模拟CMOS课程设计.docx
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模拟CMOS课程设计
1绪论
1.1设计背景
随着信息技术及其产业的迅速发展，当今社会进入到了一个崭新的信息化时代。
微电子技术是信息技术的核心，模拟集成电路又是微电子技术的核心技术之一，因而模拟集成电路成为信息时代的重要技术领域。
模拟集成电路包含纯模拟信号处理功能的电路和A\D混合信号处理功能的电路。
其技术范围涉及数据转换器、线性和非线性放大器、电子开关和多路转换器、稳压电源调节器及其他模拟集成电路。
模拟集成电路主要用于对模拟信号完成采集、放大、比较、变换等功能。
集成电路技术的日益进步，使计算机辅助设计工具日趋成熟。
而各类模拟软件的加入，更加速了设计的过程。
近几年来，虽然制程技术一进入深亚微米（DeepSub-micron）的新硅世纪，但是在集成电路设计上，仍以晶体管层次的线路模拟软件——SPICE软件为主。
虽然SPICE开发至今已超过20年，然而其重要性并未随着制程的进步而降低。
就国内的设计环境而言，商用的SPICE模拟软件主要有Hspice、Pspice、SBTspice、SmartSpice与Tspice等。
由于Hspice其内建元件模型齐全，各类电路模拟与分析功能完整，故很多的集成电路产品利用Hspice辅助线路的设计与模拟，而有极好的效果呈现。
HSpice是Spice程序应用在PC上的程序，它的主要算法与Spice相同。
由于HSpiceA/D程序集成了模拟与数字电路的仿真运算法，它不仅可以仿真单一的模拟电路或数字电路，而且可以有效、完善地仿真模拟和数字混合电路。
现实世界中的各种模拟信息经模拟集成电路采集、放大、变换等处理后，就可以得到计算机或数字电路处理所需的信号，从而实现人们需要的信息产品。
显然，模拟集成电路是模拟世界和数字化电子信息系统之间的桥梁。
1.2设计目标
1.用HSpice得到虚构NMOS形态的反相器（pseudoNMOSinverter）。
2.用MOS场效应管实现叠接结构电流镜（CascodeCurrentMirror）和威尔森电流镜（WilsonCurrentMirror）。
3.用HSpice线路仿真软件对以上电路进行瞬态、交流模拟仿真，并观察波形。
2虚构形态NMOS反相器
2.1电路原理图
虚构NMOS形态的反相器（pseudoNMOSinverter）如图2.1所示，其中栅极接地的PMOS原件W-4um、L-2um，而NMOS栅极宽度为4um、6um、8um及16um的变化。
图2.1虚构NMOS形态的反相器
2.2HSPICE编程
*EXERCISE8_12pseudonmosINVERTER
.optionspost=2list
M12033MPL=2uW=4u
M22100MNL=2uW=4u
VDD30DC5V
VIN10DC5V
.MODELMPPMOS（level=2LD=0.250UTOX=365E-10
+NSUB=6.193910E+15VTO=-0.826989KP=2.2870E-05
+GAMMA=0.4793PHI=0.6U0=241.796UEXP=0.214214
+UCRIT=19100.4DELTA=0.859687VMAX=47972.9XJ=0.250U
+LAMBDA=5.403347E-02NFS=2.351269E+11NEFF=1.001
+NSS=1.0E+12TPG=-1.0RSH=76.020CGDO=3.54775E-10
+CGSO=3.54775E-10CGBO=6.981174E-10CJ=2.2624E-04
+MJ=0.46650CJSW=2.3825E-10MJSW=0.24660PB=0.700）
.MODELMNNMOS（LEVEL=2LD=0.250UTOX=365E-10
+NSUB=2.13818E+16VTO=0.84898KP=5.7790E-05
+GAMMA=0.8905PHI=0.6U0=610.8UEXP=0.244555
+UCRIT=128615DELTA=2.0298VMAX=92227.9XJ=0.250U
+LAMBDA=1.956049E-02NFS=2.307838E+12NEFF=1
+NSS=1.0E+12TPG=1.0RSH=22.730CGDO=3.54775E-10
+CGSO=3.54775E-10CGBO=6.354506E-10CJ=3.7740E-04
+MJ=0.45890CJSW=5.1360E-10MJSW=0.36620PB=0.800）
.DCVIN050.001
.PRINTV
（1）V
（2）
.END
2.3仿真结果
当Wn=4u时，Vckt=2.931V.
voltvoltagevoltage
12
2.931002.93102.9316
V
（1）、V
（2）的输出波形如图2.2所示。
图2.2Wn=4u，V
（1）、V
（2）的输出波形
当Wn=6u时，Vckt=2.57V.
voltvoltagevoltage
12
2.576002.57602.5779
V
（1）、V
（2）的输出波形如图2.3所示。
图2.3Wn=6u，V
（1）、V
（2）的输出波形
当Wn=8u时，Vckt=2.33V.
voltvoltagevoltage
12
2.334002.33402.3397
V
（1）、V
（2）的输出波形如图2.4所示。
图2.4Wn=8u，V
（1）、V
（2）的输出波形
当Wn=16u时，Vckt=1.88V.
voltvoltagevoltage
12
1.882001.88201.8790
V
（1）、V
（2）的输出波形如图2.5所示。
图2.5Wn=16u，V
（1）、V
（2）的输出波形
Wn=4u、Wn=6u、Wn=8u、Wn=16u，V
（1）、V
（2）的输出波形的对比，如图2.6所示。
图2.6V
（1）、V
（2）输出波形对比
可以看出，Vdd越高Vckt也越高，如图2.7所示（以Wn=4为例）所示。
图2.7（以Wn=4u为例）
3叠接结构的电流镜
3.1电路原理图
如图3.1所示，直接以一直流电流源Idc直接供给叠接结构的电流镜（CascodeCurrentMirror）。
图3.1叠接结构的电流镜（CascodeCurrentMirror）
3.2HSPICE编程
*CascodeCurrentMirrors
*
.OPTIONSLISTPOST=2
*
M11100MNW=20uL=2u
M22100MNW=20uL=2u
M33310MNW=20uL=2u
M44320MNW=20uL=2u
.MODELMNNMOS（LEVEL=1KP=40uGAMMA=0.5
+PHI=0.6VTO=1LAMBDA=0.02）
*
IDC531m
*
VDD1505VVDD400V
*
.DCVDD050.1IDC1m2m1m
.PRINTDCI（M3）I（M4）
*
.END
3.3仿真结果
模拟结果如图3.2所示。
图3.2
idc=1.0000midc=2.0000m
VoltcurrentcurrentVoltcurrentcurrent
m3m4m3m4
4.500001.0000m994.8024u4.500002.0000m1.9638m
4.600001.0000m995.3564u4.600002.0000m1.9657m
4.700001.0000m995.8460u4.700002.0000m1.9679m
4.800001.0000m996.2701u4.800002.0000m1.9700m
4.900001.0000m996.6278u4.900002.0000m1.9720m
5.000001.0000m996.9188u5.000002.0000m1.9740m
4威尔森电流镜
4.1电路原理图
威尔森电流镜（WilsonCurrentMirror），其电路结构如图4.1所示。
他是一个用旁路串联反馈来提高输出阻抗的例子。
图4.1威尔森电流镜（WilsonCurrentMirror）
4.2HSPICE编程
*WilsonCurrentMirrors
*
.OPTIONSLISTPOST=2
*
M12100MNW=20uL=2u
M21100MNW=20uL=2u
M34210MNW=20uL=2u
.MODELMNNMOS（LEVEL=1KP=40uGAMMA=0.5
+PHI=0.6VTO=1LAMBDA=0.02）
*
IDC320
*
VDD1305
VDD400
*
.DCVDD0100.1IDC1m2m1m
.PRINTDCI（M1）I（M3）
*
.END
4.3仿真结果
模拟结果如图4.2所示。
图4.2
idc=1.0000midc=2.0000m
VoltcurrentcurrentVoltcurrentcurrent
m3m4m3m4
5.500001.0000m935.0789u5.500002.0000m1.8227m
5.600001.0000m935.1114u5.600002.0000m1.8196m
5.700001.0000m935.1438u5.700002.0000m1.8232m
5.800001.0000m935.1762u5.800002.0000m1.8262m
5.900001.0000m935.2084u5.900002.0000m1.8288m
6.000001.0000m935.2405u6.000002.0000m1.8311m
总结
本次课程设计通过对虚构反相器、电流镜电路的设计及用HSpice仿真，对模拟电路的工作原理有了进一步的了解。
并且系统的学习了HSpice。
对HSpice基本的交直流、暂态分析功能、语法描述以及HSpice在电子领域中各层次模拟的特点有了进一步的了解。
对元件模型化与特性化的主要理念有了进一步的理解。
熟悉了HSpice的电路基本特性模拟，掌握了集成电路设计的基本方法。
通过两周的课程设计，综合运用所学的专业知识，完成了设计任务。
我对本专业的专业知识有了进一步的体会，并深入掌握了仿真方法和工具、同时为毕业设计打基础的实践环节。
理论是实践的基础，实践又是检验理论的有效途径。
在学习的过程中必须将二者结合起来，才能事半功倍。
总之，这次课程设计让我受益匪浅，非常感谢给予帮助的老师和同学。
参考文献
[1]钟文耀,郑美珠.CMOS电路模拟与设计—基于Hspice.全华科技图书股份有限公司印行,2006.
[2]何乐年,王忆.模拟集成电路设计与仿真.科学出版社,2008.
[3]DaviA.Johns,KenMartin.AnalogIntegratedCircuitDesign.机械工业出版社,2005.
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