反相器电路.docx

1、反相器电路实验二：反相器电路设计实验目的：1、熟悉静态互补反相器电路； 2、掌握反相器静态及瞬态测试方法；3、了解晶体管尺寸大小对反相器性能的影响 。实验内容：1、 绘制反相器电路图；2、 反相器瞬时分析；3、 反相器直流分析；4、 观察晶体管宽长比对VTC曲线的影响；5、 观察电源电压比对VTC曲线的影响。实验步骤：1、绘制反相器电路图： (1) 打开s-Edit程序: 执行.Tanner S-Edit目录下的sedit.exe文件，或选择“开始”-“程序”-Tanner EDA-S-Edit-S-Edit命令，即可打开S-Edit程序，S-Edit会自动将工作文件命名为“FileO.sdb

2、”并显示在窗口的标题栏上，如图2.1所示。图2.1 S-Edit标题栏 (2)另存新文件: 选择File-Save As命令，打开“另存为”对话框，在“保存在”下拉列表中选择保存的路径，在“文件名”文本框中输入新文件的名称，如Ex2,如图2.2所示。图2.2 另存新文件(3)环境设置:S-Edit默认的工作环境是黑底白线，但可按照用户的爱好来自定义颜色，例如，可将背景颜色换成白色，而将电路线条颜色换成黑色。选择Setup-Colors命令，打开Color对话框，可分别设置背景色(Background Color)、前景色(Foreground Color)、选取的颜色(Selection Co

3、lor).栅格颜色(Grid Color)与原点的颜色(Origin Color)。用鼠标来选择颜色的部分，即可更换颜色，将各颜色设置为图2.3所示的状态，则画面背景变成白色。图2.3 颜色设置 (4)编辑模块:S-Edit编辑方式是以模块(Module)为单位而不是以文件(File)为单位，每一个文件可以有多个模块，而每一个模块则表示一种基本组件或一种电路，故一个文件内可能包含多种组件或多个电路。每次打开新文件时便自动打开一个模块并将之命名为“Module0”,如图2.4所示。图2.4 编辑模块Module0(5)浏览组件库:S-Edit本身附有4个组件库，它们分别是在.TannerS-Ed

4、itlibrary目录的scmos.sdb, spice.sdb, pages .sdb与element.sdb 。若要引入这些组件库中的模块，可以选择Module-Symbol Browser命令，打开Symbol Browser对话框，单击Add Library按钮，可加入要使用的组件库，本范例中加入了scmos, spice, pages与element组件库在Library列表中，如图2.5所示。图2.5 浏览组件库 (6)从组件库引用模块:编辑反相器电路会利用到NMOS, PMOS, Vdd与Gnd这4个模块，所以要从组件库中复制NMOS, PMOS, Vdd与Gnd这4个模块到Ex

5、l文件，并在Module0中编辑画面引用。其方法为:选择Module-Symbol Browser命令，打开Symbol Browser对话框，在Library列表框中选取spice组件库，其内含模块出现在Modules列表框中，在Modules列表框中选取MOSFET_N选项(NMOS)，单击Place按钮及Close按钮，则在Module0编辑窗口内将出现MOSFET_N的符号。以同样操作选出MOSFET_P选项(PMOS)后单击Place按钮，先不要单击Close按钮，再选出Vdd与Gnd符号并在每次选择后分别单击Place按钮，最后单击Close按钮则出现如图2.6所示的界面。图2.6

6、 引用模块(7)编辑反相器: 按住Alt键拖动鼠标，可移动各对象。注意，MOSFET_N与MOSFET_P选项分别有4个节点，Vdd与Gnd选项分别有一个节点。将4个对象摆放成如图2.7所示的位置，注意，在两对象相连接处，各节点上小圆圈消失即代表连接成功。图2.7 编辑反相器 (8)加入联机: 将4个对象排列好后再利用左边的联机按钮，完成各端点的信号连接，注意控制鼠标键可将联机转向，按鼠标右键可终止联机。当联机与组件节点正确相接时，节点上小圆圈同样会消失，但若有3个以上的联机或组件节点接在一起时，则会出现实心圆圈，如图2.8所示。图2.8 加入联机(9)加入输入端口与输出端口: 利用S-Edi

7、t提供的输入端口按钮与输出端口按钮，标明此反相器的输入输出信号的位置与名称，方法如下:选择输入端口按钮，再到工作区用鼠标左键选择要连接的端点，打开Edit Selected Port对话框，如图2.9所示，在Name文本框输入“IN”，单击OK按钮。 再选择输出端口按钮，到工作区用鼠标左键选择要连的端点，在打开的对话框的Name文本框中输入“OUT”,单击OK按钮。若输入端口或输出端口未与所要连接的端点相接，则可利用移动功能将IN输入端口移至反相器输入端，将OUT输出端口接至反相器输出端，或利用联机功能将节点连接在一起，如图3.10所示。图2.9编辑输入输出端口图2.10 编辑输入端口与输出端

8、口的结果(10) 建立反相器符号：在此步骤之前是电路设计模式，S-Edit中的模块，除了可以建立设计电路的窗口外，还可以建立该电路符号的窗口，选择View-Symbol Mode命令，如图2.11所示，即切换至符号模式。 选择了三角形工具后，按鼠标左键可画三角形的端点，按鼠标右键可画出三角形的终点，接着利用圆形工具画出圆形:，最后利用直线工具画出直线，如图2.12所示。 图2.11 切换至符号模式 图2.12 建立反相器符号(11) 加入输入端口与输出端口：利用S-Edit提供的输入端口按钮与输出端口按钮，标明此反相器符号的输入输出信号的位置与名称，具体操作同步骤(10)，结果如图2.13所示

9、。注意，符号的输入输出端口的名称要与电路输入输出端口的名称相同，大小写亦需一致。(12)更改模块名称：要将原来的模块名称Module0换成符合实际电路特性的名称，要选择Module-Rename 命令 ，打开Module Rename对话框，如图2.14所示，在其中的New modulename文本框中输入“inv”, 之后单击OK按钮，即可完成反相器模块的S-Edit设计。图2.13 加输入端口与输出端口图2.14 更改模块名称(13)反相器设计成果： 观看最后反相器设计成果，可分别选择View-Schematic Mode与View-Symbol Mode命令切换电路设计模式和符号模式两个

10、窗口，或者选择View-Change Mode命令来轮流在电路设计模式和符号模式这两个窗口之间进行切换，如图2.15与图2.16所示。图2.15 反相器电路图图2.16 反相器符号 (14)模块输出格式:S-Edit可将模块的内容输出成几种文字形式，具体操作是选择File-Export命令，打开Export Netlist对话框，在其中的Select Export Data Type下拉列表中可以看到有6种输出格式，如图2.17所示。图2.17 模块输出格式设置（15）输出成SPICE文件：将设计好的S-Edit电路图输出成SPICE格式，可借助于T-Spice分析与模拟此设计电路的性质，可选

11、择File-Export命令输出，或单击S-Edit右上方按钮，会自动输出成SPICE文件并打开T-Spice与转出文件，如图2.18所示。图2.18 输出成SPICE文件但此反相器的SPICE文件必须加入电源与其他设置，才能以T-Spice进行分析。2、反相器瞬时分析：(l) 打开S-Edit程序：依照第2章或第3章的方式打开S-Edit程序，S-Edit会自动将工作文件命名为“File0.sdb”并显示在窗口的标题栏上，如图2.19所示。图2.19 S-Edit标题栏 （2）环境设定：S-Edit默认的工作环境是黑底白线，但可按照第2章的步骤依自己的喜好来定义颜色。 (3) 另存新文件：选

12、择File-Save As命令，打开“另存为”对话框，在“保存在”下拉列表中选择保存目录，在“.文件名”文本框中输入新文件的名称，如Ex3，如图2.20所示。由于在本实例中所使用的电路需要一个反相器及其电源，读者可自行绘制第2章的反相器电路，或按照如下的步骤从文件Ex2中复制反相器的模块到 Ex3文件，再打开加入电源进行适当的修改即可。 图2.20 另存新文件 (4) 复制inv模块：要复制Ex2的inv模块到Ex3文件中，必须先打开第3章编辑的文件“Ex2.sdb ”。进行复制之前必须回到Ex3文件环境，方法为选择Module-Open命令，打开Open Module对话框，在Files下拉

13、列表中选择Ex3选项，单击OK按钮，回到Ex3环境，才能进行复制模块的操作。选择Module-Copy命令，打开Copy Module对话框，如图2.21所示，在Files下拉列表中选择Ex2选项，在Select Module To Copy列表框中选择inv选项，单击OK按钮，即完成将inv模块从Ex2文件中复制到Ex3文件的操作。(5) 打开inv模块：由于上一步骤复制模块的操作只是在Ex3文件中增加了inv模块 图2.21 复制inv模块 图2.22 打开inv模块(还有inv引用到的模块Vdd, Gnd，MOSFET_N与MOSFET_P )，而Ex3依旧在Module0模块的编辑环境

14、下，所以要编辑inv模块必须先选择Module-open命令，打开Open Module对话框，如图2.22所示，在Files下拉列表中选择Ex3选项，在Select Module To Open列表框中选择inv选项，单击OK按钮。（6） 加入工作电源：确定inv模块在电路设计模式，选择Module-Symbol Browser命令，打开Symbol Browser对话框，在Library列表框中选择spice组件库，其内含模块出现在Modules列表框中，其中有很多种电压源符号，选取直流电压源Source_v _dc作为此电路的工作电压源，如图2.23所示。 图2.23 选取Source_

15、v_dc符号 直流电压源Source _v_dc符号有正(+)端与负(一)端。在inv模块编辑窗口中将直流电压源Source _v_dc符号的正(+)端接Vdd, 将直流电压源Source _v_dc符号的负(-)端接Gnd，可以连接成如图2.24或图2.25所示的画面，但我们将以图2.24的方式继续编辑。在图2.24中，虽将两个全域符号Vdd及两个Gnd符号分开放置，但两个分离的Vdd符号实际上是接到同一个节点，而两个Gnd符号也是共同接地。所以为了使外加电源与设计电路能清楚地分开，建议读者采用图2.24所示的电路图表示方法。图2.24 工作电源加入结果一 图2.25 工作电源加入结果二（7

16、） 加入输入信号：选择Module-Symbol Browser命令，打开Symbol Browser对话框，在Library列表框中选取spice组件库，其内含模块出现在Modules列表框中，选取脉冲电压源.Source_v_pulse作为反相器输入信号，将脉冲电压源Source_v_pulse符号的(+)端接输入端口IN，将脉冲电压源Source_v_pulse符号的负(一)端接Gnd，则编辑完成画面如图2.26所示。 图2.26 加入输入信号的结果 （8) 更改模块名称：因在本实例中是利用反相器电路来学习使用T-Spice的瞬时分析功能，日后尚需将该电路应用在其他的分析之中，为避免文件

17、混杂且便于日后分辨，故将原本的模块名称inv改成inv_tran。选择Module-Rename命令，打开Module Rename对话框，在New modules name文本框中输入“inv_tran”，如图2.27所示，单击OK按钮。 图2.27 更改模块名称（9） 输出成SPICE文件：要将设计好的S-Edit电路图借助T-Spice软件分析与模拟此电路的性质，需先将电路图转换成SPICE格式。要进行此操作，第一种方法是单击S-Edit右上方的按钮，则会自动输出成SPICE文件并打开T-Spice软件，第二种则可由选取窗口选单File-Export输出文件，再打开T-Spice程序其方

18、法是可以执行在.TannerT-Spice70目录下的“wintsp32.exe”文件，或选择“开始”-“程序”-Tanner EDA-T-Spice Pro v7.0-T-Spice命令即可打开T-Spice程序，再打开从Ex3的inv_tran模块输出的inv_tran.sp文件，结果如图2.28所示。（10） 加载包含文件：由于不同的流程有不同特性，在模拟之前，必须要引入MOS组件的模拟文件，此模拟文件内有包括电容电阻系数等数据，以供T-Spice模拟之用。本范例是引用1.25um的CMOS流程组件模型文件“m12_125.md”。将鼠标移至主要电路之前，选择Edit-Insert Co

19、mmand命令，打开T-Spice Command Tool对话框，在左边的列表中选择Files选项。此时在右边窗口将出现4个按钮，可直接单击Include按钮，也可展开左侧列表中的Files选项，如图2.29所示，并选择Include file选项。 图2.28 输出成SPICE文件选择 Include file选项之后，对话框将如图2.30所示，此时单击Browse按钮在目录窗口中先找到.TnnnerTSpice70models目录，接着选取模型文件m12_125.md, 在Include file文本框中将出现.TannerTSpice70modelsml2_l25.md文件。再单击In

20、sert Command按钮，则会出现默认的以红色字开头的“.include C:TannerTSpice70modelsm12_125.md”，如图2.31所示。 图2.29 文件设定 图2.30 包含文件设定 图2.31 包含文件设定结果 (11)分析设定：此范例为反相器的瞬时分析，必须下瞬时分析指令，将鼠标移至文件尾，选择Edit-Insert Command命令。打开T-Spice Command Tool对话框，在左边的列表框中选择Analysis选项，右边出现8个选项，可直接选取瞬时分析按钮Transient,也可展开左边列表框中的Analysis选项，如图2.32所示，并选择其中

21、的Transient选项。 图2.32 分析设定单击Transient按钮之后，对话框将如图2.33所示。在此将设定模式，并设定其时间间隔与分析时间范围，此处将模拟时间间隔设定为1ns，总模拟时间则为400ns。首先在Modes选项组中选中Standard (from DC op.point)单选按钮，在右边出现的Maximum Time文本框中输入“In”，在Simulation文本框中输入“400n”，在Methods选项组中选中Standard BDF单选按钮。单击Insert Command按钮后，则会出现默认的以红色字开头的“.tran/op 1n 400n method=bdf”，

22、如图2.34所示。 图2.33 瞬时分析设定 图2.34 瞬时分析设定结果（12） 输出设定：观察瞬时分析结果，要设定观察瞬时分析结果为哪些节点的电压或电源，在此要观察的是输入节点IN与输出节点OUT的电压模拟结果。将鼠标移至文件尾，选择Edit-Insert Command,.在出现对话框的列表框中，选择Output, 右边出现7个选项，可直接单击Transient results按钮，亦可展开左侧列表框的Output，如图 2.35所示，选择Transient results选项。 图2.35 输出设定单击Transient results按钮之后，如图2.36所示，在右边出现的Plot

23、type下拉列表中选择Voltage:选项，在Node name文本框输入输入节点名称“IN”，注意大小写需与组件所接的节点名称完全一致，单击Add按钮。再回到Node name文本框输入输出节点名称OUT,单击Add按钮。最后单击Insert Command按钮，则会出现内定以红色字开头的“.print tran v (IN) v (OUT)”，如图2.37所示。 图2.36 瞬时结果输出设定 图2.37 设定结果(13)进行模拟：选择Simulate-Start Simulation命令，或单击命令，打开Run Simulation对话框，如图2.38所示，单击Start Simulati

24、on按钮，则会出现模拟结果的报告“Simulation Status”,如图2.39所示，并会自动打开W-Editor窗口来观看模拟波形图。 图2.38 Run Simulation对话框(14)观看结果：可在T-Spice环境下打开模拟结果“inv_tran.out”报告文件，如图2.40所示。瞬时分析结果的输出格式为第一行列出时间，第二行与第三行分别列出各时间对应的节点电压值v (IN) 与v (OUT)。 图2.39 模拟状态窗口也可以在W-Edit中观看模拟结果“inv_tran.out”的图形显示，选择工具图样来分离v (IN)曲线与v (OUT) 图样，如图2.41所示。上面的曲线

25、为输出电压对时间的图，下面的曲线为输入电压对时间的图。注意，横坐标都是时间(ns)，纵坐标都是电压(V)。 图2.40 模拟结果报告文件图2.41 在W-Edit中观看模拟结果 (15)分析结果：将模拟结果作分析，验证反相器模拟结果是否正确。时间10一110ns的输入数据为1，如图2.41所示，反相结果应为0, 即代表v (OUT)=0。从模拟结果来看，时间10-110ns的输出电压结果是正确的。时间120-200ns的输入数据为0, 反相结果应为1，即代表v (OUT)=1。从模拟结果来看，如图2.41所示，时间120-200ns的输出电压结果是正确的。 (16)时间分析：反相器的瞬时分析除

26、了可以由波形看出其输入随时间变化造成的输出变化以外，还可以运用measure指令计算出信号的延迟或上升与下降时间。在此先分析一下输出电压v (OUT)的下降时间，输出电压的计算方式为从最大稳定电压的90%降到最大稳定电压的10%所花的时间，本范例中最大稳定电压为5V, 故最大稳定电压的90%为4.5V,而最大电压的10%为0.5V, 本范例选取第二个下降波形来进行计算。在inv_tran.sp中加入measure指令，方法为：选择Edit-Insert Command命令，打开T-Spice Command Tool对话框，选择左边列表框中的Output选项，右边出现7个选项，可直接单击Mea

27、sure按钮，出现的对话框如图2.42所示。 图2.42 时间分析 在右边出现的Analysis type下拉列表中选择Transient选项，在Measurement result name文本框中输入分析的项目名称“falltime”，在Measurement type下拉列表中选择的计算方式为Difference。在Trigger选项组中选择When signal单选按钮，设定当信号v(OUT)的第二个下降波形从4.5V时开始计算，即在When signal单选按钮后的文本框中输入“v (OUT)”，在on下拉列表中选择fall选项，在crosses value文本框中输入“4.5”，在

28、number下拉列表中选择2选项。在Target选项组设定信号v (OUT)的第二个下降波形的0.5V为下降时间计算的截止处，即在When signal单选按钮后面的文本框中输入“v(OUT)”，在on下拉列表中选择fall选项，在crosses value文本框中输入“0.5”，在number下拉列表中选择2选项。最后单击Insert Command按钮，则会出现默认的以红色字开头的“.measure trap falltime trig v (OUT) va1=4.5 fall=2 targ v (OUT) val=0.5 fall=2”，如图2.43所示。 图2.43 时间分析设定结果(

29、17) 进行模拟：选择Simulate-Start Simulation命令，或单击按钮，打开Run Simulation对话框，单击Start Simulation按钮，则会出现模拟结果的报告“Simulation Status ”，并会自动打开W-Editor窗口来观看模拟波形图。 (18) 观看时间分析结果：在T-Spice环境下打开模拟结果inv_tran.out报告文件观看下降时间的计算结果，如图2.44所示。 图2.44 时间分析结果报告文件从报告文件中可以看到Trigger的时间在2.0338e-7s, 而Target时间为2.0509e-7s, 其间的差即下降时间Falltim

30、e为1.7102e-9s。（19）根据步骤（16）中的方法加入测试上升时间（tr）、从输入到输出的延迟（tpHL，tpLH），并手工计算反相器的门延迟tp。（20）在S-Edit中打开ex3.sdb文件，选中反相器当中的nmos或者pmos晶体管，选择Edit-Edit Object命令，按（21）中的要求修改Properties中晶体管的宽度W，保存后重新进行反相器的瞬态分析，并测量输出的下降延迟（tf）、上升时间（tr）、从输入到输出的延迟（tpHL，tpLH），并计算反相器的门延迟tp。观察晶体管大小改变后对延迟的影响。另：晶体管的宽度W也可以在inv_tran.sp文件中直接改变M1或

31、者M2描述语句中W后的数值。（21）晶体管宽度W修改要求：示例中nmos晶体管M1和pmos晶体管M2大小相同，长L=2，宽W=22。修改时要求（I）修改pmos晶体管M2的宽度，nmos晶体管M1大小保持不变，使得M1 M2。3、反相器直流分析：(1) 打开S-Edit程序：依照第2章或第3章的方式打开S-Edit程序，S-Edit会自动将工文件命名为File0sdb，并显示在窗口的标题栏上，如图2.45所示。 图2.45 S-Edit标题栏(2) 环境设定：S-Edit默认的工作环境是黑底白线，但可以像第2章的步骤来设定自己喜欢的颜色。 (3) 另存新文件：选择File-Save As命令，打开“另存为”对话框，在“保存在”列表框中选取保存的目录，在“文件名”文本框中输入新文件的名称，如Ex4。由于在本章中所使用的电路需要一个反相器及其电源，读者可自行绘制如第3章所示的反相器电路，或从文件Ex2复制反相器的模块到Ex4文件，再对加入的工作电源做适当的修改即可，如下面的步骤所示。 (4) 复制inv模块：将inv模块从Ex2文件中复制至Ex4文件的方法可参考第4章的相关内容。 (5) 打开inv模块：由于步骤(4)的复制模块的动作，只是在Ex4文件中