西电微电子学院数字集成电路上机作业

1、数字集成电路上机实验姓名：*班级：*学号：*第一次实验一、 实验目的：掌握HSPICES软件的使用方法，用于分析二极管及CMOS反相器的直流特性，通过改变电源电压及MOS管的宽长比得到一组CMOS反相器的电压传输特性曲线，从而理解CMOS反相器电压传输特性曲线的影响因素和调整方法。二、 实验内容：1. 由上图所示，令(1)IS=10-14A，T=300K；(2) IS=10-16A，T=300K；(3) IS=10-14A，T=350K，利用SPICE求解VD1、VD2和ID。【仿真代码】.TITLE amplifierSHU.LIB D:Digitallibcsmc06.LIB TT.TEMP temvalueR1 1 2 2kR2 3 4 2kD1 2 3 DMODD2 4 0 DMOD.MODEL DMOD D Is=isvalue.PARAM temvalue=27 isvalue=1E-14V1 1 0 DC 2.5.OP.ALTER.PARAM temvalue=27 isvalue=1E-16.ALTER.PARAM temvalue=77 isvalue=1E-14.O

2、PIONS LIST NODE POST=2.END【结果】【分析】VD1=525.4463mv、VD2=525.4463mv和ID=362.2768uA2. (1)由下图所示，令Vin从0V变化到2.5V，步长为0.5V，利用SPICE求M1管电流变化的曲线，判断管子的工作状态；当M1的尺寸变化为W/L=4u/1u时，求IM1，并解释两条曲线存在误差的原因。 【仿真代码】.TITLE amplifierSHU.LIB D:Digitallibmix025_1.lib TT.PARAM dd=2.5Vdd 1 0 DC ddVin 2 0 DCM_M1 0 2 1 1 pch L=1U W=4U.DC Vin 0 2.5 0.5.PRINT I(2).OP.OPTION NODE LIST POST.END.TITLE amplifierSHU.LIB D:Digitallibmix025_1.lib TT.PARAM dd=2.5Vdd 1 0 DC ddVin 2 0 DCM_M1 0 2 1 1 pch L=0.25U W=1U.DC Vin 0 2.5 0.5.PRINT I(

3、2).OP.OPTION NODE LIST POST.END【结果】【分析】在1.5V之前是工作在线性区，1.5-2V之间是可变电阻区，2V以后工作在饱和区。(2)如上图所示，取一组Vin值（0，0.5，1，1.5，2，2.5），令VDD从0V变化到2.5V，步长为0.5V，利用SPICE求M1管的I-V特性曲线。【仿真代码】.TITLE amplifierSHU.LIB D:Digitallibmix025_1.lib TT.PARAM dd=2.5Vdd 1 0 DC ddVin 2 0 DCM_M1 0 2 1 1 pch L=0.25U W=12U.DC Vin 0 2.5 0.5 sweep Vdd 0 2.5 0.5.PRINT I(2).OP.OPTION NODE LIST POST.END【结果】【分析】当加上不同的栅电压时，会造成沟道的宽度不一样，源漏电压一定时，沟道电流的大小不一样。栅电压越大，电流越大。三、 实验步骤：1、 对照电路编写网表2、 运行HSPICEa. 点击OPEN键，加载编写好的网表；b. 点击SIMULATE键，进行仿真；c. 点击EDIT

4、LL 键，查个输出结果；若发现有错误，点击EDIT NL键修改网表，保存后继续b步操作； d. 点击AVANWAVES，打开图形化窗口察看各种输入输出波形。第二次实验一、 实验内容：3. (1)求上述反相器的电压转换曲线，根据其特性曲线找出电路临界电压值Vckt（Vckt=Vin=Vout）；（.dc vin 0 0.25 0.25）【仿真代码】.TITLE amplifierSHU.LIB D:Digitallibmix025_1.lib TT.PARAM dd=2.5Vdd 1 0 DC ddVin 2 0 DCVsb 0 4 DCM_Mp 3 2 1 1 pch L=0.25U W=1.25UM_Mn 3 2 0 4 nch L=0.25U W=0.375U.DC Vin 0 2.5 0.01.PRINT DC V(Vin) V(Vout).OP.OPTION NODE LIST POST.END【结果】【分析】根据其特性曲线找出电路临界电压值Vckt为1.26V(2)若想得到Vckt=Vdd/2的电路临界值，那么PMOS及NMOS的栅极宽度比值应该是多少？(扫描wn或wp，根据

5、模型提供的宽长比范围选择扫描范围。wn(0.35u0.4u, 0.001u)，wp(1.2u1.21u, 0.001u)，范围越小，线性度越好。Vin vin 0 DC 1.25.dc wp 1.2u 1.21u 0.001u ）【仿真代码】.OPTION POST NODE LIST.LIB E:Digitallibmix025_1.lib TTM_M1 3 2 1 1 pch L=0.25u wp=1.25uM_M2 3 2 0 4 nch L=0.25u wn=0.35uvdd 1 0 dc 2.5vin 2 0 dc 1.25vsb 4 0 dc 0.3.dc vin 0 0.25 0.25 sweep wn 0.35u 0.4u 0.001u.op.plot v(2) v(3).end【结果】【分析】PMOS及NMOS的栅极宽度比值应该是PMOS L=0.25u wp=1.25u。NMOS L=0.25u wn=0.35u(3)令VSB从0变化到0.3V，求反相器的电压转换曲线，解释VOUT产生变化的原因。（.dc vin 0 2.5 0.25 sweep vsb 0 0.3

6、 0.1）【仿真代码】.TITLE amplifierSHU.LIB D:Digitallibmix025_1.lib TT.PARAM dd=2.5Vdd 1 0 DC ddVin 2 0 DCVsb 0 4 DCM_Mp 3 2 1 1 pch L=0.25U W=1.25UM_Mn 3 2 0 4 nch L=0.25U W=0.375U.DC Vin 0 2.5 0.01 sweep Vsb 0 0.3 0.06.PRINT DC V(Vin) V(Vout).OP.OPTION NODE LIST POST.END【结果】【分析】由于源和衬底之间存在电压，会使衬底电子的能量变高，也就是说源漏之间的势垒高度会变高，则需要更大的栅压才能导通源漏，也就是使得阈值电压变大了4. 考虑下图中的电路：(1)如上图所示，输入一个脉冲信号Vin：pulse(0 Vdd 5n 0.1n 0.1n 9n 20n)，.测量它的上升时间tr、下降时间tf、传播延时tp和平均功耗。其中： tp=(TPLH+TPHL)/2【仿真代码】.TITLE amplifierSHU.LIB D:Digitalli

7、bmix025_1.lib TTvdd 1 0 dc 2.5vin 2 0 pulse(0 2.5 5n 0.1n 0.1n 9n 20n)M_M1 3 2 1 1 pch L=0.25u Wp=1.25uM_M2 3 2 0 0 nch L=0.25u Wn=0.375u.MEAS TRAN Vmax max V(3) FROM=0.01n TO=20n.MEAS TRAN Vmin min V(3) FROM=0.01n TO=20n.MEAS TRAN tr TRIG V(3) VAL=0.1*(Vmax-Vmin)+Vmin RISE=2+TARG V(3) VAL=0.9*(Vmax-Vmin)+Vmin RISE=2.MEAS TRAN tf TRIG V(3) VAL=0.9*(Vmax-Vmin)+Vmin FALL=2+TARG V(3) VAL=0.1*(Vmax-Vmin)+Vmin FALL=2.MEAS TRAN tp PARAM=0.5*(tf+tr).MEAS TRAN AvgPpower AVG P(Vin) FROM=0.01ns TO=60ns.tr

8、an 0.01n 60n .PRINT TRAN P(3) P(2) power.OP.OPTION NODE LIST POST.END【结果】【分析】如结果所示，上升时间tr为6.5581E-11s、下降时间tf为5.2444E-11s、传播延时tp为5.9013E-11s和平均功耗1.9845E-05W(2)当Vdd从1V变化到2.5V，且步长为0.25时，测量tp和平均功耗。利用这些数据绘出“tpVdd”、“PowerVdd”，分析Vdd变化对转换器性能有什么影响。【仿真代码】.TITLE amplifierSHU.LIB D:Digitallibmix025_1.lib TT.prot.unprM_M1 3 2 1 1 pch L=0.25u Wp=1.25uM_M2 3 2 0 0 nch L=0.25u Wn=0.375uvdd 1 0 dc 2.5vin 2 0 pulse(0 2.5 5n 0.1n 0.1n 9n 20n).MEAS TRAN Vmax max V(3) FROM=0.01n TO=20n.MEAS TRAN Vmin min V(3) FROM=0.01n TO=20n.MEAS TRAN tr TRIG V(3) VAL=0.1*(Vmax-Vmin)+Vmin RISE=2+TARG V(3) VAL=0.9*(Vmax-Vmin)+Vmin RISE=2.MEAS TRAN tf TRIG V(3) VAL=0.9*(Vmax-Vmin)+Vmin FALL=2+TARG V(3) VAL=0.1*(Vmax-Vmin)+Vmin FALL=2.MEAS TRAN tp PARAM=0.5*(tf+tr).MEAS TRAN AvgPower AVG P(Vin) FROM=0.01ns TO=60ns.tran 0.01n 60n sweep vdd 1 2.5 0.25.END【结果】tpVddPowerVdd【分析】由结果中图表可以看出来，随着Vdd的增加，tp先明显增加，然后趋于平稳并很缓地下降。平均功耗随

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