软件实训实验讲义2.docx

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软件实训实验讲义2

实验1二极管的I-V特性

本实验的目的在于学会用Cadence观察二级管的I-V特性。

1.1电路图

按照图1.1所示画出电路图。

所用的元件分别是analogLib库中的vdc、res、diode和gnd。

示例中的电阻过大，实际仿真中设电阻为0

图1.1二极管的仿真电路图

1.2设置各元件参数

在这里要设置二极管的参数、电压源的参数和电阻的参数。

二极管的参数设置如图1.2所示，在Modelname栏填入ndio18，说明用的是1.8V的电源电压，并且是n+/pwell二极管，在Multiplier处填入1（这代表此电路中用的二极管并联个数为1），其它参数都采用默认设置。

图1.2二极管参数设置图

电压源的参数设置图1.3所示，在DCvoltage处填入vin（填入变量是为了要做直流扫描）

图1.3电压源参数设置

电阻的参数设置如图1.4所示，在Resistance后面的框中输入电阻值（默认为1k，此处采用默认值）。

图1.4电阻参数设置

1.3设置仿真参数

在原理图编辑框中，选Tools→AnalogEnvironment,打开ADE对话框。

①设置库路径。

在ADE窗口中，选Setup→ModelLibraries,在section项填入工艺角tt（典型工艺角）,然后让光标停留在ModelLibraryFile框中，点击右下角的Browse,然后选择以下文件作为仿真模型库文件：

/cad/smic018_tech/Process_technology/Mixed-Signal/SPICE_Model/ms018_v1p6_spe.lib

然后点Add，得到如图1.5所示对话框：

（最后点ok设置完毕）

图1.5库路径设置

②编辑变量。

在ADE窗口中点

按钮，就会弹出EDV窗口，然后在此窗口中点CopyFrom，会自动从原理图中提出相应的变量，我们前边的vin会被自动提出。

将其初始值设置为0，初值可以任意，但一定要有，否则仿真会出错，如图1.6所示。

③选择分析类型。

在ADE窗口中选Analyses→Choose,就会弹出分析类型对话框（即CA窗口），然后选中dc，SaveDCOperatingPoints（为了方便观察管子的工作点而选），在SweepVariable栏中选择DesignVariables,然后于VariableName栏输入要扫描的变量vin，具体设置如图1.8所示：

（表示对vin做直流扫描，从0到1.8V）最后点击ok设置完毕。

④输出设置。

在ADE窗口中，选Outputs→ToBePlotted→SlectedOnSchematic。

然后在电路图中选择想要观察电流的结点，本实验选二极管的阳极（注意：

观察电流点击元件的pin脚，会出现一个彩色圆圈；观察电压点击相应的连线，连线会改变颜色），选择完成后按键盘上的ESC键退出选择输出状态。

在Analogdesignenvironment窗口中的Outputs输出部分就可以看到我们所选择的点。

然后选Outputs→ToBePlotted→AddTo保存输出。

点击Seession→SaveState保存当前仿真设置。

完整的设置好的ADE对话框如图1.7所示：

图1.6变量设置

图1.7设置好的ADE窗口

图1.8dc分析设置

1.4电路仿真

参数设置完毕之后，就可以开始电路仿真了。

方法是在ADE窗口中，选Simulation→NetlistandRun就开始仿真了，如果整个过程都没错，那么系统会自动输出二级管的I-V曲线，如图1.9所示。

可以看到该二极管的阈值电压大约是0.75v左右。

图1.9二极管的I-V特性曲线

实验2BJT和MOS晶体管的I-V特性

本实验学习测量BJT和MOS管的I-V特性，并观察BJT和MOS管的gm、ro、Vgs、Vds、寄生电容等参数。

2.1BJT晶体管的I-V特性

1、创建cellview（bjt）

按照如图2.1所示画出电路图。

用到的元件符号分别是analogLib库中的vdc、res、npn、gnd。

图2.1电路图

三极管的Model名为npn18a100（可以从工艺库文件/cad/smic018_tech/Process_technology/Mixed-Signal/SPICE_Model/ms018_v1p6_bjt_spe.mdl中查到，其中18的意思为电压为1.8V，100代表晶体管发射区面积为100um2）。

参数Multiplier代表该种npn晶体管并联的个数），这里我们设为2，如图2.2所示。

为了得到三极管的输入与输出特性曲线，我们把发射极电压和基极电压分别设为变量vce和vbe。

图2.2bjt晶体管参数设置

2、输入特性

三极管的输入特性是指当集电极电压Vce为常数时，基极与发射极间电压Veb与基极电流ib之间的关系。

如同前一个实验介绍的方法，打开仿真窗口，先设置好model路径，模型文件依然选择/cad/smic018_tech/Process_technology/Mixed-Signal/SPICE_Model/ms018_v1p6_spe.lib，注意section设为bjt_tt。

然后添加变量vbe和vce。

再按图2.3对话框设置好DC分析。

其中DC分析是对vbe进行扫描，扫描范围从0到1.8V。

vce的初始值设为1.5V。

最后设置输出，这里我们要看的是基极电流，所以点击三极管的基极pin脚。

图2.3npn三极管输入特性仿真设置

然后点“NetlistandRun”进行仿真。

得到的输入特性曲线如图2.4所示。

横坐标是基极-射极电压vbe的变化，纵坐标是基极电流ib的变化。

图2.4三极管的输入特性曲线

3、输出特性

三极管的输出特性是指以iB为参变量的共射极电流iC与UCE之间的关系。

先设置好AnalogDesignEnviroment对话框，注意这次DC分析所扫描的变量是vce，扫描范围为-0.3到1.8V。

如图2.5所示：

图2.5npn晶体管输出特性仿真设置

然后点Tools→Paratrmetric，弹出如图2.6所示的ParametricAnalysis窗口，进行参变量设置。

由于我们输入为电压源，无法把电流作为参变量，因此我们以vbe作为参变量。

于VariableName栏输入参变量vbe，范围为-0.3到1.8。

参变量扫描方式选为LinearSteps（线性步长改变），步长设为0.3。

如图2.6所示。

图2.6参量扫描窗口

然后点Analysis→Start，得到三极管输出特性曲线，如图2.7所示。

每条曲线都是在vbe固定时，Ic随着Vce电压改变而变化的曲线，改变vbe得到许多条曲线。

图2.7三极管的输出特性曲线

2.2MOS晶体管的I-V特性

1、创建cellview并画出电路图。

这一步和前面的方法一致，电路图的cell名可以自己取。

各元件参数如图2.8所示，用到的元件符号为analogLib库中的vdc、nmos4、vdd、gnd。

图2.8电路图

两个电压源和mos管的参数设置如下所示，其中要注意电压源V0的DCvoltage值设为变量vgs。

同样的电压源V1的值设为变量vds。

图2.9电压源的参数设置

nmos晶体管的模型为n18，这是1.8vnmos晶体管的模型，选择其栅长l为0.18um，栅宽w为2um，注意填入尺寸时不要加单位，系统会自动加上长度单位M。

图2.10MOS管的参数设置

2、设置仿真参数

如同前面的方法，打开仿真窗口，先设置好model路径，库文件与上面的相同，但工艺角（section）填入tt。

然后添加变量vds和vgs。

接着设置DC分析。

其中DC分析是对vds进行扫描，扫描范围从0到1.8V。

vgs的初始值设为0V。

最后设置输出，这里我们要观察的是MOS管的漏电流，所以点击MOS管的漏极。

设置好后的仿真窗口如图2.11所示。

图2.11

在AnalogDesignEnvironment对话框中，点tools→ParametricAnalysis，弹出参变量分析窗口，我们以vgs作为参变量进行仿真，如图2.12所示。

图2.12参变量分析参数设置窗口

3、仿真并观察mos管的输出特性曲线

在ParametricAnalysis窗口中，点Analysis→Start开始扫描，如果无错则会弹出输出窗口和波形（mos管的I-V输出特性曲线）。

图2.13Mos管的输出特性曲线

可能会出现的问题，如下图所示：

需要对观察电流的节点进行保存，系统默认对电压的观察，而对电流观察需要进行保存。

解决方法：

然后在ParametricAnalysis窗口中，点Analysis→Start开始扫描。

4、MOS管的输入特性曲线

打开AnalogDesignEnvironment窗口，大部分设置同前边的仿真设置。

只是变量vds的初始值为1.8，vgs的初始值为0。

设置好后如图2.14所示。

图2.14

然后点NetlistandRun,就得到输出波形如下图所示：

图2.15Mos管的输入特性曲线

2.3MOS晶体管参数观察

在AnalogDesignEnvironment窗口中，点击Results→print→DCOperatingPoints。

如图2.16所示：

图2.16

会弹出一个空白窗口，再在电路图上选择你想要观察的器件，则就会在空白窗口中显示你所选器件的各种参数，下图是选择mos管后的器件参数窗口。

在此窗口中你就可以看到mos管的各种参数。

图2.17

实验3MOS晶体管电容测试体效应学习

通过本实验，学习使用cadence仿真工具中的calculator，另外复习MOS电容和MOS管体效应的知识。

3.1MOS晶体管栅源电容测试

1、创建cellview，按照图3.1所示画出电路，并设置好各元件的参数。

图3.1电路图

2、用和前面同样的方法设置AnalogDesignEnvironment对话框

设好的对话框如下所示：

图3.2

3、点NetlistandRun

4、参量扫描

在AnalogDesignEnvironment对话框中点tools→ParametricAnalysis弹出ParametricAnalysis，按如下设置好参数。

然后点Analysis→Start.

图3.3

5、在AnalogDesignEnvironment窗口中点output→setup弹出如图3.4对话框

图3.4

6、在图3.4对话框中点Open，打开Calculator对话框

在Calculator对话框中点info→op就会弹出如下对话框：

（其中，op代表OperatingParameters）

图3.5

7、点击电路图中的nmos管，然后点击图3.5对话框中的list则会出现一个下拉列表:

（注意：

一定要选中所看的元件即nmos管，你可以尝试一下不选择元件的list菜单和选择元件后的list菜单有什么区别。

）

图3.6

8、在下拉列表中选择Cgs（如图3.6）,选中后Calculator窗口就会跳到最前面，在它的空白栏处就出现了一个表达式OP（"/M0","cgs"），然后在表达式前加一个负号，要不然画出来的曲线是负值。

Calculator对话框变为如图3.7所示：

图3.7Calculator窗口

9、在Calculator对话框中点击plot按钮（即带红色曲线的按钮），就得到如图3.8的波形，即nmos管的栅源电容随栅源电压变化的曲线。

图3.8栅源电容随栅源电压的变化曲线

3.2体效应

1、创建cellview

电路图如下，按照图3.9的参数设置，设置好各元件的参数。

图3.9电路图

2、设置AnalogeDesignEnvironment对话框

设置好的对话框如下所示，注意别忘了加上库的路径。

图3.10

3、在AnalogeDesignEnvironment对话框中，点tools→ParametricAnalysis

弹出一个新对话框（前面已遇多次）

图3.11

4、点Analysis→Start,得到一组输出波形曲线。

波形如下：

图3.12不同Vgs下的mos惯的输入特性曲线（体效应影响）

5、从波形可以看出当源衬电压越大时，阈值电压越大，也就是mos管的开启电压越大，这是由于体效应的影响。

3.3MOS晶体管电容测试

MOS晶体管电容是指当晶体管的栅漏都短接到地的时候，栅对源，栅对漏，栅对衬底三个电容之和。

下面我们将对如何测量MOS晶体管电容做具体分析。

电路图还是如图3.9所示，在这里要注意电压源V1，V2的值设为零。

1、设置ADE窗口

设置好的对话框如图3.13所示这里就不细说，只是DC分析只用保存工作点就可以了，注意不要忘了加库的路径,然后点击NetlistandRun。

图3.13

2、参量扫描

对Vgs做参量扫描，从负三伏到正三伏。

PA对话框的设置如图3.14所示：

然后在PA对话框中点击Analysis->Start开始扫描。

图3.14

3、画波形

在ADE窗口中，选Output->Setup弹出图3.15的对话框。

图3.15

在图3.15中，点击Open，打开Calculator对话框，如图3.16所示。

在Calculator对话框中选择Info->op，这时会弹出一个Selectaninstance的小框，这个时候在电路图中选中mos管，然后点击在Selectaninstance的小框中点击list就会出现一个列表，选择Cgs，在Calculator窗口中就出现了Cgs的表达式，此时注意要在此表达式前加一个负号（Cgs,Cgd,和Cgb的表达式前面都要加负号），加负号的方法是在Calculator窗口中点击“+/-”按钮，然后在list下拉列表中再选择Cgd，加负号，这个时候再点击Calculator中的“+”号，此时才完成了Cgs,和Cgd两个电容的相加。

用同样的方法加上Cgb电容，然后点击plot按钮就得到了如图3.18所示的曲线：

图3.17

图3.18MOS管电容随栅压变化曲线

实验4mos晶体管共源级放大器

对共源放大器（包括纯电阻负载和有源负载）做DC、AC和Tran分析，验证它的输入输出特性曲线，学习如何在cadence软件中观察放大器的增益和各种波形，学习在ResultsDisplayingWindow中查看各种电路参数，以及对放大器做参数化扫描。

1.启动cadence，创建个人工作库

开机进入solaris9系统，输入cds.setup后再输入icfb&，启动candence。

建立一个命名为common_source_stage的工作库。

在此工作库下建立一个cellview命名为resistive_load。

2.电路图输入

在schematic中编辑以纯电阻为负载的共源放大器，图中用到的元件nmos4、res、gnd、cap、vdc和vdd从analogLib库中选取。

编辑好的电路如图2.1所示：

图2.1纯电阻负载共源放大器电路图

3.设置元件参数

电源电压vdd取1.8v，V1的DCVoltage设为参数v1，ACmagnitude为1v（用于看增益）。

电阻R0的阻值设为参数r1,输出电容C0的大小为1pf。

nmos管的模型为n18，沟道宽度w为3.6um，栅长l为0.6um。

设置完毕后点击工具栏上的

进行保存。

4.对电路进行仿真

4.1DC仿真

选择菜单Tools->AnologEnvironment，进入ADE环境，首先对model文件进行设置,在ADE工具栏中点击Setup->ModelLibraries添加ModelLibrary。

ModelLibraryFile的路径为/cad/smic018_tech/Process_technology/Mixed-Signal/SPICE_Model/ms018_v1p6_spe.lib。

在工具栏中点击Variables->CopyFromCellview调入变量v1和r1，用鼠标双击调入的变量，在弹出的对话框中可以对它们进行设置，令v1=0.8v，r1=10kΩ。

再对直流仿真进行设置，点击Analysis->Choose，在弹出的对话框中选DC项，v1的变化范围从0v→1.8v。

DC仿真设置如图4.1所示：

图4.1直流仿真参数设置

然后在工具栏中点击Outputs->ToBePlotted->SelectOnSchematic，用鼠标点击放大器输出端所在支路作为output。

最终设置好的ADE环境如图4.2所示：

图4.2ADE环境

点击

就可以看到DC仿真的波形。

图4.3直流仿真结果

点击工具栏中Tools->ParametricAnalysis，对电阻r1进行参数化扫描，其电阻变化范围从5k→50k，扫描步长选择10k，方式为LinearSteps。

设置好的结果如图4.4所示：

图4.4参数化扫描设置

点击工具栏中的Analysis->Start，便可观察到如图4.5所示的结果：

图4.5参数化扫描结果

从图中可以看出，共源放大器的增益（图中斜线的斜率）随输出电阻的增大而增大，而输入输出摆幅却随输出电阻的增大而变小。

因此在增益和摆幅之间存在折中。

点击Results->Print->DCOperatingPoints，然后在schematic中点击要观察的器件，此时ResultsDisplayingWindow中就会显示出器件此时的各种参数。

在这里我们选择观察mos管M0。

部分参数的显示结果如图4.6所示：

图4.6查看参数

4.2AC仿真

根据DC分析的结果，重新设置v1和r1的值，以使增益尽量提高。

v1=0.55v，r1=50kΩ。

点击Analysis->Choose，选中AC项，频率扫描范围为1k→200M。

设置好后点击

就可以看到仿真结果。

如图4.7所示：

图4.7AC仿真结果

从图中可以看出此时放大器低频时的增益为10，当频率超过105Hz时，增益开始下降。

由公式

Au＝－RDµnCox

（Vin—VTH）＝－gmRD

可知在偏置电压不变的情况下，固定输出电阻和mos管的宽长比两个参数中的一个，则放大器增益与另一个呈正比。

同学可以自己调节这两个参数，来观察增益的变化情况。

4.3tran仿真

将上面电路中的输入电压源vdc换为交流电压源vsin（从analogLib库中选取），并对它的参数进行设置。

设置结果如图4.7所示：

图4.7瞬态信号源vsin的设置结果

可以看出此时在直流电压0.55v上叠加了一个幅度为0.1mv频率为1kHz正弦信号。

其实前面实验中vdc也可以用vsin代替，只要不对其中的Amplitudehe和Frequence参数设置就可以了。

点击Analysis->choose，选中tran项，扫描时间设为10ms。

点击

进行仿真。

仿真结果如图4.8所示：

图4.8tran仿真结果

从图中正弦的幅度可以看出，输入的小信号0.1mv被放大了10倍。

实验5二极管负载的电路进行仿真

5.1仿真前设置

在common_source_stage库中新建一个新的cellview命名为diode_connected_load。

如图5.1所示画出二极管为负载的共源放大器电路图，图中所用元件nmos4、pmos4、gnd、cap、vdc和vdd从analogLib库中选取。

图5.1二极管为负载的共源放大器电路

电源电压vdd取1.8v，V1的DCVoltage设为参数v1，ACmagnitude为1v（用于看增益）。

nmos管的模型为n18，沟道宽度w为3.6um，栅长l为0.6um。

二极管连接的pmos管取模型为p18,沟道宽度w为3.6um，栅长l为0.6um。

输出电容C0的大小为1pf。

设置完毕后点击工具栏上的

进行保存。

5.2电路仿真

进入ADE环境，首先对model文件进行设置。

然后调入变量v1，设置v1=0.8v，再对直流扫描进行设置，点击Analysis->Choose，选中DC项，v1的变化范围从0v→1.8v。

开始做DC仿真。

仿真结果如图5.2所示：

图5.2直流仿真结果

从图中可以发现以二极管为负载的共源放大器的输入输出曲线在起始部分，即v1

在schematic中将负载pmos管的宽w设为变量w1，其余参数不变，点击

保存后在ADE环境下重新调入变量w1，并对它设置初始值1u。

然后对w1进行参数化扫描，使w1的变化范围为1u→15u，仿真步数设为15。

开始仿真。

仿真后的结果如图5.3所示：

图5.3参数化扫描结果

根据DC分析的结果，重新设置v1和w1的值，以使增益尽量提高。

v1=0.6v，w1=1u。

点击Analysis->choose，选中AC项，频率扫描范围为1k→200M。

开始仿真。

方针结果如图5.4所示：

图5.4AC仿真结果

在ResultsDisplayingWindow中可以看到此时作为负载的pmos管的gm=59.76u，所以此时的输出电阻约为1/gm≈16.7kΩ。

作为输入器件的mos管的跨导gm=287.9u,根据公式：

Au≈－

可以算出Au≈4.6和图中显示的增益相同。

另由公式Au≈－

知可以通过改变两个mos管的宽长比来调节放大器的增益。

事实上放大器的增益还受到输出摆幅的影响，在改变宽长比的同时，适当改变放大器的偏压才有可能达到理想的放大倍数。

将上面电路中的输入电压源vdc换为交流电压源vsin，并对它的参数做与前面相同的设置。

然后进行tran扫描。

结果如图5.5所示：

图5.5tran扫描结果

实验6对电流源负载的电路进行仿真

6.1仿真前设置

新建一个新的cellview命名为current_source_load。

在schematic中编辑电路，图中所用元件从analogLib库中选取。

如图6.1所示画出电流源为负载的共源放大器电路图，图中所用元件nmos4、pmos4、gnd、cap、vdc和vdd从analogLib库中选取。

图6.1以电流源为负载的共源级放大器

电源电压取1.8v，V0的DCVoltage设为参数v1，交流电压ACmagnitude为1v（用于看增益），V1的DCVoltage设为参数v2。

nmos管模型为n18沟道宽度w为3.6um，栅长l为0.6um。

作为电流源的pmos管取模型为p18,沟道宽度w为800nm，栅长l为0.6um。

输出电容值与前面相同为1pf。

设置完毕后点击工具栏上的

进行保存。

6.2电路仿真

进入ADE环境，首先对model文件进行设置,（与前面相同）。

然后调入变量v1，v2。

将M1的偏置电压v1设为0.9v，因为sm