基于Cadence的模拟集成电路设计

1、基于cadence的模拟集成电路设计实践 电子科学与技术实验室 目录1、cadence概述12、运行cadence32.1 启动cadence之前的配置32.2 启动cadence32.3建立个人工作库43、电路图的输入composer73.1新建原理图73.2添加器件83.3连线103.4设置元件参数113.5放置端口123.6检查并存储134、创建symbolcomposer144.1打开inverter原理图144.2创建symbol144.3编辑symbol并保存155、电路仿真ade165.1创建缓冲器原理图和symbol165.2创建仿真电路185.3打开仿真环境195.4仿真设置

2、205.5选择输出，并保存当前仿真设置215.6进行仿真并查看波形215.7仿真结果分析226、mos晶体管的i-v特性246.1创建cellview并画出电路图246.2 mos管的输入特性曲线256.2 mos管的输出特性曲线277、mos晶体管栅源电容测试297.1 mos晶体管栅源电容测试297.2体效应327.3 mos晶体管电容测试348、mos晶体管共源级放大器388.1启动cadence388.2电路图输入388.3设置元件参数388.4电路仿真分析398.4.1直流仿真398.4.2交流分析438.4.3瞬态分析448.5 mos二极管接法的负载468.5.1电路图468.5

3、.2电路仿真468.6电流源负载的共源级508.6.1电路图508.6.2电路仿真519、简单差动放大器实验549.1启动cadence549.2电路图输入549.3计算、设置元件参数559.4仿真579.4.1 dc扫描及输入输出共模范围579.4.2 ac分析，观察相位裕度649.4.3共模增益，共模抑制比(cmrr)679.4 .4 电源抑制比(psrr)681、cadence概述作为流行的eda工具之一，cadence 一直以来以其强大的功能受到广大eda工程师的青睐。cadence 可以完成整个ic设计流程的各个方面，如电路图输入(schematic input)、电路仿真(anal

4、og simulation)、版图设计（layout design）、版图验证（layout verification）、寄生参数提取（layout parasitic extraction）以及后仿真（post simulation）。如图1.1所示，我们给出了一个简单的模拟集成电路设计流程，以及对应的cadence工具。如图1.1 cadence模拟集成电路设计流程本实验指导书针对以上流程，通过设计一个简单的缓冲器的原理图到最终的版图，对cadence的composer， analog desing environment，virtuoso，assura等各大功能模块逐一做个简单介绍。此外

5、还包括一些cadence平台的知识介绍。cadence开发了自己的编程语言skill以及相应的编译器，整个cadence可以理解为一个搭建在skill语言平台上的可执行文件集。初学者对此可以不用理会，当用户深入后，可以用skill语言对cadence设计工具进行扩展。2、运行cadence2.1 启动cadence之前的配置cadence初次启动之前需要如下一些配置文件：.cshrc文件：有关一些cadence必需的环境变量，如cadence软件的路径及license。.cdsenv文件：包含cadence各种工具的一些初始设置。.cds.lib文件：用户库的管理文件，在第一次运行cadenc

6、e时自动生成。.cdsinit文件：包含cadence的一些初始化设置以及快捷键设置。实际上，机房中我们已将各配置文件写好，只要在终端中执行cds.setup2.2 启动cadence在桌面上双击xmanager enterprise图标，然后双击xstart图标出现xstart窗口，如图2.1所示：图2.1 cadence启动界面在password一栏输入123456，然后点击run 按钮，运行软件，等待一段时间，出现xstart命令窗口，如图2.2所示：图2.2 命令输入窗口在命令窗口输入cd shiyan/0901（2班输入cd shiyan/0902 ），回车，然后输入cds.setu

7、p，回车，最后输入icfb& ，回车，就会打开cadence的命令解释窗口ciw(command interpreter window)，如图2.3所示：图2.3 cadence主控窗口ciw是cadence的集成设计环境，cadence的大部分工具都可以从这里打开。其中最上方是标题栏，第二行是菜单栏。中间部分是输出区域，许多命令的结果在这里显示。一些出错信息也在这里显示，要学会输出区域中获取相应的信息。接下来一行是命令输入行，cadence的许多操作可以通过鼠标执行，也可以通过输入命令来执行。2.3建立个人工作库cadence是以库来组织文件的。为了使我们的工作和系统中的其它库区别，我们需要

8、建立自己的工作库。有两种方法来建立新库，一是通过菜单栏tool-library manager打开库管理器，另一种是通过file-new-library来建立新库。这里我们用第一种方法建立新库。单击菜单栏tool-library manager，会打开lm（library manager）窗口，如图2.4所示：图2.4 lm窗口该窗口列出了当前已有的库。点击file-newlibrary,打开new library窗口，如图2.5所示：图2.5 新建库窗口在name一栏输入要新建的库名，如mylib，然后单击ok确定。出现technology file设置窗口，如图2.6所示：图2.6 tec

9、hnology file 设置窗口如果不做版图设计的话，就不需要tf文件。这里我们选择第三项dont need a techfile，单击ok确定。现在，本教程需要的库就设置好了。3、电路图的输入composer本章将通过画一个cmos反相器来简单的介结电路图设计流程。cadence用于原理图设计的工具称为composer。3.1新建原理图类似于新建一个库，有两种方法可以新建原理图，一是通过库管理器，另一种是通过ciw菜单新建。这里我们直接通过ciw来新建原理图。在ciw窗口中，file-new-cellview，弹出新建对话框，如图3.1所示：图3.1 新建原理图于library name栏

10、选择自己的工作库，如mylib，在cell name 栏输入原理图名字，如inverter，于tool栏选择电路编辑工具composer-schematic，此时view name栏自动变为schematic，最后单击ok，这样就会弹出composer主界面，如图3.2所示。图3.2 composer主界面composer主界面包括：标题栏，菜单栏，工具栏，状态栏（第二行），提示区（就是最底下那行）以及最大的那个工作区。标题栏和菜单栏没什么好说的，状态栏会提示当前的命令以及所选择的物体个数，提示区会告诉你当前应该做什么事。作为初学者，在设计电路过程中应该要仔细阅读提示区中的信息。此外，还需要注

11、：composer中的多数命令会一直保持，直到你调用其它令令替代它或者按esc取消，尤其是在执行delete命令时，忽视这一点很可能会误删除，一定要多加小心！composer的undo操作默认只通进行一次（可以在ciw窗口的option-user preferences 中修改，最多可以是10）。所以每完成一个命令，记着按esc取消当前命令。点击工具栏的zoomin和zoomout按钮可以放大缩小电路图。键入快捷键f可以使电路图自动缩放到合适大小。编辑电路图过程中注意要及时保存，保存方法是菜单栏-design-save，也可以键入快捷键大写的s(shift+s)来保存。3.2添加器件现在，我们

12、要开始画一个标准的cmos反相器。一个反相器包括pmos、nmos、vdd、gnd。添加器件有三种方法，菜单栏-add-instance；键入快捷键i；工具栏instance，弹出对话框如图3.3所示：图3.3 添加器件窗口点击browse，弹出库浏览器，如图3.4所示，cadence的大部分基本元器件符号都可以在analoglib库中找到。图3.4 库浏览器依次点击analoglib-pmos4-symbol，再单击close。刚才的添加器件窗口发生变化，如图3.5所示：图3.5 选择了元件后的添加器件窗口可以发现library，cell，view等都自动填上了相应的信息。同时多出了一些参数

13、列表（拖动滚动条可以看到更多）。点击hide隐藏当前窗口，此时鼠标对应有一个pmos的symbol，此时按r键，可以旋转pmos，继续点击鼠标左键，否则按esc取消当前的放置器件命令。同样的方法继续放置nmos晶体管，对应的器件名称为nmos4。此外还要放置电源与地，电源与地在analoglib中，对应的器件名为vdd、gnd。放置完所有器件后的原理图如图3.6所示。 图3.6 放置完电源与地 图3.7 连线3.3连线现在要用导线把器件连起来。画导线的方法有三种：菜单栏-add-wire(narrow)，键入快捷键w，工具栏wire(narrow)。注意区别wire(narrow)与wire(

14、wide)，wire(narrow)表示普通连接导线，而wire(wide)表示总线接。线连接的快捷键是大写的w。进入连线命令后，于起点单击左键，再于终点单击左键。画完一段导线后，此时并没有退出画线命令，可以继续画连接线，直到画完所所有的连接线后，按esc退出画线命令。连好线的电路图如图3.7所示，其中左右两条水平导线是后在连连接端口用的。还可以对画好的线进行命名，键入快捷键l（小写），在弹出的对话框中输入线名，比如a，点击hide，然后将字母a移动到要命令的线附近点击左键放下，如果名字离线较远，则要求再单击所要命名的线。3.4设置元件参数现在需要设置元件参数，有三种方法：菜单栏-edit-p

15、roperties-objects，再点击要修改参数的元件，无选中器件，再键入快捷键q，选中器件，再点击工具栏目propertiy。参数可以是以下三种形式的各种数学给合表达式，变量，常量，skill语言函数。变量作参数会在仿真时用到。常量和skill语言函数作参数，在下面就会用到。例如，单击pmos选中它，这样pmos会被一个白色方框包围。然后键入快捷键q，会弹出属性编辑对话框。这里我们需要填写上model name，以及pmos 的栅长和栅宽。栅长我们设为常数1u（注意u是小写！），而栅宽我们设为函数ppar(“wp”)，注意大小写不能错。当然也可以设一个固定的尺寸，但这样就不能利用参数修改

16、晶体管的栅宽了。ppar函数就是把wp 作为传递参数，在看见它电路图中调用这个电路时对wp赋值，就相当于给这个pmos的栅宽赋值，这样做的目的是为了方便层次化设计。在后面仿真时大家会更加明白这一点。composer会根据数值大小自动变换单位。如图3.8所示。图3.8 设置元件参数模型名我们填penh，这是因为我们这里采用的spice模型是由smic提供的。同样的方法继续设置nmos参数，只是模型名为nenh，栅长为固定值1u，栅宽设为ppar(“wn”)。设置好参数后的电路图如图3.9所示。图3.9 设置好元件参数的电路图注意：设置参数时不要自己输入单位，系统会自动加上。比如1um是错误的写法

17、。如果非要自己写单位，也要和数值之间留一个空格，否则系统会把m识别为变量。器件的参数也可以放置时就设置好。3.5放置端口图3.10 放置端口完成以下工作后，还必须放置i/o端口以标明电路的输入输出。放置端口有三种方法，菜单栏-add-pin，键入快捷键p，点击工具栏pin。执行放置端口命令后，会弹出如图3.10所示对话框。于pin names栏输入端口名，比如vin，于direction栏选择input，点击hide，然后将端口放到反相器的左边输入线上。同样的方法再放置输出端口，端口方向要改为output，名称为vout，将其放在反相器右边的输入线上。最终的完成图如图3.11所示：图3.11

18、最终的电路图3.6检查并存储设计完成的电路和图需要经过检查方能进行仿真。单击菜单栏-check and save 或者键入快捷键大写的x（shift+x），可以对电路进行检查并存储。检查后如果有错会在ciw窗口上显示示错误或警告信息。如果没错，则如图3.12所示，检查无误后可以关闭composer了。图3.12 检查电路后ciw中的提示信息4、创建symbolcomposer 现在我们要对上一章中画的反相器创建symbol，这样做的目的是为了在更大的电路中用到我们前面所画的反相器时，可以用这个symbol来代替反相器电路。4.1打开inverter原理图 ciw窗口菜单栏-open，弹出打开对

19、话框，选择自己的库，然后选择器件inverter，再于viewname栏选schematic，点击ok打开上一章画好的反相器原理图。4.2创建symbolcomposer窗口菜栏-design-create cellview-from cellview，弹出cellview from cellview窗口，如图41所示：图4.1 创建symbol图4.2 创建symbol选项窗口其中library name、cell name等栏已经自动填好，确认to view name栏是symbol，点击ok。弹出创建symbol选项窗口，如图42所示。这里已经自动识别出电路原理图中的输入输出端口，默认输

20、入在左，输出在右，点击ok。显示出symbol编辑窗口，如图43所示：图4.3 symbol编辑窗口默认生成的反相器symbol是一个绿色矩形框，引脚按刚才编辑好的方式左右排列。红色矩形框代表调用这个模块时点选的区域，也就是说鼠标点到此区域范围内才可以选中这个symbol。图中所有元素均可修改，但我们一般只改绿色矩形框。4.3编辑symbol并保存 默认的symbol是一个比较大的矩形。对于反相器，我们习惯用一个三角形再加小圆圈来表示。选中绿色矩形框，delete之，然后add-shapepolygon，在刚才矩形框的位置画一个三角形。鼠标在三个端点点3次即可。注意在三角形右边留出画圆圈的位置

21、。再add-shape-circle，先于圆心位置单击左键，再移动鼠标，得到合适的圆的半径后左键确认。再把图中的输入输出端口以及partname和instancename移动到合适位置。其中，instancename代表以后调用此反相器时的编号，partname代表对应的schematic的名字，一般不用改。最后再把红色框大小修改合适（框住三角形和端口）。 最终的symbol如图4.4所示：图4.4 反相器最终的symbol画好的symbol需要检查保存。design-check and save，检查结果显示在ciw窗口中。5、电路仿真ade现在我们用画好的反相器的symbol组成一个缓冲器

22、(buffer)进行仿真，通过对buffer做瞬态分析、dc分析、ac分析，分别得到该buffer的延迟时间、输入输出特性以及小信号频率响应。对电路进行仿真需要加激励信号，而加激励信号有两种方法，一种是在原理图中直接加入信号源元件，另一种是在仿真环境窗口(ade)中对输入端口加激励。这里我们介绍的是第一种方法，第二种方法将在后续实验中介绍。5.1创建缓冲器原理图和symbol缓冲器是由两个反相器组成，利用前边的方法，新建一个cellview，画出缓冲器原理图如图51所示：图5.1 buffer原理图其中反相器我们直接调用了上一章中画好的symbol(注意是在自己的库中)。选中inverter，

23、键入e，再点0k，可以显示和symbol对应具体的schematic，但是这时只能看，而不能修改。crtl+e退出该symbol。图5.2 连线命名窗口另外我们把缓冲器的输入输出两条线命名为in和out，把第一级反相器的输出线命为v1。这样是为了在仿真时显示得更清楚。给连线命名的方法是：键入快捷键1，弹出连线命名窗口，如图5.2所示，于name栏输入线名，然后点击hide，将名字移到要命名的线附近单击放下。设置inverter参数。选中inverter，键入q，就会弹出反相器的属性，如图5 3所示。这里我们需要分别设wn和wp的值。回忆3.4中给两个mos管的栅宽设置传递参数，其实我们是给反相

24、器的nmos和pmos的栅宽赋值。将display设为both，可以在原理图上显示出参数值，当然你也可以不让其显示。图5.3 inverter的参数传递回忆第四章内容，我们由缓冲器的原理图再生成symbol。缓冲器的symbol我们习惯用一个三角形来表示，如图5.4所示：图5.4 缓冲器symbol5.2创建仿真电路现在新建一个电路图，名为buffer_test，注意选为自己的库。画出测试电路，如图5.5所示：图5.5 buffer的仿真电路独立电源vdc也是在analoglib库中，将其属性中的dcvoltage设为1.8另一个激励信号是方波源，对应器件名称为vpulse，也位于analog

25、lib库中。方波源的属性设置如图5.6所示。方波上升下降时间为1n，周期为10u，脉冲宽度为5u，voltagel设为0，voltage2设为1.8。图5.6 方波信号源的参数设置5.3打开仿真环境composer菜单栏-tools-analog environment，打开仿真窗口(简称为ade窗口)，如图5.7所示。其中比较重要的常用按钮已经标明。开始仿真删除输出设置编辑变量仿真设置变量列表图5.7 仿真环境窗口仿真时需要进行一些诸如仿真库文件路径、结果存储路径、仿真器选择等的设置，相关设置在setup中进行设置。这里我们只需要设置仿真库文件路径(仿真库文件记录着不同工艺角的参数，并指明了

26、各元件类型的model文件所在路径)，其它均为默认设置。于ade窗口，setup-model libraries，打开model库设置窗口，如图5.8所示。单击“browser”，打开浏览窗口，如图5.9所示，双击列表里的选项可以进入对应的目录，双击./可以进入上一级目录。我们所使用的model文件是由smic提供，其路径如下：/home/shiyan/model/huahong/specture/cz6h_v23.scs图5.8 model库设置窗口图5.9 选择model文件选好后点击ok确认，然后再于model库设置窗口的section栏填写工艺角，这里我们填tt(nmos和pmos速度

27、均为典型值)，然后再点add按钮，将当前的仿真库文件添加进列表，点击ok退出。5.4仿真设置analyses-choose，或者点击右侧工具栏的choose analyses按钮。弹出如图510所示窗口。于analysis栏选择不同的仿真。对于瞬态分析，我们选tran，然后于stop time栏输入仿真时间20u。图5.10 仿真设置窗口，瞬态分析的设置5.5选择输出，并保存当前仿真设置接下来要选择我们需要观察的对象，即我们要看哪个节点的电压，或者要看哪一条支路的电流。于ade窗口，output-to be plotted-select on schematic，这样会弹出我们画的电路图。然后

28、分别单击输入和输出两条线in和out，以及第一级反相器的输出vl。注意选择v1时要先按e，再选中缓冲器进入下一层子电路。并注意一定要单击导线，而不是元件的pin角!然后按esc退出选择状态。此时在仿真窗口中已经有了in、out、vl三项，如图5.11所示。图5.11 全部设置完成后的仿真环境窗口保存当前的仿真设置。session-save state，弹出保存对话框，填好名称，点击ok确定。这样下次再仿真时，可以直接调用该仿真设置，而不用每次都进行同样的设置。5.6进行仿真并查看波形现在可以进行仿真了。于ade窗口，simulation-run，或者点工具栏netlist and run按钮，

29、再点0k，就可以显示出前边所设置的output中指定的信号波形。得到波形之后点击按钮，就可将电路图分开显示，再点一下就可合并波形，如图5.12所示：图5.12 方波显示窗口5.7仿真结果分析通过对仿真结果的分析，要学会波形测量及坐标等操作，分析结果。为了看清缓冲器延时，需要放大波形的特定区域。在波形窗口中按住鼠标右键不放，拖出一个矩形框，框住瞬态波形中输出信号的上升部分，松开右键后，矩形框中的波形就会被放大到整个窗口。如图5.13所示：图5.13 方波放大波形于波形窗口点击菜单栏trace，然后将horiz cursor的对勾打上，此时会在当前窗口出现一条水平白线。拖动白线右边的红色头，可以上

30、下移动白线，同时窗口上方会显示出水平白线与图中三条曲线交点的坐标值，如图5.14所示。我们拖动白线到纵坐标为0.9v的位置，然后就可以读出信号in、vl、out对应的时间。同理我们也可以测出下降上升延时间tplh。图5.14 瞬态分析波形下降部分为了精确测量上升和下降延时，先点击工具栏上的“zoom fit”按钮将波形恢复原位。在菜单“marker”中点击“add”在“horiz”选项卡中的“positiion（y）”中填入900mv或0.9v，选中“show”选项，点击“ok”后在弹出的表格中可以看到各信号与900mv对应的时间，用这些时间即可计算出上升和下降延时，如图5.15所示：图5.1

31、5 瞬态分析波形中的时间标记再用工艺角“ff”和“ss”(表示pmos和nmos的速度分别为“fast，和“slow”)进行仿真，分析不同工艺角对延迟时间的影响。6、mos晶体管的i-v特性6.1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12.8所示，用到的元件符号为analoglib库中的vdc、nmos4、vdc、gnd。图6.1 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dc voltage值设为变量vgs。同样的电压源vl的值设为变量vds。如图6.2所示：图6.2 电压源的参数设置6.2输入特性 场效

32、应管的输入特性是指当漏源电压vds为常数时，漏极电流id与栅源电压vgs之间的关系。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vgs进行扫描，扫描范围从0到1.8v。vds的初始值设为1.8v。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6.3所示：图6.3 仿真设置窗口然后点netlist and run，就得到输出波形，如图6.4所示：图6.4 mos管的输入特性曲线6.3 mos管的输出特性曲线 场效应管的输

33、出特性曲线是指当栅源电压vgs为定值时，漏极电流与漏源电压vds之间的关系曲线。打开analog design environment窗口，大部分设置同前边的仿真设置，只是变量vgs的初始值为0，vds的初始值为0。注意这次dc分析所扫描的变量是vds,扫描范围为0到1.8v。设置好后如图6.5所示：图6.5 仿真设置窗口在analog design environment对话框中，点too1sparametric analysis，弹出参变量分析窗口，我们以vgs作为参变量进行仿真，如图6.6所示：图6.6 参变量分析参数设置窗口在parametric analysis窗口中，点analys

34、isstart开始扫描，如果无错则会弹出输出窗口和波形(mos管的iv输出特性曲线)。如图6.7所示：图6.7 mos管的输出特性曲线7、mos晶体管栅源电容测试实验目的：学习使用cadence仿真工具中的calculator工具，另外复习mos电容和mos管体效应的知识。7.1 mos晶体管栅源电容测试1、创建cellview 按照图7.1所示画出电路，并设置好各元件的参数。图7.1 电路图2、用和前面同样的方法设置analog design environment对话框，设好的对话框如图7.2所示：图7.23、点击netlist and run4、参量扫描在analog design en

35、vironment对话框中点toolsparametric analysis弹出parametric analysis，按如下设置好参数，然后点analysisstart。 图7.35、在analog design environment窗口中点outputsetup弹出如图7.4对话框图7.46、在图7.4对话框中点open，打开calculator对话框在calculator对话框中点infoop就会弹出如下对话框：(其中，op代表operating parameters)图7.57、点击电路图中的nmos管，然后点击图7.5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

36、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7.6 calculator窗口8、在下拉列表中选择cgs，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0p(”mo”，”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7.6所示。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7.7的波形，即nmos管的栅源电容随栅源电压变化的曲线。图7.7 栅源电容随栅源电压的变化曲线7.2体效应1、创建cellview 电路图如下，按照图

37、7.8的参数设置，设置好各元件的参数。图7.8 电路图2、设置analoge design environment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7.93、在analoge design environment对话框中，点toolsparametric analysis弹出一个新对话框：图7.104、点analysisstart，得到一组输出波形曲线。波形如下：图7.11 不同vgs下的mos管的输入特性曲线（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，这正是由于体效应的影响。7.3 mos晶体管电容测试mos晶体管电容

38、是指当晶体管的源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，在许多电路设计中我们用mos晶体管电容来代替平板电容，如双层多晶硅电容或者双层金属电容，主要原因在于mos晶体管电容单位面积的电容量很大。但mos晶体管电容的缺点是其线性度不好，电容值会随着栅电压变化而变化，在要求不高的场合，这是个不错的选择，但要特别注意栅电压的取值。下面我们对mos晶体管电容做具体分析，观察其电容和电压的关系，请大家与cgs电容作个比较。电路图还是如图7.8所示，在这里要注意电压源vl，v2的值设为零，这样漏极和源极的电位都相等，等于短接了。l、设置ade窗口设置好的对话框如图7.12所示，这里就不细

39、说了，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netlist and run。图7.12 用于分析mos晶体管电容的dc分析设置2、参量扫描对vgs做参量扫描，从-3v到3v。pa对话框的设置如图7.13所示：然后在pa对话框中点击analysis-start开始扫描。图7.133、画波形在ade窗口中，点击菜单output-setup弹出图7.14的对话框。图7.14在图7.14中，点击open，打开calculator对话框，如图7.15所示，在calculator对话框中选择info-op，这时会弹出一个select an instance的小框，这个时候在电路图

40、中选中mos管(与图7.5类似)，然后点击在seiect an instance的小框中点击list就会出现一个列表(与图7.6相似)，选择cgs，这个时候在calculator窗口中就出现了cgs的表达式，这个时候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1ist 下拉列表中再选择cgd，加负号，这个时候再点击calculator中的“+”号，这样就完成了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7.16所示的曲线。可以观察到在栅电压为vth

41、附近，电容值为最小，所以在使用mos晶体管电容时，要避免让栅压处在nmos晶体管的阈值电压。图7.15图7.16 mos管电容随栅压变化曲线从中可以看到，电容值的大小在vgs电压为0.6v左右时有个极小值，如果要想利用mos管作为电容使用，vgs的电压要大于1v，电容值才比较大。也就是说，等于nmos晶体管，做电容使用时vgs电压不能太小。8、mos晶体管共源级放大器实验目的：通过对共源放大器（包含不同负载类型，纯电阻、有源负载）做dcac和tran分析，复习有关共源级放大器的基本知识，学习如何在cadence软件中观察放大器的增益、各种不同分析的输出波形，学习在results display

42、ing window 中查看各种电路元件参数，以及放大器做参数化扫描分析。8.1启动cadence 如第二章所讲，打开命令窗口，启动candence。在自己的工作库内新建一个cellview命名为resistive_load。8.2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8.1所示，注意，vdd符号在这里只表示全局的连接关系，并不代表已经接到电源电压上了。要接电源电压还要将vdd符号接到一个vdc电压源上，就像图8.1所示的那样。图8.1纯电阻负载共源放大器电路

43、图8.3设置元件参数与vdd相连的电压源v0的电压取1.8v，电压源vl的dc voltage设为参数vl，ac magnitude设为lv(为了方便观察交流增益)。电阻 r0的阻值设为参数r1，负载电容c0的大小设为lpf。nmos管的模型为nenh，沟道宽度w为20um，栅长l为1um。设置完毕后点击工具栏上的进行保存。这些参数同学们都可以自己改动，观察有对电路有什么影响?8.4电路仿真分析8.4.1直流仿真在virtuoso原理图窗口上，选择菜单tools-anolog environment，进入ade环境，首先设置模型库，点击setup-model libraries，弹出对话框。m

44、odel library file的路径为/home/yanming/shiyan/model/huahong/spectre/cz6h_v23.scs，section处填入tt。设好后点击ok。 点击菜单variables-copy from cellview，设置变量v1和rl，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，首先设为vl=0.8v，rl=10最后设置仿真的类型，点击菜单analysis-choose，在弹出的对话框中amalysis选dc，sweep variable中选design variable，variable name填vl，sweep range中选

45、start-stop，让vl的变化范围从0v1.8v，start填0，stop填1.8。dc仿真设置如图8.2所示：图8.2 直流仿真参数设置接下来设置要观察的输出。点击菜单outputs-to be plotted-select on schematic，用鼠标点击放大器输出端所在连线作为要观察的输出。最终设置好的ade环境如图8-3所示：图8 .3 ade环境图8.4直流仿真结果点击或者菜单simulation-netlist and run，就可以看到dc仿真的波形，如图8.4所示，表明这是一个反相放大器，输入为低电平时输出高电平，输入高电平时输出低电平。中间的斜线部分是放大器能够进行放

46、大工作的区间，斜率代表的放大器的放大倍数，斜率越大，增益越高，但工作区间越小。下面我们将改变负载电阻的大小，观察负载电阻变化对共源级放大器有什么影响。点击菜单tools-parametricanalysis，在variablename中填入rl，对电阻r0进行参数分析，选择其电阻变化范围从5k50k(range type选fromto，from中填入5k，to中填入50k)，扫描步长选择10k(step control选择linear steps，step size中填入10k)，表示电阻r0的阻值从5k变化到50k，每次变化增加10k。设置好的结果如图8.5所示：图8.5参数化扫描设置图8.

47、6参数化扫描结果点击菜单的analysis-start，便可观察到如图8.6所示的结果。不同的线代表电阻值不同的时候共源级放大器的dc分析结果。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，但斜线所占的横坐标位置却越来越短，说明放大器工作区间变小，也就是允许的输入摆幅随着变小了，因此在增益和摆幅之间存在折中。这是通过大信号的dc分析，可以得出的结论。另外，大的电阻会占用很大的硅片面积，这一点也要考虑。点击菜单。results-print-dc operating points，然后在原理图窗口中点击要观察的元件，此时results displaying window

48、中就会显示出该元件此时dc分析中的各种参数，在原理图上点击mos管m0，在这里我们选择观察mos管m0，结果如图8.7所示，我们可以看到mo这个nmos晶体管的阈值电压vt，vgs，cgscgbcgd等参数的值。图8.7查看参数8.4.2交流分析交流分析观察电路的增益、相位与频率的关系。根据dc分析的结果，重新设置v1利rl的值，首先确定rl，然后确定vl，主要是要让输入的直流电平位于工作区的中间，这样可以得到最大的输入范围。这里设vl=1.05v，r1=50k。点击菜单analysis-choose，选中ac，频率扫描范围1k200m。设置好后点击就可以看到仿真结果。如图8.8所示：图8.8

49、 ac仿真结果 从图中可以看出此时放大器低频时的增益为11.5，当频率超过106hz时，增益开始下降。由公式(忽略mos晶体管的输出电阻，如果mos管的沟道长度很小，则要采用二级近似) 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。8.4.3瞬态分析瞬态分析观察电路的状态在一定的输入激励下随时间的变化而改变的情况。将上面电路中的输入电压源vdc换为正弦电压源vsin(从analoglib库中选取)，并对它的参数进行设置。设置结果如图8 .9所示，直流偏压为0.55v，振幅为10mv，频率

50、为1khz。其余参数可以不予理会。在瞬态分析中，并不管交流电压ac的振幅和相位。图8.9瞬态信号源vsin的设置结果这是一个在0.55v直流电压上叠加了的振幅为0.1mv，频率为1khz的正弦输入激励信号。(请大家思考为什么这里要加一个0.55v固定的直流电平?)其实前面实验中vdc也可以用vsin代替，只要不对其中的amplitudehe和fequence参数设置就可以了。点击菜单analysis-choose，选中tran，仿真时间设为10ms，。点击按钮进行仿真：交流仿真的输出信号瞬态波形如图8.10所示，图中可以看到其振幅为1mv。图8.10 tran仿真结果从图中正弦的幅度可以看出，

51、输入的小信号0.1mv被放大了10倍。大家可以改变一下输入正弦信号的频率，例如将频率变成1mhz，看看瞬态输出的波形会有什么变化。8.5 mos二极管接法的负载8.5.1电路图按照图8.1l所示画出用mos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anaioglib库中选取。图8.11二极管为负载的共源放大器电路电源电压v0取1.8v(vdd为1.8v)，电压源v1的dc voltage设为参数v1，ac magnitude为1v(为了方便观察增益)。nmos管的模型为nenh，沟道宽度w为20um，栅长1为1um。二极管连接的pmos

52、管取模型为penh，沟道宽度w为10um，栅长1为1um。负载电容co的大小为lpf。设置完毕后点击工具栏上的按钮进行保存。(晶体管尺寸，和负载大小大家可以改动)。8.5.2电路仿真进入ade环境，首先对model文件进行设置(与前面的设置相同)。然后调入变量v1，设置vl=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一1.8v。开始做dc仿真。仿真结果如图8.12所示：图8.12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v1choose，选中ac项，频率扫描范围为lk200m。开始仿真。仿真结果如图

53、8.14所示。图8.14ac仿真结果在results displayingwindow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1gm16.7kn。作为输入器件的mos管的跨导gm=2879u，根据公式：可以算出au4.6和图中显示的增益相同。另由公式 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。然后进行瞬态分析。分析结果如图8.15所示，可以算出输出波形是

54、输入信号幅值的放大倍数。同样可以改变输入信号的频率，观察输出的变化。图8.15 tran扫描结果8.6电流源负载的共源级8.6.1电路图新建一个cellview命名为current_source_load，如图8.16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、idc和vdd从analoglib库中选取。图8 .16以电流源为负载的共源级放大器电源电压v0取3.3v，v1的dc vollage设为参数v1，交流电压ac magnitude为lv。nmos管模型为nenh沟道宽度w为10um，栅长l为1um。作为电流源的pmos管取模型为penh，沟道宽度w为20um，栅长l为1um。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。8.6.2电路仿真进入ade环境，首先对moclel文件进行设置。然后调入变量v1。将m1的偏置电压v1设为0.9 v，因为smic018工艺库下的阈值电压vth0.4v，所以ml管的过驱动电压vod0.5v。对直流仿真进