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  • 适用于PSPICE图形化输入的四端口 MOSFET模型的创建
    http://www.ic72.com 发布时间:2007/4/29 8:44:51
    适用于PSPICE图形化输入的四端口 MOSFET模型的创建
    霍明旭,丁扣宝
    (浙江大学信息与电子工程学系微电子所,杭州310027)

    1 引言

    MOSFET现已成为微处理器与半导体存储器等先进集成电路(IC)中最主要的器件单元,它尺寸小、功耗低、并与数字电路的主流工艺兼容。近年来,使用MOSFET的模拟IC逐渐成为主流,改变了以往主要使用双极型器件的局面。

    在进行电路设计时电路模拟占有非常重要的位置。常用的电路模拟程序有Cadence的Spectre和PSPICE,Synopsys的HS pice,Mentor的Eldo,Agilent的ADS等。国际上模拟电路模拟软件的事实标准是SPICE程序,由美国加州大学伯克莱分校首先推出。PSPICE则是以SPICE为核心的商用电路模拟工具,现为Cadence的OrCAD工具中的一员,可用于PCB,IC/ASIC,PLD等设计。PSPICE收敛性好,适于做系统及电路级模拟,可在微机上使用,应用非常广泛。

    OrCAD PSPICE进行电路图的输入有两种方式:文本输入方式和图形化输入方式。在文本输入方式中,首先需要对电路的节点进行编号,然后使用PSPICE规定的一系列输入输出控制语句,对电路模拟的标题、电路连接方式及其元器件的名称、参数、模型等进行描述,建立起一个文本文件。显然,这种方式不直观,且对于规模较大的电路就非常麻烦。而图形化输入方式大大减少了手工输入数据量,操作简单,使用方便,可以自动查错并在此基础上生成输入用的网表,可直接调用PSPICE 程序进行电路模拟。目前主流的EDA工具均支持图形化输入方式。

    PSPICE提供大量的元器件库,但未提供针对模拟IC设计所需要的四端口MOSFET。而在模拟IC的设计中,为了实现晶体管之间更好地隔离、减少pn结漏电流及闩锁效应等,往往要把阱和衬底之间的pn结反偏,即将n阱或n衬底接最高电位,将p衬底或p阱接最低电位。这样MOSFET的体端(B)和源端(S)就不是短接的,此时的MOSFET 为四端口器件,在模拟时要考虑体偏效应。另外,在模拟IC设计中用到的MOSFET针对不同的生产工艺需要不同的器件模型,因此为了图形化输入电路的需要,必须创建相应的适用于PSPICE图形化输入的四端口MOSFET模型。

    2 器件模型的创建

    本文建立的四端口MOSFET模型的依据是MOSIS的TSMC 0.18μm CMOS工艺条件下的Spice模型及参数。它采用的是适用于数字和模拟电路设计的深亚微米BSIM3V3模型。该模型对短沟道效应和高电场效应等都进行了建模,现已成为工业界的MOSFET模型标准。

    首先根据所给的参数,使用PSPICE Model Editor程序,利用.MODEL 语法来定义模型。不同的MOSFET取不同的模型名称,多个模型可以保存在一个模型库文件(*.LIB)中。然后使用PSPICEModel Editor程序创建不同模型对应的元器件(Part)的图形符号和模板,根据上文创建的模型库来建立元器件库。OrCAD内置的MOSFET图形符号都是体(B)源(S)连接,对外只有栅、漏和源三个端口的三端器件,(a)所示,无法直接使用。在三端口的NMOS图形符号上进行修改,将体源管脚断开,添加一个体端管脚B,然后再修改PSPICEtemplate模版,即可创建出四端器件,其 NMOS图形符号(b)所示。

    3 模型验证

    3.1 NMOS晶体管特性模拟

    模拟NMOS晶体管特性的电路图所示,其中M1采用以上述方法创建的NMOS模型。令栅压V GS=3.3V,体偏电压VBS分别为0.1V, 0.3V和0.5V时,IDS随漏源电压V DS的变化所示。显然,NMOS管输出特性随体偏电压 VBS的变化而变化,因而不能简单地采用OrCAD内置的三端口 MOS器件模型进行电路模拟。

    3.2 在实际电路中的测试

    图4是应用TSMC 0.18 CMOS工艺设计的无缓冲运放(OTA)电路,具有折叠共源共栅结构的自偏置的特点,其典型的MOSFET尺寸如表1所示。电路中M1, M2, M6, M7的B端接VDD,而M1a, M2a, M8, M9的B端接GND,它们在电路模拟时都要考虑体偏效应,必须采用四端口MOSFET 模型。电路的输入采用了图形化输入方式,其中的MOSFET模型使用本文建立的四端口模型。

    图5是该电路在OrCAD PSPICE下的交流分析结果,表示其增益的幅频特性和相频特性。图6是使用相同的MOSFET模型的同一个电路在Sun UltraIIi工作站的Cadence Spectre软件下模拟的结果。表2是电路在两个软件中的低频增益、单位增 益带宽和相位裕度的结果对比,两者一致。因此,使用本文建立的四端口MOSFET模型做图形化输入的OrCAD PSPICE对电路的模拟的结果与在专业的EDA工具下模拟具有相同的效果。

    4 结论

    在模拟IC设计中,电路模拟的工作是必不可少的。而众多的专业EDA软件早期大都源于SPICE程序。OrCAD PSPICE是在PC机上流行的电路模拟工具。本文创建的四端口的MOS管SPICE模型具有正确的器件特性,而且在IC模拟的结果也是正确的,适用于四端口MOS器件的图形化输入,因而在没有专业的EDA软件时,也可以在PC机上应用OrCAD PSPICE软件进行含四端口MOS器件的电路的图形化输入工作。





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