实验指导书半导体集成电路基础总.docx
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实验指导书半导体集成电路基础总
《数字集成电路设计实验指导书》
SPICE模拟器简介
SPICE（SimulatorProgramwithIntegratedCircuitEmphasis，以集成电路为重点的模拟程序）模拟器最初于20世纪70年代在berkeley开发完成，能够求解描述晶体管、电阻、电容以及电压源等分量的非线性微分方程。
SPICE模拟器提供了许多对电路进行分析的方法，但是数字VLSI电路设计者的主要兴趣却只集中在直流分析（DCanalysis）和瞬态分析（transientanalysis）两种方法上，这两种分析方法能够在输入固定或实时变化的情况下对节点的电压进行预测。
SPICE程序最初是使用FORTRAN语言编写的，所以SPICE就有其自身的一些相关特点，尤其是在文件格式方面与FORTRAN有很多相似之处。
现在，大多数平台都可以得到免费的SPICE版本，但是，往往只有商业版本的SPICE才就有更强的数值收敛性。
尤其是HSPICE，其在工业领域的应用非常广泛，就是因为其具有很好的收敛性，能够支持最新的器件以及互连模型，同事还提供了大量的增强功能来评估和优化电路。
PSPICE也是一个商业版本，但是其有面向学生的限制性免费版本。
本章所有实例使用的都是HSPICE，这些实例在平台版本的SPICE中可能不能正常运行。
虽然各种SPICE模拟器的细节随着版本和操作平台的不同而各不相同，但是所有版本的SPICE都是这样工作的：
读入一个输入文件，生产一个包括模拟结果、警告信息和错误信息的列表文件。
因为以前输入文件经常是以打孔卡片盒的方式提供给主机的，所以人们常常称输入文件为SPICE“卡片盒（deck）”，输入文件中的每一行都是一张“卡片”。
输入文件包含一个由各种组件和节点组成的网表。
当然输入文件也包含了一些模拟选项、分析指令以及器件模型。
网吧可以通过手工的方式输入，也可以从电路图或者CAD工具的版图（layout）中提取。
一个好的SPICE“卡片盒”就好像是一段好的软件代码，必须具有良好的可读性、可维护性以及可重用性。
适当地插入一些注释和空白间隔有助于提高“卡片盒”的可读性。
一般情况下，书写SPICE“卡片盒”的最好方法就是：
先找一个功能完备、正确的“卡片盒”范例，然后在此基础上对其进行修改。
参考书目：
1、《CMOS电路模拟与设计---基于Hspice》，钟文耀郑美珠编著，科学出版社
2、《CMOS超大规模集成电路设计（第三版）》，威斯特，哈里斯著，中国电力出版社
实验一RC电路
一、实验目的
1、初步掌握HSPICE软件的使用；
2、通过电路模拟，得到RC电路的响应曲线。
二、实验内容
假设我们要确定如图1所示的RC电路在给定输入信号（电压从0V上升到1.8V的时间为50ps）的条件下的响应曲线。
由于RC电路的时间参数为200ps（100fF2k=200ps），比输入信号的上升时间要大得多，所以我们可以直接判定该电路的输出曲线应该是一条以指数上升的渐近线，其终值为1.8V，时间常数为200ps。
请根据电路图，编写名为“lab1.sp”的网表文件，得到其响应曲线。
图1RC电路的电路图
三、实验结果
1、RC电路的spice网表文件（lab1.sp）；
2、RC电路的响应曲线。
3、RC电路响应特性的文本图。
实验二晶体管的直流分析
一、实验目的
1、初步掌握HSPICE软件的使用；
2、通过电路模拟，得到MOS管的I-V特性曲线。
二、实验内容
熟悉一种CMOS新工艺的第一步就是看其晶体管的I-V特性曲线图。
图2给出了一个单位（4/2λ）NMOS晶体管的测试电路，该测试电路的工艺水平为0.25μm，VDD为2.5V。
请根据电路图和说明，编写名为“lab2.sp”的网表文件，得到其I-V特性曲线。
图2NMOS管的电路图
三、实验结果
1、NMOS管的spice网表文件（lab2.sp）；
2、NMOS管的I-V特性曲线。
实验三CMOS反相器的静态特性（阈值电压）
一、实验目的
1、初步掌握HSPICE软件的使用；
2、通过电路模拟，分析CMOS反相器的阈值电压。
二、实验内容
使用所提供的NMOS及PMOS元件参数：
WP=4μm；LP=2μm；WN=4μ；LN=2μm。
求所构成的典型CMOS反相器VTC曲线。
其次试由特性曲线找出阈值电压。
阈值电压值的定义为VM=Vin=Vout。
图3给出了一个静态CMOS反相器的电路图。
图3CMOS反相器的电路图
三、实验结果
1、CMOS反相器电路的spice网表文件（lab3.sp）；
2、CMOS反相器电路的VTC曲线。
3、阈值电压的值
手工计算
电路模拟
阈值电压值
四、思考题
CMOS反相器的器件参数修改为：
WP=0.5μm；LP=0.25μm；WN=0.5μm；LN=0.25μm。
求阈值电压的值（手工计算和电路模拟）。
手工计算
电路模拟
阈值电压值
实验四CMOS反相器的静态特性（宽长比）
一、实验目的
1、初步掌握HSPICE软件的使用；
2、通过电路模拟，分析CMOS反相器的宽长比。
二、实验内容
对于实验三中的CMOS反相器，NMOS管的器件参数：
W=4μm和L=2μm。
PMOS管的器件参数：
W=width和L=2μm。
如想得到VM=VDD/2的阈值电压，那么width应为多少？
提示：
试用Hspice及变换PMOS与NMOS的晶体管栅极宽度比（WP/WN），范围从1到9，增量为2，以得到VM=VDD/2的阈值电压。
三、实验结果
1、反相器电路的spice网表文件（lab4.sp）；
2、如果使得阈值电压VM=VDD/2，那么PMOS管的器件参数值为多少？
手工计算
电路模拟
Wp
四、思考题
CMOS反相器的器件参数修改为：
WP=width；LP=0.25μm；WN=0.5μm；LN=0.25μm。
如想得到VM=VDD/2的阈值电压，那么PMOS管的器件参数值width应为多少？
手工计算
电路模拟
Wp
实验五反相器的瞬态特性
一、实验目的
1、初步掌握HSPICE软件的使用；
2、通过电路模拟，分析CMOS反相器的瞬态特性。
二、实验内容
利用瞬态分析，进行SPICE模拟，观察两种反相器，即图4和图5的时间特性（求取tr，tf和tdr）。
图4CMOS反相器的电路图图5伪NMOS反相器的电路图
提示：
Vin（t）波形如下设定：
PWL（0s0V50ns0V70ns5V170ns5V190ns0V）
PMOS管和NMOS管的器件参数：
WP=30μm；LP=2μm；WN=20μm；LN=2μm
SPICE模型参数如下（Vdd=5V）：
.MODELMNNMOS（LEVEL=1VT0=0.8VKP=40uGAMMA=0.5
+PHI=0.6LAMBDA=0.01）
.MODELMPPMOS（LEVEL=1VT0=-0.9VKP=20uGAMMA=0.6
+PHI=0.6LAMBDA=0.02）
三、实验结果
1、反相器电路的spice网表文件（lab5a.sp和lab5b.sp）；
2、电路模拟得到的结果图；
3、静态CMOS反相器和虚构NMOS反相器输出比较：
Trise
Tfall
Tdelay
静态CMOS反相器
虚构NMOS反相器
四、思考题
CMOS反相器的器件参数修改为：
WP=1.125；LP=0.25μm；WN=0.375μm；LN=0.25μm。
比较静态CMOS反相器和虚构NMOS反相器输出结果。
Trise
Tfall
Tdelay
静态CMOS反相器
虚构NMOS反相器
实验六基本电路元特性化实例
一、实验目的
1、初步掌握HSPICE软件的使用；
2、掌握对基本电路进行电路模拟的方法。
二、实验内容
对如图6所示的反相器环路进行电路模拟。
PMOS管和NMOS管的器件参数：
WP=20μm；LP=1μm；WN=20μm；LN=1μm；Cload1=1.75fF。
提示：
①瞬态分析语句为：
.tran1n10n
②输入电压：
vin102.5pulse.24.82n1n1n5n20n
③需要加一个全局电源语句。
图6反相器环路的电路图
三、实验结果
1、反相器环路的spice网表文件（lab6.sp）
2、VIL=______；VIH=_______。
3、电路模拟得到的各个节点的响应曲线。
实验七组合逻辑门延迟时间分析
一、实验目的
1、初步掌握HSPICE软件的使用；
2、通过电路模拟，分析组合逻辑门延迟时间。
二、实验内容
图7为一个数字逻辑NAND电路，本实验不考虑负载电容，PMOS管和NMOS管的器件参数：
WP=3μm；LP=0.25μm；WN=1μm；LN=0.25μm。
电源电压为2.5V。
试求该NAND门延迟时间。
提示：
激励信号使用PWL描述。
a）电路图b）逻辑符号c）真值表
图7NAND门
三、实验结果
1、反相器环路的spice网表文件（lab7.sp）
2、电路模拟得到的I-V特性曲线。
3、NAND门的门延时：
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