專業集成電路基礎課程設計報告專業集成電路基礎課程設計報告#CMOS反相器設計與仿真報告CMOS反相器相當于非門，是數字集成電路中最基本的單元電路。搞清楚CMOS反相器的特性，可為復雜數字電路的設計打下基礎。如圖0所示電路為反相器，P管襯底接Udd,N管襯底接地，柵極與各自的源極相接，消除了背柵效應，而且P管和N管輪流導通和截止,輸出非0即Udd，故CMOS反相器又稱為“無比電路”U1U0JbV!圖0：CMOS反相器反相器關系式：OUT=~IN。一、使用S-Edit編輯CMOS反相器原理圖在此次實例設計中采用TannerPro軟件中的S-Edit組件設計CMOS反相器的原理圖，進而掌握S-Edit的基本功能和使用方法。操作流程如下：進入S-Edit—〉建立新文件一〉環境設置一〉引用模塊一〉建立反相器電路。1）打開S-Edit程序，并將新文件另存以合適的文件名存儲在一定的文件夾下：在自己的計算機上一定的位置處打開S-Edit程序。在本例中在S-Edit文件夾中新建立“反相器原理圖”文件夾，并將新文件以文件名“Ex2”存與此文件夾中。如圖二所示。

圖a另存新文件為Ex22）環境設置：S-Edit默認的工作環境是黑底白線，但可以按照用戶的喜好自行設定。即選擇Setup->Colors命令，打開Colors對話框，可分別設置背景色、前景色、選取顏色、柵格顏色、原點顏色和可更換顏色等。如圖二所示。自定文顫芭?:自定文顫芭?:圖二環境設置3）編輯模塊并瀏覽組件庫：S-Edit編輯方式是以模塊為單位而不是以文件為單位，一個文件中可以包含多個模塊，而每一個模塊則表示一種基本組件或者一種電路。每次打開一個新文件時便自動打開一個模塊并命名為“ModuleO”；也可以重命名模塊名。方法是選擇Module-〉Rename命令，在彈出的對話框中的NewName中輸入符合實際電路的名稱，如“inv_dc”即可，之后單擊0K按鈕就可以。S-Edit本身附有4個組件庫，它們分別是scmos.sdb,spice.sdb,pages.sdb和element.sdb。可以引用其中的模塊，默認時有spice.sdb和element.sdb兩個組件庫，也可以添加其他的兩個組件庫。設置好環境并瀏覽組件庫的狀態如圖三所示。

SysliolBrovserFils|QuickPickMod'ulesEJT_HFWBJT_PWP匚apacitorCCCSCCVSDioicGniEJT_HFWBJT_PWP匚apacitorCCCSCCVSDioicGniInd.uctorJFET_NJFET_FMESFETMO5FET_NUnQFFTP旦lam屯kuthor:S_EditOrganixaticn；TannerInfo：HFIIBipolarJwAuthor:S-EditOrganization：Info：Spicelibrary圖三瀏覽組件庫4）從組件庫引用模塊：編輯反相器電路會用到NMOS,PMOS,Vdd,Gnd這四個模塊。引用的方法是在SymoblBrower對話框中選取spice組件庫，在其內含的模塊列表中以次找到所需模塊，并放在編輯界面中。結果如圖四所示。匚osl一更企CHISrLET中占=■缶十圖四引用模塊5）編輯反相器：按住Alt鍵拖動鼠標，可移動選中對象。移動各個對象到合適位置后，選擇原理圖工具條中的連線按鈕連接各個對象節點以組建成反相器。注意，各節點上小圓圈消失即代表連線成功；若3個以上的節點連在一起則會出現實心圓圈。編輯后反相器結果圖如圖五所示。圖五編輯反相器并連線6）加入輸入輸出端口：利用輸入輸出按鈕表明此反相器的輸入輸出信號的位置和名字，方法如下：選擇輸入端口按鈕，再到工作區用鼠標左鍵選擇要連接的端點，在彈出的EditSelectedPort對話框中的Name文本框中輸入名字，如“IN”，單擊OK按鈕即可。如圖六所示。同樣的方法也可加入輸出端口“OUT”。圖六加入輸入端口IN7）反相器設計成果：引入輸入輸出端口后完整的反相器電路圖如圖七所示。圖七反相器電路圖二、反相器瞬時分析在此次實例設計中采用TannerPro軟件中的S-Edit組件設計CMOS反相器順瞬時仿真的原理圖，進一步掌握S-Edit的基本功能和使用方法；并使用T-Spice組件仿真。此次反相器瞬時分析仿真調用前面已經設計完成的文件“Ex2”中的模塊“inv_dc”并加入激勵源來完成。操作流程如下：進入S-Edit—〉建立新文件一〉環境設置一〉引用模塊一〉建立反相器仿真電路-〉生成Spice文件-〉在T-Spice環境下插入仿真命令并仿真-〉查看與分析仿真結果。1）打開S-Edit程序，設置環境，新建仿真用文件夾和文件:此次設計與仿真在新建的文件夾“反相器瞬時分析”下，并新建文件為“Ex3”。圖示一新建文件Ex3，保存于“反相器瞬時分析”

2）復制并打開“inv_dc”模塊：要復制Ex2的inv_dc模塊到Ex3文件中，必須在文件“Ex3”環境下打開文件“Ex2.sdb”，之后在文件“Ex2.sdb”環境中退回到Ex3文件環境，即選擇Ex2文件菜單欄中的Module->Open命令，在彈出的對話框的Files下拉列表中選擇Ex3項，單擊OK即可。如圖示二所示。1訕￡丘|百i?idjg|■■|捌T1□offdutdd

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r..m|aQ.|創和lb|l|--St.K*a昱1圖示二退回到Ex3操作界面退回到Ex3環境后，選擇Module->Copy命令，在彈出的對話框的Files下拉列表中選擇Ex2項，在SelectModuleToCopy下拉列表中選擇inv_dc項，單擊OK即可。如圖示三所示。+%□Dl-*l[hl-D--1-上、_丄kd□d's■二o'圖示三復制inv_dc模塊到Ex3但是此時Ex3依舊在Module0模塊環境下，只是在Ex3文件中復制了inv_dc模塊，要想對其編輯就必須將其打開。即選擇Module->Open命令，在打開的對話框的Files下拉列表中選擇Ex3項，在SelectModuleToOpen下拉列表中選擇inv_dc項，單擊OK即可。如圖示四所示。JlLee：0￡1王JlLee：0￡1王Cwel圖示四打開inv_dc模塊3)加入工作電源和輸入信號：選擇符號瀏覽器(SymbolBrower)命令在彈出的對話框中選取直流電壓源和脈沖電壓源分別作為反相器的工作電源和輸入信號源。如圖示五所示。flcsistarK'ji.hw3-Edil.葉肚TiiMtI￡<■flcsistarK'ji.hw3-Edil.葉肚TiiMtI￡<■I-kJilMfSturctJJi:5i>urct_i_5iiiE［點.ICTpllW5400.Sr*iri：e_￥_arEmiemvLit5dutu亡tde5riircf_v_pd5*Enrr"rriTiiV<>luiLckfidilFlidile:UiLibrsr圖示五加入工作電源和激勵信號源將工作電源和信號源與反相器連接后的完整的仿真電路圖如圖示六所示。為了便于圖形的顯示和各個電源不同功能的顯著區分，設計中特引入了全域符號Vdd和Gnd，并將它們分開放置，但是它們實際上是連在一起的，即接于同一節點。這樣可使電路圖更加清晰直觀。另外，由于此次設計主要用于反相器的瞬時功能分析，所以為了方便查看，做到見文識義，可將原本的模塊名inv_dc更名為inv_tran。方法和設計原理圖時模塊的重命名方法相同。OUT圖示六仿真電路圖4）輸出成同。OUT圖示六仿真電路圖4）輸出成Spice文件：要想將設計好的電路借助T-Spice軟件仿真其特性，需先將電路圖轉換成Spice格式。較簡便的方法是單擊命令工具條上的啟動T-Spice按鈕，則會自動輸出成Spice格式文件并打開T-Spice軟件。結果如圖示七所示。圖示七輸出成Spice格式文件5）加載包含文件：由于不同的流程有不同的特性，所以在仿真之前，必須引入MOS組件的模型文件，以供T-Spice模擬用。本設計中引用1.25um的CMOS組件模型文件“ml2_125.md”，即在Spice文件的主程序之前插入文件“ml2_125.md”。簡便的方法是單擊T-Spice軟件的命令菜單欄中的“插入命令"(InsertCommend)按鈕，在彈出的對話框中選擇Includefile項。最后在彈出的對話框中瀏覽添加文件“m12_125.md”到Includefile文本框中，如圖示八所示。之后單擊InsertCommend按鈕即可。此時在Spice文件中會出現命令行“.include"D:\Tanner\tanner\TSpice70\models\ml2_125.md"”。圖示八包含文件命令窗口插入分析設定和輸出設定命令：和5)方法類似，還需要在Spice文件中的結尾插入分析和輸出設定的命令。即在命令工具對話框中選擇Analysis項中的瞬時分析選項Transient,并設定模擬時間間隔為1ns，總仿真時間為400ns,并選定StandardBDF單選按鈕，如圖示九所示。此時在Spice文件中會出現命令行“.tran/op1n400nmethod=bdf”。在命令工具對話框中選擇Output項中的Transientresults選項，在ListOfPlot框中分別添加要觀察的節點電壓。此次設計中主要觀察輸入節點IN和輸出接點OUT的電壓，則可以在Plottype下拉列表中選擇Vlotage選項，在NodeName文本框中輸入IN(區分大小寫)，單擊Add按鈕，就將節點IN加入到了觀察節點列表中。同理將節點OUT加入到了觀察節點列表中，如圖示十所示。最后單擊InsertCommend按鈕即可。此時在Spice文件中會出現命令行“.printtranv(IN)v(OUT)”。進行過各種設定后，Spice文件如圖示十一所示，可以看出在文件中新加入了如下命令行：.include"D:\Tanner\tanner\TSpice70\models\ml2_125.md"；.tran/op1n400nmethod=bdf；.printtranv(IN)v(OUT)。進行模擬：單擊命令工具欄中的“開始”按鈕，打開RunSimulation對話框，如圖示十二所示，選中Showingduring單選按鈕，再單擊StartSimulation按鈕，則會出現模擬狀態窗口，如圖示十三所示，并自動打開W-Edit窗口，以便觀察模擬波形。圖示九添加分析設定命令行設定欄目T-SpiceCouand.Toole-e:e:e.E-.E..EF'rinttr：=ltleiente-e:e:e.E-.E..EF'rinttr：=ltleient：=LTL81ysiereEijlts111Output1OpticmillN：=LmeUrii+Browse...+AiLidlysieCirrrentEuirrceFilesIrLiti：iliratiorL匚lutpjAACr&EuLtsAC5[Tl：ilL-3igTL：ll[TicIlCr&EiAtEFijw^rT廠:遼l呂itnt廠umult呂HoiE&r&silltEEmt±ingsTitle'V-jltiges-j^ceUp11miziti0nIn-ertCumm：=ltli1匚:-ltlce1圖示十添加輸出設定命令行的設定細則圖示十一設定后Spice文件ShowaftCiWiveforrTioptionz■>'ShciwduringHonetshow〔artSimulatiCldlLCel圖示十二進行模擬設定圖示十三模擬狀態窗口8)觀看結果：可以在T-Spice環境下打開模擬結果“inv_tran”報告文件，如圖示十四所示。結果輸出格式為第一行為時間，第二行和第三行分別列出各時間對應的節點電壓值。10T-Spicp-linY_tr?Jihvut]IQ{j-L?LELnl?ti?Ll—l?匕tinu_SX匚皿只尋匡it5H*k■II%1附U15■ZES-a.96C-D11!4.ftEi?jLiUsn.lyjA]zt.riii…D..■0；HI1JE2*EMDNON-CRXPHICiLDATA*TIEIiTTl""iDit-0D9l±-D07TJlWJSILMTMJLL稲店￥|即如＞vi：<irro^V>□□.ODDOr-HJDOtOODdeOLQudOIMt-ODi5udlaie+0Dd84￡￡1BQLJJI.2911B-QD15.aiQ5B40oa1HearOKI?■33Lle-ODl■fcr^SS^e+ODd3□CW1.H331e+<iiMt-aonae+ocM332□D91.3iZ7fr+nDai.2391t+ODaI0072ftQW2.0466&-kJDa3-口勺直口口41=100tOKIErli57-5e-KiMJr-KEJed-ODO■573□D92■MBBTe+ODO2?3Bqqe+0D0t3DE9frQD9.IDLSt-rQIMIQW2/抽品+JJDCIT.^SSSt-ODl■50033^OCA3九fODO5.3DHae-0Dl5inWeOKI:B-E￡EWt+<llM4B5iqat-ODi533D5eQD92.ti653e-rtiDa3.5777&-OD1E占OM2HR.33a.Ci^iSw-ODi5EBCISEJ3e-KllMZ--373ZS-OD1EQ747eQD93■□W旺PKILua?E3e-0Dlb9961&QD9J.^seifKiDa7J79iet-ODi：7ClM玄-DWMlXl*C,」tfi.CtlIKll圖示十四模擬結果報告文件也可以在W-Edit中觀察模擬結果的圖形顯示。在彈出的W-Edit軟件中選擇ExpandChart按鈕來分離v(IN)曲線和v(OUT)曲線，如圖示十五所示。上面的曲線為輸出電壓對時間的曲線，下面的為輸入電壓對時間的曲線。IlSB-EJa-fVwaf-iiH'a-FWE—U^V.rwnJweXtwerwrAi-J-datirrrtJi口;[3LiiMR沖*a4..巧凹卽時仙＞總Ab且且山應&生伯r士111二j“＜Lwn—Lwn—圖示十五節點電壓的波形圖9)結果分析：有圖示十五可以知道，時間10ns?110ns的輸入數據為1,輸出數據為0。同理，在時間120ns?200ns輸入數據為0,輸出數據為1。總之，輸入與輸出反相，所以可知設計結果與理論分析一致，此次設計正確成功。

三、反相器直流分析此次設計主要完成在T-Spice軟件中的反相器的直流傳輸特性仿真與分析。操作流程如下：進入S-Edit,建立反相器直流傳輸仿真電路-〉生成Spice文件-〉在T-Spice環境下插入仿真命令并仿真-＞查看與分析仿真結果。1）打開S-Edit程序，設定環境，復制并打開inv_dc模塊：以上各步驟和“反相器瞬時分析”中的1）、2）兩步驟類似，在此從略。結果如下圖a、b所示。■■呂PI電H|a￡b|l|a*t_|Z5ltS?.[riLiilSl7?￡l^l|lmEELBEPT*T-BCTEIUTT￡』5KPJ■隹t■■呂PI電H|a￡b|l|a*t_|Z5ltS?.[riLiilSl7?￡l^l|lmEELBEPT*T-BCTEIUTT￡』5KPJ■隹t“応?"4ft圖：a新建文件Ex4,并保存于文件夾反相器直流分析文件夾中krirtLIUTU課：帀區I客中沖％■客中沖％■趕*+]ajuw&rbT7WlyJ■ki-H珂圖：b在文件Ex4中打開模塊inv_dc_12）加入工作電源和輸入信號：由于設計是用來進行反相器的直流分析，所以要加入兩個直流電壓源。方法和“反相器瞬時分析”中的步驟3）類似，在此從略。結果如下圖c所示。INV=5.0W=22uOUTW=22uL=2uL=2uINV=5.0W=22uOUTW=22uL=2uL=2u圖：c加入工作電壓和輸入信號3）編輯直流電壓源：由于再該模塊中有兩個直流電源符號，所以為了區分它們，可以編輯它們，改變其屬性。即選擇待編輯對象-＞單擊工具命令欄中的EditObject按鈕，在彈出的對話框中進行電壓源屬性的編輯。分別將Vdd與Gnd之間的電壓源和IN與Gnd之間的電壓源更名為vvdd和vin，并將vin的電壓設定為1.0V。如下圖d、e所示。圖：d修改電壓源vvdd的屬性TjpiiBvftfjllSbn-圖：d修改電壓源vvdd的屬性TjpiiBvftfjllSbn-TsrLpTcm"JTirL「［w.弓「耐「阪rpgzj4）輸出成4）輸出成Spice文件，包含文件“ml2_125.md”：以上兩步和“反相器瞬時分析”中的4）、5）兩步驟類似，在此從略。添加文件后的Spice文件如下圖f所示。圖：f添加模型文件后的Spice文件5）分析設定：由于進行反相器的直流分析，模擬其轉換曲線，所以模擬輸入電壓vin從0V到5V變化（以0.02線性增加），輸出電壓相對于輸入電壓的變化。即在文件結尾插入命令“.delinparamvin05.00.02”。其設置如下：InsertCommend->Analysis->DCtransferSweep->Sweep1,在打開的對話框中的Sweeptype下拉列表中選擇Liner項，在Paramemtertype下拉框中選擇Source項，在name文本框中輸入“v3”，在Start和Stop中分別輸入0和5.0,在Increment中輸入0.02，之后先單擊Accept按鈕，在單擊InsertCommend按鈕即可。如下圖h所示。圖：h分析設定細則ChUMl|FTfi圖：h分析設定細則ChUMl|FTfi-LHtU目ERR皿I住H!?■國］曲』孔*:ft-■典iEup..6）輸出設定：在命令工具對話框中選擇Output項中的DCresults選項，在ListOfPlot框中分別添加要觀察的節點電壓。此次設計中主要觀察輸出接點OUT的電壓，則可以在Plottype下拉列表中選擇Vlotage選項，在NodeName文本框中輸入OUT（區分大小寫），單擊Add按鈕，就將節點OUT加入到了觀察節點列表中。如下圖i所示。此時將在Spice文件中插入命令行“.printdev（OUT）”。T-SpiceCobbandToole:e:e:e+AiL：dlysise:e:e:eCm-r已ntscnrrc已Fi