集成电路设计基础Ch07

1、1第7章 SPICE数模混合仿真程序的设计流程及方法27.1 采用SPICE的电路设计流程7.2 电路元件的SPICE输入语句格式7.3 电路特性分析语句7.4 电路特性控制语句7.5 缓冲驱动器设计实例7.6 跨导放大器设计实例第7章 SPICE数模混合仿真程序的设计流程及方法347.1 采用SPICE的电路设计流程7.2 电路元件的SPICE输入语句格式7.3 电路特性分析语句7.4 电路特性控制语句7.5 缓冲驱动器设计实例7.6 简单跨导放大器设计实例第7章 SPICE数模混合仿真程序的设计流程及方法566.1 采用SPICE的电路设计流程6.2 电路元件的SPICE输入语句格式6.3

2、 电路特性分析语句6.4 电路特性控制语句6.5 缓冲驱动器设计实例6.6 跨导放大器设计实例第7章 SPICE数模混合仿真程序的设计流程及方法7891011121314151617181920217.1 采用SPICE的电路设计流程7.2 电路元件的SPICE输入语句格式7.3 电路特性分析语句7.4 电路特性控制语句7.5 缓冲驱动器设计实例7.6 跨导放大器设计实例第7章 SPICE数模混合仿真程序的设计流程及方法227.3 电路特性分析语句2324直流分析举例例：分析反相器链的直流传输特性和工作点.global vdd.SUBCKT INV IN OUT wn=1.2u wp=1.2u

3、.ENDSX1 IN 1 INV WN=1.2U WP=3UX2 1 2 INV WN=1.2U WP=3UX3 2 OUT INV WN=1.2U WP=3UCL OUT 0 1PFVCC VDD 0 5VVIN IN 0.DC VIN0 5V 0.1V.OP.END25262727低通滤波器频率响应举例.title ac sweep example.OPTIONS POSTR1 in 1 5C1 1 0 500pFV1 IN 0 0 AC=10V,37.AC OCT 10 1 100MEG.PRINT ac V(1).END2829控制卡噪声分析噪声分析：用来计算各个器件的噪声对输出节点的

4、影响并给出其均方根并输出，可完成.AC语句规定的各频率的计算，应在.AC分析之后。.NOISE ovv srcnam interOvv输出变量，srcnam输入源，inter频率间隔例：.title ac sweep example.OPTIONS POSTR1 in 1 5C1 1 0 500pfV1 IN 0 0 AC=10V,37.AC OCT 10 1 100MEG.noise v(1) v1 20分析1点电压的噪声情况，噪声源为V1端口.END303132833349.温度分析与直流或瞬态分析等命令结合使用：例如对反相器链瞬态特性的温度扫描：VIN IN 0 PULSE(0 5V 1

5、0NS 1N 1N 50N100N).TRAN 1N 200N sweep temp 0 125 20.PRINT V(OUT).END曲线如右：.TEMP t1 t2 ：会产生一系列的瞬态分析文件：tr0,tr1.,在metawave中对应不同的分析。357.1 采用SPICE的电路设计流程7.2 电路元件的SPICE输入语句格式7.3 电路特性分析语句7.4 电路特性控制语句7.5 缓冲驱动器设计实例7.6 跨导放大器设计实例第7章 SPICE数模混合仿真程序的设计流程及方法361.初始化.IC var1=val1 瞬态分析的初始化语句.NODESET var1=val1 直流分析的初始条

6、件设定语句进行含有多稳态电路的模拟时往往需要给出初始化条件。AA11A1BoutI初始化问题举例：含有双稳态的电路固定A端为1，扫描输出输入B的直流特性：va a 0 5vvb b 0.dc vb lin 10 0 5不收敛！应加上.nodeset v(i)=5v v(out)=0v3738上面电路的瞬态分析也需要初始化：.va a 0 5vvb b 0 pulse(0 5 1n 0.1n 0.1n 5n 10n).IC v(i)=5v v(out)=0v.tran 0.1n 20ns.392.重置参数-.OPTIONS.OPTIONS:该语句允许用户重新设置程序的参数或控制程序的功能。常用的

7、一些如下：node: 列出个节点的元件端点，便于查错；post: 使输出数据可以使用 MetaWaves 浏览（即将数据输出到post processor）list: 列出元件列表；MEASDGT：.MEASURE语句输出的有效数字位数例：.option post probe $MetaWaves只观察.probe语句输出的变量。40341计算反相器链电路的延迟时间.TITLE 1.2UM CMOS INVERTER CHAIN.INCLUDE models.spX1 IN 1 INV WN=1.2U WP=3UX2 1 2 INV WN=1.2U WP=3UX3 2 OUT INV WN=1

8、.2U WP=3UCL OUT 0 1PFVCC VDD 0 5VVIN IN 0 PULSE(0 5V 10NS 1N 1N 50N 100N).TRAN 1N 200N.measure tran tdelay trig v(in) val=2.5 td=8ns rise=1+ targ v(out) val=2.5 td=9n fall=1.END457.1 采用SPICE的电路设计流程7.2 电路元件的SPICE输入语句格式7.3 电路特性分析语句7.4 电路特性控制语句7.5 缓冲驱动器设计实例7.6 跨导放大器设计实例第7章 SPICE数模混合仿真程序的设计流程及方法46一个例子：缓

9、冲驱动器分析HSPICE分析举例47准备模型文件选用1.2um CMOS工艺level II模型(Models.sp).MODEL NMOS NMOS LEVEL=2 LD=0.15U TOX=200.0E-10 VTO=0.74 KP=8.0E-05+NSUB=5.37E+15 GAMMA=0.54 PHI=0.6 U0=656 UEXP=0.157 UCRIT=31444+DELTA=2.34 VMAX=55261 XJ=0.25U LAMBDA=0.037 NFS=1E+12 NEFF=1.001+NSS=1E+11 TPG=1.0 RSH=70.00 PB=0.58+CGDO=4.3E

10、-10 CGSO=4.3E-10 CJ=0.0003 MJ=0.66 CJSW=8.0E-10 MJSW=0.24.MODEL PMOS PMOS LEVEL=2 LD=0.15U TOX=200.0E-10 VTO=-0.74 KP=2.70E-05+NSUB=4.33E+15 GAMMA=0.58 PHI=0.6 U0=262 UEXP=0.324 UCRIT=65720+DELTA=1.79 VMAX=25694 XJ=0.25U LAMBDA=0.061 NFS=1E+12 NEFF=1.001+NSS=1E+11 TPG=-1.0 RSH=121.00 PB=0.64+CGDO=4.

11、3E-10 CGSO=4.3E-10 CJ=0.0005 MJ=0.51 CJSW=1.35E-10 MJSW=0.2448设计基本反相器单元根据模型参数、设计要求设定管子尺寸写出反相器网单：.TITLE 1.2UM CMOS INVERTER CHAIN.INCLUDE models.sp.global vddMn out in 0 0 NMOS W=1.2u L=1.2uMp out in vdd vdd PMOS W=3u L=1.2uCL OUT 0 0.5PFVCC VDD 0 5VVIN IN 0 PULSE(0 5V 10NS 1N 1N 50N 100N)491.直流传输特性分

12、析.TITLE 1.2UM CMOS INVERTER CHAIN.INCLUDE models.sp.global vdd.option probeMn out in 0 0 NMOS W=1.2u L=1.2uMp out in vdd vdd PMOS W=1.2u L=1.2uCL OUT 0 0.5PFVCC VDD 0 5VVIN IN 0 PULSE(0 5V 10NS 1N 1N 50N 100N).DC VIN 0 5V 0.1V.be dc v(out).end50输出的直流传输特性曲线51利用含参数的子电路组成反相器链.TITLE 1.2UM CMOS INV

13、ERTER CHAIN.INCLUDE models.sp.global vdd.SUBCKT INV IN OUT wn=1.2u wp=1.2uMn out in 0 0 NMOS W=wn L=1.2uMp out in vdd vdd PMOS W=wp L=1.2u.ENDSX1 IN 1 INV WN=1.2U WP=3UX2 1 2 INV WN=1.2U WP=3UX3 2 OUT INV WN=1.2U WP=3UCL OUT 0 1PFVCC VDD 0 5VVIN IN 052直流特性分析.DC VIN 0 5V 0.1V.measure DC ttrans whenv(

14、out)=2.5v.ENDttrans temper alter#2.4500 25.00001.0000532.时序特性VIN IN 0 PULSE(0 5V 10NS 1N1N 50N 100N)*.DC VIN 0 5V 0.1V.TRAN 1N 200N.measure tran tdelay trig v(in) val=2.5 td=8ns rise=1+ targ v(out) val=2.5 td=9n fall=1.PRINT V(OUT).end543.考察驱动能力扫描负载电容，观察时序波形：.param cload=1pf.data cvcload0.5p1p2p.end

15、dataCL OUT 0 cloadVIN IN 0 PULSE(0 5V 10NS 1N 1N50N 100N).TRAN 1N 200N sweep data=cv55.TRAN 1N 200N sweep data=cv.measure tran td trig v(in) val=2.5 td=8nsrise=1 targ v(out) val=2.5 td=9n fall=1.END固定负载，扫描管子尺寸$DATA1 SOURCE=HSPICE VERSION=1999.4.TITLE .title 1.2um cmos inverter chainindex wpt td temp

16、er alter#1.0000 1.200e-06 9.121e-09 25.0000 1.00002.0000 2.400e-06 4.724e-09 25.0000 1.00003.0000 3.000e-06 3.891e-09 25.0000 1.0000.enddataX1 IN 1 INV WN=wu WP=wptX2 1 2 INV WN=wu WP=wptX3 2 OUT INV WN=wu WP=wptCL OUT 0 1pf567.1 采用SPICE的电路设计流程7.2 电路元件的SPICE输入语句格式7.3 电路特性分析语句7.4 电路特性控制语句7.5 缓冲驱动器设计实

17、例7.6 跨导放大器设计实例第7章 SPICE数模混合仿真程序的设计流程及方法57例子：简单跨导放大器分析HSPICE分析举例58电路与网表指标分析偏置电流与功耗、开环增益、GBW与相位裕度、压摆率、Swing Range、失调、噪声、工艺corner分析、温度特性分析等59V_VpV_VacV_Vdcvdd 0 5Vvin 0 DC 2.5V AC 1V 0vip 0 2.5VR_RzC_Ccvo1 N_0001 rzvN_0001 vo ccvC_CLC_CbR_RbM_U2M_M1M_M3M_U1M_U4M_U5M_U30 vo clv0 vb 10pvb vdd 100kvo1 vip

18、 N_0002 0 nm L=0.6u W=12u M=2N_0003 N_0003 vdd vdd pm L=2u W=12u M=2vo vo1 vdd vdd pm L=0.6u W=12u M=8N_0003 vin N_0002 0 nm L=0.6u W=12u M=2vo vb 0 0 nm L=5u W=12u M=8vb vb 0 0 nm L=5u W=12u M=1N_0002 vb 0 0 nm L=5u W=12u M=4M_M2 vo1 N_0003 vdd vdd pm L=2u W=12u M=2存在文件 中60Hspice执行网表Ota simulation.

19、prot.lib LIB_PATHcsmc.lib tt.unprot.option post be ac v(vo1) v(vo) vp(vo).op*.dc v_vdc 2.48 2.5 0.0001*.trans 10ns 200ns 20ns 0.1ns.ac dec 10 1k 100meg $sweep rzv 0 2k 0.2k.para rzv=1k ccv=1p clv=1p.inc NETLIST_PATH.end611.工作点分析Ota t.lib LIB_PATHcsmc.lib tt.unprot*.option post

20、 probe*.probe ac v(vo1) v(vo) vp(vo).op*.dc v_vdc 2.48 2.5 0.0001*.trans 10ns 200ns 20ns 0.1ns*.ac dec 10 1k 100meg $sweep rzv 0 2k 0.2k.para rzv=1k ccv=1p clv=1p.inc NETLIST_PATH.end62工作点分析浏览并分析.lis文件的内容.prot与.unprot使用将使得其中的内容不在.lis中出现用oper查找，即可找到operating point information这一段，可看到电路各节点的电压、各元件的工作状态注

21、意此时vo=4.8916对于提供电源的电压源v_vp，注意其功耗就是电路功耗，因此可查得电路功耗为2.47mW对于MOS管，注意各参量的含义：region、id、vgs、vds、vth、vdsat、gm、gmb、gds可查得流过M_U3的偏置电流为149.8uA，并注意到M_M3的region为Linear2.直流扫描分析Ota t.lib LIB_PATHcsmc.lib tt.unprot.option post be dc v(vo1) v(vo).op.dc v_vdc 2.45 2.55 0.001*.trans 10ns 200ns 2

22、0ns 0.1ns*.ac dec 10 1k 100meg $sweep rzv 0 2k 0.2k.para rzv=1k ccv=1p clv=1p.inc NETLIST_PATH.end63粗扫64dvo直流扫描分析vo1vo对vo求导小信号增益Gain=d(vo)/d(v_vdc)确定精扫扫描范围65直流扫描分析2中键拖动对vo求导的操作步骤1中键拖动derivative 3定义结果名回车直流扫描分析Ota t.lib LIB_PATHcsmc.lib tt.unprot.option post be dc v(vo1) v(vo).o

23、p.dc v_vdc 2.48 2.495 0.0001*.trans 10ns 200ns 20ns 0.1ns*.ac dec 10 1k 100meg $sweep rzv 0 2k 0.2k.para rzv=1k ccv=1p clv=1p.inc NETLIST_PATH.end66精扫67直流扫描分析对于增益要求G0，存在对应的输出swing range，若用小信号增益gainG0作为swing range，则一定满足增益要求例如G0=500，则根据下图其swing range (0.485, 4.29)若取输出中心电压为vdd/2，而令vo=vdd/2时，可测得此时v_dc=2

24、.4876V故ota的系统失调：Vos=12.4mVnonlinearSmall-signal gain3.交流扫描分析Ota t.lib LIB_PATHcsmc.lib tt.unprot.option post be ac v(vo1) v(vo) vp(vo).op*.dc v_vdc 2.48 2.495 0.0001*.trans 10ns 200ns 20ns 0.1ns.ac dec 10 1k 200meg $sweep rzv 0 2k 0.2k.para rzv=0 ccv=1p clv=1p.inc NETLIST_PATH

25、.end表示没有补偿电阻Rz将中的v_vdc值设为：V_Vdc vip 0 2.4876V6869交流扫描分析GBW=99.8MHz相位裕度34.6度直流small-signal gain70单位增益带宽 GBW gm1/(Cc+CGD3)主极点 p1 1/Ro1gm3Ro(Cc+CGD3)第二极点 p2 gm3/(CL+Co)零点 z 1/(Cc+CGD3)(gm3-1-Rz)查看.lis文件 可知gm3 2m gm1 0.83mgm1b 0.13m由于零点的作用，相位裕度从60多度减小至39度！交流扫描分析 gm1为输入管M_U1的跨导gm3为第二级输入管M_M3的跨导交流扫描分析Ota

26、t.lib LIB_PATHcsmc.lib tt.unprot.option post be ac v(vo1) v(vo) vp(vo).op*.dc v_vdc 2.48 2.495 0.0001*.trans 10ns 200ns 20ns 0.1ns.ac dec 10 1k 500meg sweep ccv 0 5p 1p.para rzv=0 ccv=1p clv=1p.inc NETLIST_PATH.end71分析miller补偿效应交流扫描分析增加Cc， p1 向下移动，GBW减小相位裕度增加增加Cc到5p时，相位裕度增加到约5

27、9度，而GBW已经减小到24.8MHz!72交流扫描分析Ota t.lib LIB_PATHcsmc.lib tt.unprot.option post be ac v(vo1) v(vo) vp(vo).op*.dc v_vdc 2.48 2.495 0.0001*.trans 10ns 200ns 20ns 0.1ns.ac dec 10 1k 500meg sweep rzv 0 2k 0.2k.para rzv=0 ccv=1p clv=1p.inc NETLIST_PATH.end分析零极点抵消效果73加Rz，可减弱零点的作用，提高相位裕

28、度；当达到零极点抵消时，应满足：Rz (CL+Cc)/(gm3Cc)得出 Rz 1k74交流扫描分析Rz增加到0.6k时，相位裕度增加到约55度，GBW约76MHzRz增加到1k时，相位裕度增加到约67度，GBW约103MHz754.噪声分析Ota t.lib LIB_PATHcsmc.lib tt.unprot.option post be ac v(vo1) v(vo) vp(vo).op*.dc v_vdc 2.48 2.495 0.0001*.trans 10ns 200ns 20ns 0.1ns.ac dec 10 1k 500meg $

29、sweep rzv 0 2k 0.2k.noise v(vo) v_vac 10.para rzv=1k ccv=1p clv=1p.inc NETLIST_PATH.end分析热噪声76噪声分析.lis文件中会给出每一个频率采样点上的噪声频谱密度，以及从开始频率到该频率点的等效噪声电压等找到如下一段：* the results of the sqrt of integral (v*2 / freq)from fstart upto 100.0000 x hz. using more freqpointsresults in more accurate total noise values.*

30、 total output noise voltage = 2.5009mvolts* total equivalent input noise = 64.7944u注意.lis文件中各个MOS元件的噪声大小对比，并根据电路图进行对应的分析还可以改变Cc的值，来看总的等效输入噪声有什么变化825.压摆率分析在输入端输入一个较大的脉冲信号，以观察输出端的电压摆率在中将V_vac的定义换成：V_vpulse vin 0 PULSE 2 3 20ns 0.1n 0.1n 100n 200n83压摆率分析Ota t.lib LIB_PATHcsmc.lib tt.unpro

31、t.option post be tran v(vo1) v(vo).op*.dc v_vdc 2.45 2.51 0.001 sweep monte = 30.trans 0.1ns 1000ns*.ac dec 10 1k 500meg $sweep ccv 0 5p 1p*.noise v(vo) v_vac 20.para rzv=1k ccv=1p clv=1p $alfa=agauss(0,3,3).inc NETLIST_PATH.end用瞬态仿真来分析ota输出slew rate压摆率分析压摆率仿真结果由右图可测得ota的上升和下降压摆率分别为146V/us和

32、132V/usProblem: 在电路图中如何分析上升和下降压摆率？将结果与仿真结果进行对比84856.模型corner仿真在中将V_vpulse的定义换回来：V_Vacvin 0 DC 2.5V AC 1V 086模型corner仿真Ota t.lib LIB_PATHcsmc.lib tt.unprot.option post be dc v(vo).op.dc v_vdc 2.45 2.51 0.0001 $sweep monte = 30*.trans 0.1ns 1000ns*.ac dec 10 1k 500meg $sweep ccv

33、 0 5p 1p*.noise v(vo) v_vac 20.para rzv=1k ccv=1p clv=1p $alfa=agauss(0,3,3).inc NETLIST_PATH.end做DC扫描，分析各种corner下的增益和失调的变化模型corner仿真在.end前插入.alter语句，如下：Ota simulation.alter.lib LIB_PATHcsmc.lib.alter.lib LIB_PATHcsmc.lib.alter.lib LIB_PATHcsmc.lib.alter.lib LIB_PATHcsmc.libfffssfss.end8788ttfffffs

34、ttfssfsssf ss模型corner仿真Ff时增益最小，ss时增益最大Vo=vdd/2分别对应于V_vdc为：2.48762.48142.48612.48812.491289模型corner仿真Ota t.lib LIB_PATHcsmc.lib tt.unprot.option post be ac v(vo) vp(vo).op*.dc v_vdc 2.45 2.51 0.0001 $sweep monte = 30*.trans 0.1ns 1000ns.ac dec 10 1k 500meg $sweep ccv 0 5p 1p*.n

35、oise v(vo) v_vac 20.para rzv=1k ccv=1p clv=1p $alfa=agauss(0,3,3).inc NETLIST_PATH.end知道了各种corner下的失调后，就可以设置V_vdc做AC扫描，分析各种corner下的增益和GBW的变化模型corner仿真.alterV_Vdc vip 0 2.4814V.lib f:spiceuserlibcsmc.lib ff.alterV_Vdc vip 0 2.4861V.lib f:spiceuserlibcsmc.lib fs.alterV_Vdc vip 0 2.4881V.lib f:spiceuserlibcsmc.lib sf.alterV_Vdc vip 0 2.4912V.lib f:spiceuserlibcsmc.lib ss.end对于各种corner加入了对应的V_vdc定义9091模型corner仿真ffss92模型corner仿真ffssffssgainGBWPhase margintt989103MHz67.2ff585122MHz75.9fs922108MHz64.8sf93997.9MHz 71.2ss1.46k87.4M