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VgdVT(Vgd为栅-漏电压）时，沟道不再伸展到漏极，处于夹断状态。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：饱和区线性区截止区)(0)(2)(02)(0022cVVVVVKbVVVsVVVVKaVVIdsTgsTgsNTgsdsddsTgsNTgsds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：)(LWKLWtKoxnN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_testmn0voutvin00NMw=2ul=1u.lib'C:\synopsys\h06mixddct02v23.lib'ttv1vin02v2vout01.dcv2050.1.probei1(mn0).end2、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_testmn0voutvin00NMw=4ul=0.6u.lib'C:\synopsys\h06mixddct02v23.lib'ttv1vin020v2vout015.dcv2050.1v1050.5.plotdcv(vout)id(mn0).probe.end4、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_testmn0voutvin00NMw=2ul=1u.ModelNMNMOSvt0=0.7kp=110ugamma=0.4lambda=0.04phi=0.7v1vin02v2vout01.dcv2050.1temp08020.probei1(mn0).end5、在固定Vds下仿真NMOS管的转移特性曲线。*nmos_I-V_testmn0voutvin00NMw=2ul=1u.lib'C:\synopsys\h06mixddct02v23.lib'ttv1vin02v2vout01.dcv1050.1.probei1(mn0).end6、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_testmn0voutvin00NMw=2ul=0.6umn1voutvinvddvddPMw=4ul=0.6u.lib'C:\synopsys\h06mixddct02v23.lib'ttvinvin0pwl(005u5)vddvdd0dc5.0.tran0.01u5u.plottranv(vout)v(vin).probe.end7、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_testmn0voutvin00NMw=2ul=0.6umn1voutvinvddvddPMw=4ul=0.6u.lib'C:\synopsys\h06mixddct02v23.lib'ttvinvin0sin(2.360.011meg)vddvdd0dc5.0.tran0.01u2.5u.plottranv(vout)v(vin).probe.end8、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_testmn0voutvin00NMw=2ul=0.6ump0voutvinvddvddPMw=4ul=0.6u.lib'c:\synopsys\h06mixddct02v23.lib'ttvddvdd05v1vin02ac10.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。VDD=5VR=10kVoutVin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_testmn0voutvin00NMw=2ul=0.6uRR0vddvout10k.lib'c:\synopsys\h06mixddct02v23.lib'ttvddvdd05v1vin01.2.dcv1050.1.op.end（2）直流工作点网表如下：*single_amp_op_testmn0voutvin00NMw=2ul=0.6uRR0vddvout10k.lib'c:\synopsys\h06mixddct02v23.lib'ttvddvdd05v1vin01.2v2vout01.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_testmn0voutvin00NMw=2ul=0.6uRR0vddvout10k.lib'c:\synopsys\h06mixddct02v23.lib'ttvddvdd05v1vin01.2ac10.acdec10101G.op.probeacvdb(vout)vp(vout).end2、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_testmn0voutvin00NMw=2ul=0.6uRR0vddvout100k.lib'c:\synopsys\h06mixddct02v23.lib'ttvddvdd05v1vin01.2.dcv1050.1.op.end（2）直流工作点：*single_amp_op_testmn0voutvin00NMw=2ul=0.6uRR0vddvout100k.lib'c:\synopsys\h06mixddct02v23.lib'ttvddvdd05v1vin01.2v2vout01.dcv2050.1sweepv1050.5.op.probei1(mn0)i1(RR0).end（3）交流小信号幅频特性曲线：*single_amp_gain_testmn0voutvin00NMw=2ul=0.6uRR0vddvout100k.lib'c:\synopsys\h06mixddct02v23.lib'ttvddvdd05v1vin01.2ac10.acdec10101G.op.probeacvdb(vout)vp(vout).end3、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。VDD=5VVoutVinM0:20u/0.6uM1:2u/0.6u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_testmn0voutvin00NMw=20ul=0.6umn1vddvddvout0NMw=2ul=0.6u.lib'C:\synopsys\h06mixddct02v23.lib'ttvddvdd05v1vin01.2.dcv1050.1.op.end（2）直流工作点：*single_amp_op_testmn0voutvin00NMw=20ul=0.6umn1vddvddvout0NMw=2ul=0.6u.lib'C:\synopsys\h06mixddct02v23.lib'ttvddvdd05v1vin01.2v2vout01.dcv2050.1sweepv1050.5.op.probei1(mn0)i1(mn1).end（3）交流小信号幅频特性曲线：*single_amp_gain_testmn0voutvin00NMw=20ul=0.6umn1vddvddvout0NMw=2ul=0.6u.lib'C:\synopsys\h06mixddct02v23.lib'ttvddvdd05v1vin01.2ac10.acdec10101G.op.probeacvdb(vout)vp(vout).end4、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。VDD=5VVoutVinM0:20u/0.6uM1:2u/0.6u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