CMOS译码器设计与HSPICE仿真

1、 集成电路设计课程设计报告 基于HSPICE的晶体管级电路设计与仿真题目：CMOS2-4译码器设计与HSPICE仿真学 院 专业班级 学生姓名 指导教师提交日期 目 录一、设计目的1二、设计要求和设计指标1三、设计内容13.1 CMOS2-4译码器原理及电路设计13.1.1 门级设计13.1.2 门的CMOS实现23.2 仿真结果与分析5四、总结7五、主要参考文献10一、设计目的熟悉数字集成电路设计课程,学习Hspice软件的使用，以及.sp文件的编写，进一步理解掌握CMOS设计组合逻辑电路与时序逻辑电路的基本知识，继而熟练地运用半导体集成电路知识。二、设计要求和设计指标（1）了解C2MOS

2、主从正沿触发寄存器的电路结构、电路原理； （2） 了解电路具体参数，包含的晶体管数目、晶体管尺寸、连线情况等； （3） 利用HSPICE软件，编写.sp 文件； （4） 仿真该sp 文件，得出描述电路性能的函数图线、波形等参数； （5） 在具体的软硬件实验环境中，进行设计模拟、仿真和调试，解决设计调试中的具体问题；得出结论，并完成设计。三、设计内容3.1 CMOS2-4译码器原理及电路设计 门级设计 译码器是组合逻辑电路的一个重要器件，把代码状态的特定含义“翻译”出来的过程叫做译码，实现译码操作的电路称为译码器。译码器是可以将输入二进制代码的状态翻译成输出信号，以表示其原来含义的电路。而CMO

3、S2-4译码，是将其输入的两位二进制代码“00”“01”“10”“11”进行翻译，从而控制电路的输出线路，实现四路译码的过程。其真值表如图表1所示：ABY0Y1Y2Y3000111011011101101111110 图表1由图表1可以得到CMOS2-4译码器的布尔表达式为：Y0= Y1= Y2= Y3=从而可以得到CMOS2-4译码器门级设计的电路图，如图表2：图表2 这样，通过两个非门和四个与非门就可以实现如图表1中的真值表所示的逻辑功能。 3.1.2 门的CMOS实现由图表2，通过两个非门和四个与非门就可以实现CMOS2-4译码器的逻辑功能，所以现在的关键问题就是如何利用CMOS实现非门

4、和与非门。非门即CMOS反相器，可以通过一个PMOS和一个NMOS来实现，如图表3所示： 图表3双输入与非门可以通过两个串联的NMOS构成的下拉网络和两个并联的PMOS构成的上拉网络来组成，电路图如图表4所示，其实现的逻辑功能为OUT=图表4 图表5由此可以得到CMOS2-4译码器的总电路图如图表5所示。综上所述，CMOS2-4译码器共使用了两个CMOS反相器、四个CMOS与非门，总共20个晶体管，NMOS与PMOS各占10个，充分体现了CMOS上拉网络与下拉网络之间的对偶特性。根据上图的各个节点及晶体管特性，编写.sp文件如下：*encoder*Parameters and models.o

5、ptions post=2 list*Simulation netistM1 1 a 2 2 MP L=2u w=12uM2 1 a 0 0 MN L=2u w=8uM3 3 b 2 2 MP L=2u w=12uM4 3 b 0 0 MN L=2u w=8uM5 Y0 1 2 2 MP L=2u w=12uM6 Y0 3 2 2 MP L=2u w=12uM7 Y0 1 4 4 MN L=2u w=8uM8 4 3 0 0 MN L=2u w=8uM9 Y1 1 2 2 MP L=2u w=12uM10 Y1 b 2 2 MP L=2u w=12uM11 Y1 1 5 5 MN L=2u w

6、=8uM12 5 b 0 0 MN L=2u w=8uM13 Y2 a 2 2 MP L=2u w=12uM14 Y2 3 2 2 MP L=2u w=12uM15 Y2 a 6 6 MN L=2u w=8uM16 6 3 0 0 MN L=2u w=8uM17 Y3 a 2 2 MP L=2u w=12uM18 Y3 b 2 2 MP L=2u w=12uM19 Y3 a 7 7 MN L=2u w=8uM20 7 b 0 0 MN L=2u w=8uVDD 2 0 DC 2.5VVa a 0 PULSE (0 5 0 0.01n 0.01n 5n 10n)Vb b 0 PULSE (0 5

7、 0 0.01n 0.01n 10n 20n).MODEL MP PMOS (level=2 LD=0.250U TOX=365E-10+ NSUB=6.193910E+15 VTO=-0.826989 KP=2.2870E-05+ GAMMA=0.4793 PHI=0.6 U0=241.796 UEXP=0.214214+ UCRIT=19100.4 DELTA=0.859687 VMAX=47972.9 XJ=0.250U+ LAMBDA=5.403347E-02 NFS=2.351269E+11 NEFF=1.001+ NSS=1.0E+12 TPG=-1.0 RSH=76.020 CG

8、DO=3.54775E-10+ CGSO=3.54775E-10 CGBO=6.981174E-10 CJ=2.2624E-04+ MJ=0.46650 CJSW=2.3825E-10 MJSW=0.24660 PB=0.700).MODEL MN NMOS (LEVEL=2 LD=0.250U TOX=365E-10+ NSUB=2.13818E+16 VTO=0.84898 KP=5.7790E-05+ GAMMA=0.8905 PHI=0.6 U0=610.8 UEXP=0.244555+ UCRIT=128615 DELTA=2.0298 VMAX=92227.9 XJ=0.250U+

9、 LAMBDA=1.956049E-02 NFS=2.307838E+12 NEFF=1+ NSS=1.0E+12 TPG=1.0 RSH=22.730 CGDO=3.54775E-10+ CGSO=3.54775E-10 CGBO=6.354506E-10 CJ=3.7740E-04+ MJ=0.45890 CJSW=5.1360E-10 MJSW=0.36620 PB=0.800)*stimulus.tran 1n 100n.PRINT tran V(a) V(b) V(Y0) v(Y1) v(Y2) v(Y3).end在上述文件中，输入为V(a)，V(b)，输出为V(Y0)， v(Y1)

10、， v(Y2) ，v(Y3)，对这些量进行瞬态分析，即可通过观察波形特点来得到仿真结果。3.2仿真结果与分析图表6通过使A、B端输入不同周期、不同脉冲宽度的脉冲来使得A端和B端拥有交错的逻辑电平，进而可以通过仿真来验证CMOS2-4译码器的逻辑功能是否正确。在图表6中，由上至下的波形分别为A、B、Y0、Y1、Y2、Y3的不同波形，通过同一时刻对应的逻辑关系可以得到图表1中真值表的逻辑数值。由仿真图形可以看到，在输入脉冲的边沿容易出现比其他位置更大幅度的毛刺，主要是由于时钟边沿电平在上升和下降时经历的过渡区导致电压不够平稳。因此我们在仿真时修改了脉冲的上升和下降时间，图表6、7、8分别显示了脉冲

11、上升和下降时间为0.08ns，0.05ns和0.01ns时Y0的输出波形： 图表6 tr=tf=0.08ns图表7 tr=tf=0.05ns图表8 tr=tf=0.01ns由图表6、7、8可以看出，当tr和tf较小时，波形的毛刺也会随之减小。在tr=tf=0.08ns时，波形走形比较严重，毛刺也较明显，对输出结果的影响也会比较大。因而消除毛刺对于数字集成电路设计起着非常重要的作用。四、总结 （一）课程设计过程中遇到的问题及解决方法：1、 首先，由于数字集成电路设计这门课程结束已经有一段时间，因而我们对书中的知识点不够熟悉，比如晶体管尺寸的选取和设定，0.25um工艺的标准输入电压值为2.5V等

12、等，导致了我们在做电路设计以及仿真波形时出现了一些与此相关的问题（在仿真分析中已提到，在此不赘述），好在我们及时阅读课本，找到了出现问题的原因及解决方案，使课程设计能够最终完成。2、 对于此次课程设计来说，我认为一个很大的障碍就是sp文件的编写。由于我们以前没怎么接触过hspice软件，以及类似的编程，在学习以往课程时借助的工具通常与Hspice区别较大，有的用verilog语言在FPGA上实现，如quartusII，或是直接绘制出电路图在软件中仿真，如EWB和multisim软件，sp文件的编写与以实现顶层设计为主要目的的前两者区别较大，是以器件为一个模块，需调用元件参数，考虑信号随时间的微

13、小变化，器件的尺寸、参数（如晶体管的宽长比、阈值电压等等），而不是单纯地将器件用理想导线连接即可，需要考虑的因素较多，编程的难度相对较大。因此我们借助于网上下载的一些hspice教程，仔细研读，了解了很多语句的功能，例如：(1)一些重要的输入电路描述语句及其一般形式： 结束语句（.END）一般形式：.END <comment>，它是结束语句整体的一部分。若一个HSPICE 输入文件包含有几个HSPICE 的运行，则每一个HSPICE 运行的最后都要加上.END 语句。注释语句一般形式：* <comment on a line by itself>是用户对程序运算和分析时

14、加以说明的语句。在列出输入程序时会打印出来，但不参与模拟分析。该语句可放在输入文件标题语句以后的任意位置加以注释。(2)电源描述语句本次课程设计选择的电源为脉冲源。脉冲源的一般形式为：PULSE <(> V1 V2 <td<tr<tf<pw<per>>>> <)> 或： PU <(> <V1 V2 <td<tr<tf<pw<per>>>> <)>其中：V1: 脉冲源开始前的初始值V2: 脉动值td: 第一个脉冲开始前的延迟时间，缺省值

15、为0.0tr: 脉冲上升时间，缺省值为TSTEPtf: 脉冲下降时间，缺省值为TSTEPpw: 脉冲宽度，缺省值为TSTEPper: 脉冲周期，缺省值为TSTEP(3)半导体器件描述语句本次课程设计用到的半导体器件为mos场效应管。一般形式：MXXX nd ng ns <nb> mname <L=val> <W=val>+ <AD=val> <AS=val> <PD=val> <PS=val> <NRD=val>+ <NRS=val> <RDC=val> <RSC=va

16、l> <OFF>+ <IC=vds,vgs,vbs> <M=val> <DTEMP=val> <GEO=val>+ <DELVTO=val>或 MXXX nd ng ns <nb> mname lval wval .或 .OPTION WLMXXX nd ng ns <nb> mname wval lval其中：MXXX: MOSFET 元件名，必须以“M”开头，后面最多跟15 个字符的字符串。ng, ns, nd: 分别是MOSFET 的栅、源和漏的节点名。nb: MOSFET 衬底节点名，

17、它可以通过模型语句中的BULK 参数来加以定义。mname: MOSFET 的模型参考名这是集成电路设计中非常关键的部分，合适的晶体管参数可以使电路的性能大大提高。(4) 模型描述语句 (.MODEL语句)模型语句的一般形式是：.MODEL mname type < prame1=val1 pname2=val2 . . . >其中：mname 模型参考名、元件必须靠这个名字来指明所要参考的模型。type 用来选择模型类型。pname1 用来设置模型参数名。模型参数名必须是相应模型中存在的参数，未给定的参数名和值就由程序中的缺省值代替。模型参数值由圆括号内参数表中的参数值给出。每个

18、独立参数之间用空格或逗号分隔，续行前要加”+”号。小结：通过对程序的学习，我们对数字集成电路设计这门课程有了更深入的以及更具实践性的了解。（二）课程设计实验心得：数字集成电路设计是一门比较复杂的课程，与我们在大二时曾学过的数字电路与逻辑设计相比，其讨论对象主要在门级以下，增加了对集成电路设计方面更细致、更全面、更准确的思考与讨论，如对器件的复杂性，一个数字器件并不只是单纯的0和1等等，互联线的寄生效应等诸多因素。而本课程的课程设计无疑加强巩固了对课程的理解和学习，通过软件的仿真，使得理论与实践能够更好地相联系。Hspice是一种常见的Spice仿真软件。Spice是Simulation Pro

19、gram with Integrated Circuit Emphasis的缩写，是一种功能强大的通用模拟电路仿真器，已经具有几十年的历史了，该程序是美国加利福尼亚大学伯克利分校电工和计算科学系开发的，主要用于集成电路的电路分析程序。比较常见的Spice仿真软件有Hspice、Pspice、Spectre、Tspice、SmartSpcie、IsSpice等，虽然它们的核心算法雷同，但仿真速度、精度和收敛性却不一样，其中以Synopsys公司的Hspice和Cadence公司的Pspice最为著名。Hspice是事实上的Spice工业标准仿真软件，在业内应用最为广泛，它具有精度高、仿真功能强大等特点，但它没有前端输入环境，需要事前准备好网表文件，不适合初级用户，主要应用于集成电路设计；Pspice是个人用户的最佳选择，具有图形化的前端输入环境，用户界面友好，性价比高，主要应用于PCB板和系统级的设计。HSPICE采用了最精确的、经过验证的集成电路器件模型库和先进的仿真和分析算