实验5 运算放大器的HSPICE仿真

武汉大学电工电子实验教学示范中心集成电路设计实验实验报告电子信息学院学院电子信息工程专业2014 年 6 月 5 日图1三. 实验设备与软件平台微型计算机，Synopsys Hspice。

二、实验操作部分1．实验数据、表格及数据处理（综合结果概要、仿真波形图、时序分析结果、signalTAPII 结果等）2．实验操作过程（可用图表示）3．结论四. 实验内容1. 设计一个由NMOS 和PMOS 管组成的CMOS 反相器电路，对所设计CMOS 反相器进行瞬态仿真；2. 设计一个CMOS 线型放大器电路，对所设计CMOS 线型放大器进行仿真。

五. 实验步骤1．CMOS 反相器仿真实验（1）在Windows平台下找到Hspice软件所在目录，C:\ - synopsys - Hspice2005.03，在Hspice2005.03文件夹中新建文本文档，编辑CMOS 反相器仿真程序并保存为test1.sp文件。

（2）启动hspice_mt，点击菜单File - Simulate运行仿真，保存输入输出文件。

图2 图3使用文本编辑器查看test1.lis 和test1.st0文件并分析这两个文件，查看仿真结果。

（3）启动AvanWaves W-2005.03，在AvanWaves 程序主窗口中，点击菜单Design->Open-> 选择test1.sp文件->OK->出现"Results Browser"窗口。

在"Results Browser"窗口中，选择“Transient: Invertertran circuit”，在“Types”中选择“Voltages”，在“Curves”中双击“v(in”和“v(out”，则AvanWaves 程序主窗口中出现相应电压波形，点击“Close”关闭"Results Browser"窗口。

电路模拟实验专题实验文档一、简介本实验专题基于SPICE（Simulation Program With Integrated Circuit）仿真模拟，讲授电路模拟的方法和spice仿真工具的使用。

SPICE仿真器有很多版本，比如商用的PSPICE、HSPICE、SPECTRE、ELDO，免费版本的WinSPICE，Spice OPUS等等，其中HSPICE和SPECTRE功能更为强大，在集成电路设计中使用得更为广泛。

因此本实验专题以HSPICE和SPECTRE作为主要的仿真工具，进行电路模拟方法和技巧的训练。

参加本实验专题的人员应具备集成电路设计基础、器件模型等相关知识。

二、Spice基本知识(2)无论哪种spice仿真器，使用的spice语法或语句是一致的或相似的，差别只是在于形式上的不同而已，基本的原理和框架是一致的。

因此这里简单介绍一下spice的基本框架，详细的spice语法可参照相关的spice教材或相应仿真器的说明文档。

首先看一个简单的例子，采用spice模拟MOS管的输出特性，对一个NMOS管进行输入输出特性直流扫描。

V GS从1V变化到3V，步长为0.5V；V DS从0V变化到5V，步长为0.2V；输出以V GS为参量、I D与V DS之间关系波形图。

*Output Characteristics for NMOSM1 2 1 0 0 MNMOS w=5u l=1.0uVGS 1 0 1.0VDS 2 0 5.op.dc vds 0 5 .2 Vgs 1 3 0.5.plot dc -I(vds).probe*model.MODEL MNMOS NMOS VTO=0.7 KP=110U+LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7.end描述的仿真电路如下图，图2-1 MOS管输入输入特性仿真电路图得到的仿真波形图如下图。

从这个简单的spice程序中可以知道spice电路描述的主要组成部分。

hspice仿真整理教程文件h s p i c e仿真整理§电路级和行为级仿真§直流特性分析、灵敏度分析§交流特性分析§瞬态分析§电路优化（优化元件参数）§温度特性分析§噪声分析例(Hspice netlist for the RC network circuit)：.title A SIMPLE AC RUN.OPTIONS LIST NODE POST.OP.AC DEC 10 1K 1MEG.PRINT AC V(1) V(2) I(R2) I(C1)V1 1 0 10 AC 1R1 1 2 1KR2 2 0 1KC1 2 0 .001U.END输出文件：一系列文本文件*.ic ：initial conditions for the circuit*.lis ：text simulation output listing*.mt0,*.mt1… ：post-processor output for MEASURE statements*.pa0 ：subcircuit path table*.st0 ：run-time statistics*.tr0 ,*.tr1…：post-processor output for transient analysis*.ac0,*.ac1…: post-processor output for AC analysis.TITLE 语句.TITLE或者：如果是第二种形式，字符串应该是输入文件的首行；如果一个HSPICE语句出现在文件的首行，则它将被认为是标题而不被执行。

.END 语句形式： .END在 .END语句之后的文本将被当作注释而对模拟没有影响。

分隔符包括：tab键，空格，逗号，等号，括号元件的属性由冒号分隔，例如 M1:beta级别由句号指示，例如 X1.A1.B 表示电路X1的子电路A1的节点B常量M－毫，p－皮，n－纳，u－微，MEG－兆,例如c1 1 2 10pF；单位可以省略，例如c1 1 2 10p元件名元件名以元件的关键字母开头:电阻－R，电容-C……子电路的名字以“X”开头元件名不超过16个字符节点节点名长度不超过16个字符，可以包括句号和扩展名开始的零将被忽略：节点名可以用下列符号开始：# _ ! %节点可以通过.GLOBAL语句定义成跨越所有子电路的全局节点：.GLOBAL node1 node2 node3 …node1 node2 node3都是全局节点，例如电源和时钟名节点0，GND, GND!, GROUND 都指全局的地电位节点元件语句：器件的类型+名称器件所连接的节点参数值无源器件：电阻：Rxxx n1 n2 resistance电阻值可以是表达式。

电路模拟实验专题实验文档一、简介本实验专题基于SPICE（Simulation Program With Integrated Circuit）仿真模拟，讲授电路模拟的方法和spice仿真工具的使用。

SPICE仿真器有很多版本，比如商用的PSPICE、HSPICE、SPECTRE、ELDO，免费版本的WinSPICE，Spice OPUS等等，其中HSPICE和SPECTRE功能更为强大，在集成电路设计中使用得更为广泛。

因此本实验专题以HSPICE和SPECTRE作为主要的仿真工具，进行电路模拟方法和技巧的训练。

参加本实验专题的人员应具备集成电路设计基础、器件模型等相关知识。

二、Spice基本知识(2)无论哪种spice仿真器，使用的spice语法或语句是一致的或相似的，差别只是在于形式上的不同而已，基本的原理和框架是一致的。

因此这里简单介绍一下spice的基本框架，详细的spice语法可参照相关的spice教材或相应仿真器的说明文档。

首先看一个简单的例子，采用spice模拟MOS管的输出特性，对一个NMOS管进行输入输出特性直流扫描。

V GS从1V变化到3V，步长为0.5V；V DS从0V变化到5V，步长为0.2V；输出以V GS为参量、I D与V DS之间关系波形图。

*Output Characteristics for NMOSM1 2 1 0 0 MNMOS w=5u l=1.0uVGS 1 0 1.0VDS 2 0 5.op.dc vds 0 5 .2 Vgs 1 3 0.5.plot dc -I(vds).probe*model.MODEL MNMOS NMOS VTO=0.7 KP=110U+LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7.end描述的仿真电路如下图，图2-1 MOS管输入输入特性仿真电路图得到的仿真波形图如下图。

从这个简单的spice程序中可以知道spice电路描述的主要组成部分。

电路原理图设计及Hspice仿真实验报告学生姓名：学号：指导老师：实验内容：用EDP原理图设计软件设计出两级运算放大器的电路图用Hspice软件完成此两级运算放大器的仿真实验地点：***实验室实验时间：2009年9月——2009年12月实验任务：根据运算放大器的设计要求(单位增益带宽、相位裕量、输入等效噪声、功耗等)，选择电路结构，详细分析了CMOS 运算放大器的所有性能参数，使用Level one 模型进行手工计算，设计出器件的几何尺寸，最后通过Hspice 仿真软件给出了性能指标的仿真结果。

实验思路：两级运放可以同时实现较高增益和较大输出摆幅，其设计思路是将增益和摆幅要求分别处理，而不是在同一级中兼顾增益与摆幅。

即运用第一级放大器得到高增益，可以牺牲摆幅，第二级放大器主要实现大输出摆幅，以补偿第一级牺牲的摆幅，并进一步提升增益，从而克服了单级运放增益与摆幅之间的矛盾，同时实现高增益和大摆幅。

实验指标：开环增益≥80DB；共模抑制比≥60DB；相位裕度≥60°；实验步骤：一、用EDP原理图设计软件设计两级运算放大器的电路图，电路图如图一所示：图一：CMOS两级运算放大器电路图1、电路工作原理：信号由差分对管两端输入，差模电压被转化为差模电流，差模电流作用在电流镜负载上又转化成差模电压，信号电压被第一次放大后被转化为单端输出，随即进入共源级再一次被放大后从漏端输出。

电路特点是通过两级结构可以同时满足增益和输出摆幅的要求，即第一级提供高增益，可以牺牲摆幅，第二级弥补摆幅，同时进一步增大增益。

2、电路主体结构由两个两个单级放大器构成，分别是：差分输入级和共源增益级。

辅助电路为偏置电路和频率补偿电路。

差分输入级采用PMOS 输入对管，NMOS 电流镜负载；共源级采用NMOS 放大管，PMOS 负载管；由六个MOS 管和一个电阻构成的电流源为两级放大电路提供偏置，另外还为频率补偿MOS 管提供偏压；一个NMOS 管和一个电容构成频率补偿电路，连接在共源级的输入输出之间作为密勒补偿。

实验五、电路包络仿真概述这节主要讲述了电路包络(Circuit Envelop)仿真的基础。

针对输入信号是脉冲或诸如GSM、CDMA调制信号，对输出信号作时域和频域仿真。

任务●运用一个特性放大器，设置电路包络与仿真●试验仿真参数●测试失真●使用解调元件和方程●仿真具有GSM信号的1900MHz放大器●作出载波和基带信号数据图形●在频域和时域对数据组进行操作目录1.创建一个PtRF源和特性放大器(behavioral Amp) (133)2.设置包络仿真控制器 (133)3.仿真并作出时域响应图 (134)4.在特性放大器中加入失真 (135)5.设置一个解调器和一个G S M 源 (137)6.设置带变量的包络仿真 (138)7.仿真并对解调结果作图 (138)8.用一个滤波器对相位失真进行仿真 (139)9.仿真并作出输入和输出调制曲线 (140)10.对具有GSM的amp_1900源进行仿真 (140)11.作出GSM信号数据和频谱图 (141)12.选作—信道功率计算 (145)步骤1．创建一个PtRF源和特性放大器（behavioral Amp）。

a．在amp_1900任务中，新建一原理图并以ckt_env_basic命名．用下面的步骤建立一个电路图，如一下图所示。

b．从system-Amp＆Mixers面板中，调出一个特性放大器（Amplifier）。

如下图设置S参数：S21=l0dB，其相位为0度（dB和相位用逗号分开）。

S11和S22是-50dB（回波损失或失配衰减）和0度相位。

最后，S12也被设置为0，表明没有反向泄漏（reverse leakage)。

确保对S21，S 11和S22使用dbpolar函数，如下图所示。

备注：dbpolar函数是一个把幅度以dB和极化角为度表示的复数转换成用实部和虚部表示复数的函数。

c．插入一个PtRF-Pulse己调制源，并设置功率为P=dbmtow(0）和Freq=900MHz，同时，编辑下列设置并确保每一个设置的display框都打了勾：OffRatio（超比率）=0, Delay（时延）=0ns，Rise time（上升时间）=5ns, Fall time（下降时间）=10 ns，Pulse Width（脉冲宽度）=30 ns和Period（周期）=100 ns。

电路模拟实验专题实验文档一、简介本实验专题基于SPICE（Simulation Program With Integrated Circuit）仿真模拟，讲授电路模拟的方法和spice仿真工具的使用。

SPICE仿真器有很多版本，比如商用的PSPICE、HSPICE、SPECTRE、ELDO，免费版本的WinSPICE，Spice OPUS等等，其中HSPICE和SPECTRE功能更为强大，在集成电路设计中使用得更为广泛。

因此本实验专题以HSPICE和SPECTRE作为主要的仿真工具，进行电路模拟方法和技巧的训练。

参加本实验专题的人员应具备集成电路设计基础、器件模型等相关知识。

二、Spice基本知识(2)无论哪种spice仿真器，使用的spice语法或语句是一致的或相似的，差别只是在于形式上的不同而已，基本的原理和框架是一致的。

因此这里简单介绍一下spice的基本框架，详细的spice语法可参照相关的spice教材或相应仿真器的说明文档。

首先看一个简单的例子，采用spice模拟MOS管的输出特性，对一个NMOS管进行输入输出特性直流扫描。

V GS从1V变化到3V，步长为0.5V；V DS从0V变化到5V，步长为0.2V；输出以V GS为参量、I D与V DS之间关系波形图。

*Output Characteristics for NMOSM1 2 1 0 0 MNMOS w=5u l=1.0uVGS 1 0 1.0VDS 2 0 5.op.dc vds 0 5 .2 Vgs 1 3 0.5.plot dc -I(vds).probe*model.MODEL MNMOS NMOS VTO=0.7 KP=110U+LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7.end描述的仿真电路如下图，图2-1 MOS管输入输入特性仿真电路图得到的仿真波形图如下图。

从这个简单的spice程序中可以知道spice电路描述的主要组成部分。