实验3/4 反相器的特性
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1、实验目的
1.了解反相器的电路结构和版图结构。
2.理解反相器的开关阈值。
3.理解反相器延时与电源和器件尺寸的关系。
4.理解反相器链的延时与器件尺寸的关系。
2、实验容
1.画出一个双阱工艺反相器的版图示意图（不严格要求尺寸和比例关系，画出阱、扩散区、
多晶栅极、栅接触孔、源极漏极接触孔、金属即可）。
2.一个0.25um工艺的反相器，NMOS管的尺寸为L = 0.250um，W = 0.375um；PMOS管的尺
寸为L = 0.250um，W = 1.125um。
a) 电源为2.5V ，从0到2.5V 扫描输入电压vin ，观察输出电压vout ，找到开关阈值； b) 仅修改PMOS 管的W = 2.750um ，找到此时的开关阈值；
c) 恢复PMOS 管尺寸W = 1.125um ，电源分别为2.5V 、1.5V 、1V ，观察pHL t 和pLH t （50%
到50%）；
d) 修改PMOS 管的W = 0.750um ，电源为2.5V ，观察pHL t 和pLH t （50%到50%）。 3. 四个反相器级联，所有的NMOS 管的尺寸为L = 0.250um ，W = 0.375um ；所有的PMOS 管
的L = 0.250um ；电源为2.5V 。
a) 第一个反相器的PMOS 管W = 1.125um ，第二个反相器的PMOS 管W = 1.875um ，第三
个反相器的PMOS 管W = 3.000um ，第四个反相器的PMOS 管W = 5.250um ； b) 四个反相器的PMOS 管均为W = 1.125um ； c) 四个反相器的PMOS 管均为W = 1.875um ； d) 四个反相器的PMOS 管均为W = 3.000um ； 观察四种情况下反相器链的pHL t 和pLH t 。
一、双阱工艺反相器的版图示意图
双阱工艺反相器的版图示意图如图1.1所示
图1.1
二、单个反相器
2.1 电源为2.5V，从0到2.5V，仿真图形如图2.1
图2.1
从图2.1可以看出在上述条件下的开关阈值大约为：1.25V
2.2 修改PMOS管的W = 2.750um，其他条件保持不变，此时的仿真波形如图2.2.
图2.2
从图2.2可以看出在上述条件下的开关阈值为1.42V
2.3 恢复PMOS 管尺寸W = 1.125um ，电源分别为2.5V 、1.5V 、1V ，此时的仿真波形分别如图
2.3，图2.4以及图2.5，其pHL t 和pLH t 分别如图中的箭头所示。
图2.3
图2.4
图2.5
2.4 修改PMOS管的W = 0.750um，电源为2.5V，此时的仿真波形如图2.6
图2.6
三、四个反相器级联
3.1 第一个反相器的PMOS管W = 1.125um，第二个反相器的PMOS管W = 1.875um，第三个反相器的PMOS管W = 3.000um，第四个反相器的PMOS管W = 5.250um，其实仿真图形如图3.1
图3.1
3.2四个反相器的PMOS管均为W = 1.125um，此时的仿真波形如图3.2
图 3.2
3.3 四个反相器的PMOS管均为W = 1.875um，此时的仿真波形如图3.3
图 3.3
3.4四个反相器的PMOS管均为W = 3.000um，此时的仿真波形如图3.4
图3.4
四、结论
从图3.1到图3.4可以看出，随着工艺尺寸的减小，反相器的延时也随之变小。对比单个反相器和四个反相器级联的情况我们可以发现，输出电压跳变变得陡峭，其pHL t 和pLH t 也比单个反相器要长。同时可以看出，随着电压的下降，其pHL t 和pLH t 也随之增大。
附录
一、单个反相器的程序*YBZC
.LIB 'cmos25_level49.txt' TT
*.MODEL n1 NMOS LEVEL=3 THETA=0.4 ...
*.MODEL p1 PMOS LEVEL=3 ...
VDD VDD 0 2.5
*VPULSE VIN 0 PULSE 0 5 2N 2N 2N 98N 200N
*VSIN VIN 0 SIN(0 2.5 1xHZ)
VIN VIN 0 0
VGND GND 0 0
M1 VOUT VIN VDD VDD pMOS L=0.25U W=1.125U
M2 VOUT VIN GND GND nMOS L=0.25U W=0.375U
.DC VIN 0 2.5 0.1
*.TRAN 1N 0.25U
.OPTION POST=PROBE
.PROBE V(VIN) V(VOUT)
.END
说明：根据题目要求不同，只需修改上诉参数的值即可
二、四个反相器级联的程序
*YBZC
*.MODEL n1 NMOS LEVEL=3 THETA=0.4 ...
*.MODEL p1 PMOS LEVEL=3 ...
*.PARAM WN=2U WP=2U LP=2U LN=2U
.LIB 'cmos25_level49.txt' TT
VDD VDD 0 2.5
*VPULSE VIN 0 PULSE 0 5 2N 2N 2N 98N 200N
*VSIN VIN 0 SIN(0 2.5 1xHZ)
VIN VIN 0 0
VGND GND 0 0
M1 VOUT1 VIN VDD VDD pMOS L=0.25U W=1.125U
M2 VOUT1 VIN GND GND nMOS L=0.25U W=0.375U
M3 VOUT2 VOUT1 VDD VDD pMOS L=0.25U W=1.125U M4 VOUT2 VOUT1 GND GND nMOS L=0.25U W=0.375U
