v1vin01.2 .dcv1050.1 .op .end (2)直流工作点: *single_amp_op_test mn0voutvin00NMw=8ul=0.6u mn1vdd1voutvddPMw=4ul=0.6u mn211vddvddPMw=8ul=0.6u rr0108K .lib'C: \synopsys\h06mixddct02v23.lib'tt vddvdd05 v1vin01.2 v2vout01 .dcv2050.1sweepv1050.5 .op .probei1(mn0)i1(mn1) .end (3)交流小信号幅频特性: *single_amp_gain_test mn0voutvin00NMw=8ul=0.6u mn1vout1vddvddPMw=4ul=0.6u mn211vddvddPMw=8ul=0.6u rr0108K .lib'C: \synopsys\h06mixddct02v23.lib'tt vddvdd05 v1vin01.2ac10 .acdec10101G .op .probeacvdb(vout)vp(vout) .end 6、共栅放大电路如图5所示,使用Hspice仿真得出该电路的 (1)输入输出特性曲线; (2)交流小信号幅频特性曲线;(3)输入阻抗;(4)输出阻抗。 注意直流点的设置,以保证晶体管都工作在饱和区。 图5共栅放大器电路 (1)输入输出特性曲线 网表如下: *common_gate_amp_input_output_test mn1voutvbvin0NMw=4ul=0.6u RR0vddvout50k .lib'c: \synopsys\h06mixddct02v23.lib'tt vddvdd05 vbvb02 v1vin01 .dcv1050.1 .op .end (2)交流小信号幅频特性曲线 网表如下: *common_gate_amp_gain_test mn1voutvbvin0NMw=4ul=0.6u RR0vddvout50k .lib'c: \synopsys\h06mixddct02v23.lib'tt vddvdd05 vbvb02 v1vin01ac10 .acdec10101G .op .probeacvdb(vout)vp(vout) .end (3)输入阻抗 输入电阻ri=vin/i(vl)=9.11k,如图所示: *common_gate_amp_input_output_test mn1voutvbvin0NMw=4ul=0.6u RR0vddvout50k .lib'c: \synopsys\h06mixddct02v23.lib'tt vddvdd05 vbvb02 v1vin01ac10 .acdec10101G .op .probeacvdb(vout)vp(vout) .end (4)输出阻抗 R0=vout/i(v2)=46.6k,网表如下: *common_gate_amp_Rout_test mn1voutvbvin0NMw=4ul=0.6u RR0vddvout50k .lib'c: \synopsys\h06mixddct02v23.lib'tt vddvdd05 vbvb02 v1vin01ac0 v2vout03ac1 .acdec10101G .op .probeacvdb(vout)vp(vout) .end 7、共源共栅放大器电路如图6所示,使用Hspice仿真得处该电路的 (1)输入输出特性曲线及节点1电压和输入电压的关系曲线; (2)交流小信号幅频特性曲线;(3)输入阻抗;(4)输出阻抗。 注意直流点的设置,以保证晶体管都工作在饱和区。 图6共源共栅放大器电路 (1)输入输出以及节点1的电压关系曲线: *common_gate_net1_test mn1voutvb10NMw=4ul=0.6u mn21vin00NMw=4ul=0.6u RR0vddvout50k .lib'C: \synopsys\h06mixddct02v23.lib'tt vddvdd05 vbvb02 v1vin01 .dcv1050.1 .op .end (2)交流小信号幅频特性: *common_gate_gaint_test mn1voutvb10NMw=4ul=0.6u mn21vin00NMw=4ul=0.6u RR0vddvout25k .lib'C: \synopsys\h06mixddct02v23.lib'tt vddvdd05 vbvb02 v1vin02ac10 .acdec10101Gk .op .probeacvdb(vout)vp(vout) .end (3)输入阻抗: *common_gate_amp_Rin_test mn1voutvb10NMw=4ul=0.6u mn21vin00NMw=4ul=0.6u RR0vddvout50k .lib'C: \synopsys\h06mixddct02v23.lib'tt vddvdd05 vbvb02 v1vin01ac10 .acdec10101G .op .probeacvdb(vout)vp(vin) .end (4)输出阻抗: *common_gate_amp_Rin_test mn1voutvb10NMw=4ul=0.6u mn21vin00NMw=4ul=0.6u RR0vddvout50k .lib'C: \synopsys\h06mixddct02v23.lib'tt vddvdd05 vbvb02 v1vin01ac10 v2vout03ac1 .acdec10101G .op .probeacvdb(vout)vp(vin) .end 8、折叠式级联放大器电路如图7所示,使用Hspice仿真得出该电路的 (1)输入输出特性曲线; (2)M1、M2电流和输入电压的关系曲线; (2)交流小信号幅频特性曲线;(3)输出阻抗。 注意直流点的设置,以保证晶体管都工作在饱和区。 图7折叠式级联放大器电路 (1)输入输出特性: *common_gate_amp_input_output_test mn11vinvddvddPMw=4ul=0.6u mn22vb10NMw=4ul=0.6u RR0vdd230k .lib'C: \synopsys\h06mi
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