集成电路CAD上机完成版

1、实验指导书 教学单位：电子工程系 课程名称：集成电路 CAD 面向专业：电子科学与技术 电子科技大学中山学院 2011 年 09 月 19 日 实验指导书 实验名称：实验一 用 PSPICE 软件工具提取原理图网表 学时安排：2 学时 实验类别：验证性 实验要求：必做 一、实验目的和任务 随着 IT 产业的迅猛发展，微电子集成电路在通讯、计算机及其他消费类电子产品中的重要地位日益 突出，而 IC 的生产和设计技术水平是决定 IC 芯片性能的两大要素。目前，IC 设计主要沿正向和逆向设 计两条技术路线继续发展，该实验是正向设计中的必须环节，通过本实验使学生能基本掌握 IC 正向设计 的初步知识。

2、 本实验是基于微电子技术应用背景和集成电路 CAD课程及其特点而设置的。其目的在于： 学会使用 PSPICE 软件工具提取电路原理图网表。 学习并掌握国际流行的 EDA 仿真软件 PSPICE 的使用方法。 通过该实验，使学生掌握电路网表的提取方法，加深对课程知识的感性认识，增强学生的设计与综 合分析能力，进而为下一步 HSPICE 高精度仿真打下良好基础。 二、实验原理介绍 电路的特性是通过计算机软件仿真在 PSPICE 工具的基础上得到的，借助于软件仿真工具可以节省 电路的制作实验成本，可以提高设计电路成功的时间，从而提高电路制作的效率。通常对电路的仿真可 采用原理图仿真或使用电路网表仿真

3、。提取网表文件的方法有多种：可以通过电路的网络结构及参数特 点，初步设定电路中的各个节点及参考点，应用元件语句手工直接编写；还可以借助于计算机工具，应 用相应的工具软件来提取 SPICE 网表文件（如采用 PSPICE，MODELSIM 等） 。 电路图仿真的本质是对电路网表文件的节点参数进行数学运算（如：电流、电压和功耗的值） ，节点 之间的电子元器件特性是由该器件的模型所表征的，模型的准确将有利于使用该模型进行电路仿真的正 确性，在计算机上所进行的电路仿真本质就是将所得到的电路设计指标值与实际数值相比较，并不断调 整各个元器件值的大小，满足电路的性能指标要求，从而帮助设计人员选择元器件合适

4、的参数和电路结 构。 通常采用手工书写语句的方式来描述电路的结构，这是对应于电路的元器件个数较少且节点不多的 情况。如果元器件个数较多，相应的节点数目也就较多，手工书写将会带来繁杂、易出错误和时间长的 缺点。因此，对于复杂的电路提倡采用计算机软件工具 PSPICE 来提取电路图网表文件。 三、实验设备介绍 1.工作站或微机终端 一台 2.局域网 3.EDA PSPICE 仿真软件 1 套 四、实验内容和步骤 了解 PSPICE 仿真工具软件的安装，熟悉该软件工具栏的菜单功能及使用方法。试以一般的电路为例， 调用元件库中的元器件画电路图（如电源部分的桥式整流电路、低通滤波电路、高通滤波电路等）

5、。用画 好的电路原理图生成对应的网表，比较新生成的网表文件与所写出的该文件差异。 1.在个人计算机上安装 PSPICE 仿真软件：先双击 setup.exe 文件图标，或单击，然后选择确定按钮。 2.运行程序后会出现如下图中的桌面，在图中的 Schematics 中打勾，并点击 next 方框即可。 3.依据电脑给出的提示，再点击 nextnextnext 即可完成安装 PSPICE 软件。 4.现准备运行该软件，先从计算机屏幕的左下角点击“开始”“所有程序”“pspice student” “schematics”，此时会出现该软件运行后的原理图对话框，在此桌面上即可对原理图进行 编辑。 5

6、.点击工具栏 Draw 中的下拉菜单 Get New Part，便会得到所有 PSPICE 中的元件库，依据元器件的 大写字母来决定所要调用的元器件符号。 6.如需要分别调入无源元器件时，可分别在 Part Name 中输入 L、C、R，它们分别代表电感、电容 和电阻，调入的元件有一个标称值，但实际情况的大小可能与之不一致，这是可按照实际 需要双击该元器件改变其中的标称值。 （注意该值后面的单位是否与所选的单位一致，如果 不一致，则需修改。 ） 7.根据设计要求首先创建电路拓扑图 (其中直流电源 VDC，接地端 GND_ANALOG)。 8.对刚画好的电路图先保存，记住保存在英文的目录下，防止

7、软件无法进行汇编运行而报错，然后 按工具栏 Analysis 中的 Create Netlist 菜单即可。 五、注意事项和要求 1.网表中必须有接地点，也就是电路的零点(参考电位点)。 2.注意网表的第一行第一个字符应为星号，后面为电路名称的注释语句，并且一定要有此行。 3.连线中应注意预防短路现象，可通过拖动元器件来发现。 六、作业及预习要求 1.按照实验报告格式书写； 2.分析调试过程中出现的问题与解决方案； 3.仿真流程与心得体会； 4.反复练习 PSPICE 软件中的操作，熟悉菜单的使用方式。 七、参考书目 1.超大规模集成电路设计方法学导论（第二版） ，杨之廉，申明编著，清华大学出

8、版社 2.PSpice 电路设计实用教程李永平，国防工业出版社，2004 3.PSPICE 与电子器件模型赵雅兴，北京邮电大学出版社，2004 年 9 月 实验指导书 实验名称：实验二 运用电路描述文件来仿真电路 学时安排：3 学时 实验类别：验证性 实验要求：必做 一、实验目的和任务 SPICE 网表文件仿真既是集成电路设计的基础， 也是大规模及超大规模集成电路系统设计的前提， 因此，IC 工程师必须掌握应用网表文件来仿真电路。本实验的教学目的是使学生掌握描述语句的写法及 实际电路中的应用。 二、实验原理介绍 在电路设计中，电路性能仿真及电路版图设计都是通过电路网表来实现的。网表语句不仅可以

9、在 IC 设计软件 Cadence 上运行，而且可以在其它公司生产的电路仿真软件上运行，它们之间通用的内核 SPICE 语句是统一的。 PSPICE 软件工具采用画原理图并设置分析语句的方法来仿真，操作相对简单，但与 HSPICE 软件相 比，其仿真精度不高，所以更多高精度的仿真选用 HSPICE 软件工具。然而，由于 HSPICE 是采用网表语 句来仿真，所以编写网表语句就成为非常重要的环节。编写时要注意语句的正确写法，同时也要注意整 个电路网表语句的系统性，从而确保所写的语句正确且满足电路仿真的需要。 电路仿真的本质在于运用元器件模型参数及节点，通过数学方法来计算电路的电学特性（如：电流、

10、 电压和功率等等） 。 三、实验设备介绍 1.工作站或微机终端 一台 2.局域网 3.EDA PSPICE 仿真软件 1 套 四、实验内容和步骤 根据所给出的电路图写出描述文件（注意电路中元器件的标称值、电源及信号特点、模型的正确调用 等） 。用 PSpice AD Student 调用描述文件进行电路仿真，观看直流电压扫描（直流传输特性）及瞬态扫 描（时域响应特性）的电流电压波形，分析电路波形与电路参数的关系。思考并解决仿真中出现的各种 问题。 1.应用 SPICE 语句写出 TTL 反相器电路结构图，电路原理图如下所示。 图中的输入脉冲信号、直流电压源及 NPN 双极三极管模型如下： VC

11、C 6 0 DC 5V VIN 1 0 PULSE(0 5 1NS 1NS 1NS 38NS 60NS) .MODEL QN NPN(BF=50 RB=70 RC=40 CCS=2PF TF=0.1NS TR=10NS VJC=0.8S) 2.要求仿真直流特性及瞬时特性，注意各个节点电压和电流的波形曲线。 .DC VIN 0 2 0.01 .TRAN 1NS 80NS .PLOT TRAN V(4) V(1) .PROBE .END 3.将描述文件写于记事本中，修改文件属性为.cir，并保存。 4. 用 PSpice AD Student 模块打开上述文件即可运行描述语句命令。 5.任意设定相

12、应的电压信号进行仿真。 五、注意事项和要求 1.仔细书写电路网表节点语句和元器件单位，注意不可漏写元件的个数。 2.功能仿真语句必须在每个语句前的左下角加小点，同时注意语句的正确使用。 3.语句完成后要以 END 命令结束。 六、作业及预习要求 1.画出电路原理图及电路的仿真曲线，并分析仿真图形与理论图形的不同。 2.写出描述语句（注意此语句必须在计算机上仿真通过） 。 3.分析调试过程中出现的问题与解决方案。 七、参考书目 1.超大规模集成电路设计方法学导论（第二版） ，杨之廉，申明编著，清华大学出版社 2.PSpice 电路设计实用教程李永平，国防工业出版社，2004 实验指导书 实验名称

13、：实验三实验三 用简单的桥式整流电路验证电路 学时安排：3 学时 实验类别：验证性 实验要求：必做 一、实验目的和任务 电路的设计是通过理论的公式计算，了解实际使用的元器件及数值大小，然后将各种型号的元器件 焊接到电路板（PCB）上，再利用专门的测试仪器边检测边调试的方式来完成。这种方式的缺点是周期长、 成本高，不利于大规模的产品设计及生产。本实验的教学目的是使学生了解电路仿真设计的特点和优点， 采用简单的桥式整流电路来完整的设计电路，熟悉电路设计的过程和方法。 二、实验原理介绍 在 PSPICE 运行环境下，先依据电路原理图的特点调用相应的元器件画电路图，然后修改电阻、电 感、电容等元器件的

14、数值，如果需要可以在编辑菜单里重新修改元器件的电路模型，最后保存电路。仿 真时注意选择设置 DC、AC、Transient 等分析方式，当选择好扫描方式后，通过仿真观察及分析电路的 特点及特性。 桥式整流电路是电源部分常用的输入电路，也是进行电源设计时首先要解决的部分。电路的工作原 理是通过变压器的转换作用，将 220V、50Hz 的交流电转化为负载所需的交流电压，并借助于桥式二极管 的整流变换，形成直流输出，供特定要求的负载使用。图中 D5、D6、D7 和 D8 为桥式整流电路，可将脉 动交流电转变为脉动直流电；TX 为负载变压器，主要完成从源端到负载端的电压变换，这里是将高电压 变换为低电

15、压。 桥式整流电路图 三、实验设备介绍 1.工作站或微机终端 一台 2.局域网 3.EDA PSPICE 仿真软件 一套 四、实验内容和步骤 在 Schematics 的环境下，画桥式整流电路原理图（注意电路中元器件的标称值、电源及信号设置、 模型的正确调用等） 。用 Analysis 下的仿真控件 Simulate 电路，观看瞬态扫描的电流电压波形，分析电路 波形与电路参数的关系。思考并解决仿真中出现的各种问题。 1.从元件库中调用二极管器件 D1N4002。 2.画变压器元件，在 PartName 中输入 XFRM，设置初级和次级线圈的匝数。 3.使用 VSIN 正弦交流电源，电压为 10

16、V，频率为 1KHz。 4.其他元器件如前面的实验所示，画出完整的桥式整流电路图，并保存。 5.设置分析条件（用 Setup 框按钮） ，并进行仿真波形分析。 五、注意事项和要求 1.电路的电源部分必须定义接地点，并同时要有一定的阻值，从而保证电源能够提供有效电流。 2.变压器的调用要注意防止使用模型符号来仿真，最终导致仿真失败。 3.整流二极管使用的过程中，可根据电流的设计选择适当容量的二极管，如考虑反向击穿电压和 正向电流等。 六、作业及预习要求 1.画出电路原理图及电路的仿真曲线，并分析仿真图形曲线与理论图形曲线的不同。 2.分析调试过程中出现的问题与解决方案。 3.总结，按实验报告格式

17、完成报告。 七、参考书目 1.PSpice 电路设计实用教程李永平，国防工业出版社，2004 2.超大规模集成电路设计方法学导论（第二版） ，杨之廉，申明编著，清华大学出版社 实验指导书 实验名称：实验四实验四 设计常用的单级放大电路 学时安排：2 学时 实验类别：设计性 实验要求：必做 一、实验目的和任务 在模拟电路中，设计的放大器由多级或者单级放大电路组成，这主要是依据其增益大小来决定的。 要设计满足性能指标的放大器首先必须设计好单级放大电路。本实验教学目的是使学生了解单级放大电 路设计的过程，熟悉电路的直流工作的选择、电路的动态性能指标、频域特性等。 二、实验原理介绍 要使得放大器处于放

18、大状态，必须初步计算三极管的工作点并选用适当的接法（共射、共基和共集） ， 然后选择特定要求的偏置电路及耦合电容。在理论上满足电路处于放大状态的基础上，运用 PSPICE 软件 仿真所提供的电路，找到电路实际工作点，并通过时域及频域扫描寻找器件的最好工作状态，如果特定 状态不能满足系统指标要求，可重新选择新型号器件来代替。 在 PSPICE 运行环境下，先依据电路原理图的特点调用相应的元器件画电路图，然后修改电阻、电 感、电容等元器件的参数值，如果特殊需要也可以在编辑菜单里重新修改元器件的电路模型参数，最后 保存电路。仿真时注意选择设置 DC、AC、Transient 等命令分析方式，当选择好

19、扫描方式后，通过仿真 观察及分析电路的特点及特性。 该实验选用共射接法单管放大的方式，具体电路如下： 在输入端加入一定幅值的交流正弦信号，经过晶体管 Q2N2222A 的电压放大作用，达到信号放大的 目的，所得到的信号可以推动负载 R3。其中的 C1、C2 为隔直电容，量值大小根据信号的频率来决定。 电阻值的大小是在电路的外部指标的要求下，如所接负载的功率对放大器电压要求的限制，管子静态工 作状态要求等，通过电流电压的电学特性计算，即可得到所需的量值。 三、实验设备介绍 1.工作站或微机终端 一台 2.局域网 3.EDA PSPICE 仿真软件 1 套 四、实验内容和步骤 设计单级放大器，并计

20、算电路中的相关阻值及电容的大小。在 Schematics 的环境下，画单级放大电 路原理图（注意电路中元器件的标称值、电源及信号特点、模型的正确调用等） 。用 Analysis 下的仿真控 件 Simulate 电路，观看 AC 扫描、瞬态扫描的电压波形，分析电路波形与电路参数的关系。并可重新改 变电路中的相关参数值（如阻抗、电容等） 。思考并解决仿真中出现的各种问题。 1.从元件库中调用电阻器件，注意对于兆欧电阻应写为 MEG。 2.选用 Q2N2222A 器件，其模型参数见工具栏 EDIT 中。 3.使用 VSIN 正弦交流电源，电压为 1mV，频率为 20KHz。 4.其他元器件如前面的

21、实验所示，画出完整的单级放大电路图，并保存。 5.设置分析条件（用 setup 框按钮） ，并进行仿真波形分析。仿真 AC 分析时，要改变输入电压源 为 VAC，并设置其参数，其他条件不变。 6.先进行工作点的仿真设置，然后对频域 AC 仿真，最后对时域 Transient 进行仿真，并保存仿真 图形。 五、注意事项和要求 1.在 PSPICE 软件中，应注意正确的单位书写方式，如微米、兆欧的字母表示方式分别为 um、MEG，同时也要考虑其写法，在此软件下无大小写的变化。 2.由于输入信号的幅值为毫伏级，即小信号输入，设计时考虑小信号放大电路，与大信号功率放 大有所区别。 3.电路放大的工作状

22、态在管子的静态工作点附近，并且其放大的最大值是小于电源电压的幅值的。 所以要学会选择 A 类、B 类或 AB 类放大器。 六、作业及预习要求 1.画出电路原理图及电路的仿真曲线，并分析仿真图形与理论图形的不同。 2.分析调试过程中出现的问题与解决方案。 3.总结，按实验报告格式完成报告。 七、参考书目 1.PSpice 电路设计实用教程李永平，国防工业出版社，2004 2.超大规模集成电路设计方法学导论（第二版） ，杨之廉，申明编著，清华大学出版社 实验指导书 实验名称：实验五 设计和仿真带有反馈的放大器 学时安排：3 学时 实验类别：设计性 实验要求：必做 一、实验目的和任务 带有反馈功能的

23、放大器可以保证电路动态性能稳定和提高带宽等功能。在工程上设计电路放大器时， 通常是设计成具有稳定增益及优良带宽的反馈放大器。本实验教学目的是使学生熟练掌握反馈放大器电 路的设计和仿真方法。熟悉电路的电压放大倍数、输入阻抗、输出阻抗和频带的仿真。 二、实验原理介绍 单级共发射极的放大电路，如在放大三极管的发射极与地端之间加上一定量的反馈电阻，可以保证 输出端的电流及电压的稳定性；同理，在该三极管基极与集电极两端也接上适当值的反馈电阻，则可以 有效的保持输出端相位的恒定并增加放大器的通频带。因此，通过这些反馈方法保证放大器电路的稳定 性，并满足该放大器设计的特性指标。 要使得放大器处于放大状态，必

24、须初步计算三极管的工作点并选用适当的接法（共射、共基和共集） ， 然后选择特定要求的偏置电路及耦合电容。在理论计算上满足电路处于放大状态的基础上，运用 PSPICE 软件仿真该电路，找到电路实际工作点（直流电流和电压） ，并通过时域扫描确定器件能满足放大电路的 要求，如果特定状态不能满足，则可重新选择新三极管器件来代替。 在 PSPICE 运行环境下，首先依据电路原理图的特点调用相应的元器件画电路图，然后修改电阻、 电感、电容等元器件的数值，如果需要，可以在编辑菜单里重新修改元器件的电路模型，最后保存电路。 仿真时注意选择设置 DC、AC、Transient 等控件的分析方式，当选择某种扫描方

25、式后，运行菜单 analysis 中的 simulate 仿真，通过仿真观察输出特性波形，并分析电路的功能。 该实验的具体电路如上图所示： 在左边输入端加入交流小信号 V4，经过晶体管 Q2N2222A 的电压放大作用，达到信号放大的目的， 所得到的信号可以推动负载 R5。其中 R2、R4 为偏置电路电阻起分压器作用，为基极提供电压和电流； R3 为发射极反馈电阻，能保证输出端电流的恒定；C1、C2 为输出和输入端的隔直电容，C3 为高频旁路 电容（交流小信号接地） ，其量值大小由放大信号的频率来确定。电流的放大增益和输入、输出电阻由小 信号等效电路图来计算，其值的大小可以有效的帮助设计电路，

26、从而满足电路的性能。 三、实验设备介绍 1.工作站或微机终端 一台 2.局域网 3.EDA PSPICE 仿真软件 1 套 四、实验内容和步骤 设计反馈放大器，并计算电路中的相关阻值及电容的大小。在 Schematics 的环境下，画单级放大电 路原理图（注意电路中元器件的标称值、电源及信号特点、模型的正确调用等） 。在 Schematics 原理图条 件下仿真电路，得到输出波形及数据。如：输出静态工作点、中频电压放大倍数、输入和输出电阻。 依据电路原理图，写出文件语句（即网表）重新仿真以上内容。 思考并解决仿真中出现的各种问题。 1.根据要求选用 Q2N2222A 器件，其模型参数见工具栏

27、EDIT 中。 2.从元件库中调用电阻器件，注意兆欧级的电阻应写为 MEG。旋转按钮为 CTRL+R，阻值大小的 修改可以直接双击元件或者双击元件上的数值即可。 3.按照同样的方式，在 Part Name 中输入 C 即可调入电容元件 C1、C2、C3。 4.分别调入 VDC 和 VAC 电源，并按照调试要求连接电路图及元器件参数设置（图中的直流电压 为 15V，交流电压的幅值为 1mV） 。 5.首先进行直流工作点的仿真设置，然后对频域 AC 仿真，最后对时域 Transient 进行仿真，并保 存仿真图形。 6.电路图仿真完成后，写出电路网表语句并用 PSpice AD Student 对

28、以上功能重新仿真。 五、注意事项和要求 1.该电路仿真是电路的反馈仿真，注意电容 C3 加入对电路的影响。 2.认真观察电路频域仿真（AC）和时域仿真(Tran)不同的波形曲线，并分析其代表的物理意义。 3.如果电路采用网表语句仿真，注意将网表文件的后缀改为.cir 文件。 六、作业及预习要求 1.画出电路原理图及电路的仿真曲线，并分析仿真图形与理论图形的不同。 2.写出电路的网表语句及分析语句（要求自己笔写） 。 3.分析调试过程中出现的问题与解决方案。 4.总结，按实验报告格式完成报告。 七、参考书目 1.PSpice 电路设计实用教程李永平，国防工业出版社，2004 2.超大规模集成电路

29、设计方法学导论（第二版） ，杨之廉，申明编著，清华大学出版社 实验指导书 实验名称：实验六 设计二级 BJT 放大电路 学时安排：3 学时 实验类别：设计性 实验要求：必做 一、实验目的和任务 实际使用的放大电路由多级放大部分组成，这主要是满足电路放大高增益指标的要求，设计时需要 考虑级间耦合、各个放大器增益以及相位偏移等。设计时加上前后级之间的反馈网络，可以保证了放大 器的稳定性，提高电路的通频带。两级放大是多级放大的基础，解决好该种放大器设计过程中的问题， 可以帮助我们设计多级放大电路。本实验教学目的是使学生熟练掌握二级 BJT 放大电路的设计方法，熟 悉电路的增益、相位等仿真。 二、实验

30、原理介绍 放大器的设计是从简单的单级放大器开始的。在每级设计时必须保证晶体管处于正常的工作状态， 也就是设计静态工作点；同时，选择满足设计性能要求的器件（三极管）来设计合适的放大器频率和增 益。 二级 BJT 放大器的设计，首先满足每个单级放大器处于正常工作状态的基础上，再进行级与级之间 的联调（确保前一级的输出阻抗与后一级的输入阻抗匹配） ，最后要进行相位设计，即选择适当的反馈网 络，以满足输出特性要求。 在 PSPICE 运行环境下，首先根据电路原理图的特点调用相应的元器件画电路图，然后修改电阻、 电容等元器件的数值大小和单位，如果需要可以在编辑菜单里重新修改元器件的电路模型，最后保存电

31、路。为了确保电路拓扑和元器件参数正确，必须对电路进行静态工作点的仿真（Pspice 默认 Bias Point Detail）观察电路各条支路的电流、电压的方向和大小是否与器件的工作状态一致，保证电路处于正常工 作状态，才能进行其它仿真。仿真时注意选择设置 DC、AC、Transient 等分析方式，当选择好扫描方式 后，注意观察仿真波形及分析两级放大器电路的特性。 该实验的具体电路如下： 在输入端加入交流小信号 Vi，经过晶体管 Q1、Q2 两级的放大，级间之间采用电容 C2 耦合，所得 到的信号可以推动负载 RL。其中 R1、R2、R3、R4 为基极偏置电路；RF、CF 为反馈网络；C1、C3