实验三-MOS管参数仿真及Spice学习

现在常用的SPICE仿真软件为方便用户使用都提供了较好的用户界面，在用仿真库中的元器件连成原理图后就可以进行仿真（当然要设置必要的仿真参数），但实际上只是用原理图自动产生了SPICE的格式语句，还是要通过读取语句来进行仿真，这是历史的遗留问题。

在当时的技术条件下，不能用图形方式输入电路结构，只能通过文本文件来描述，也就是所谓网表。

SPICE软件的设计者规范了要进行仿真的电路对应的SPICE网表文件格式，还定义了许多仿真描述语句和分析控制语句等，使仿真软件能通过读取这些特殊信息来进行相关计算和运行，最后获得要求的结果。

因为技术的进步，虽然现在已经不需要手工书写并输入网表了，但了解一些基本语句还是很有用的，不仅可以理解仿真时要设置的那些参数的含义，而且在出错时还易于通过网表来排错。

SPICE网表文件是文本文件，默认的输入文件名为：*.cir因为目前各个版本的SPICE软件都已图形化，并增加了很多功能，所以产生的语句顺序和格式有了一些变化，但主要是以*开头的注释语句的不同变化，便于阅读和模块化，而基本的语句变化不大，包括以下几种：1) 标题语句：网表文件第一行为标题语句，由任意字符串和字母组成，软件并不处理，而是直接在输出文件中作为第一行打印出来2) 注释语句：由*开头的字符串，为文件的说明部分，为方便阅读而在自动产生的SPICE网表文件中大量存在3) 电路描述语句：定义电路拓扑结构和元器件参数的语句，由元器件描述语句、模型描述语句、电源语句等组成4) 电路特性分析和控制语句：以.开头的语句，描述要分析的电路特性及控制命令5) 结束语句：即.END ，标志电路描述语句的结束，在文件最后一行（最后将会给出SPICE网表文件的例子）一、电路描述语句：是SPICE网表文件中最多也最复杂的，有以下一些规定：1) 名称：为字符串，只有前8个字符有效，其中第一个字符必须为A--Z的字符，且有固定含义，对应不同类型的元件2) 数字：有几种形式，整数、浮点数、整数或浮点数加上整数指数、浮点数或整数后面加上比例因子常用的比例因子：有T、G、MEG、K、M、U、N、P、F、MIL等，不分大小写3) 分隔符：有空格、逗号、等号、左括号、右括号等4) 续行号：“+”，一行最多只能有80字符，如一行无法表达完全，可在第二行起始加+号，表示是前一行的继续5) 单位：使用国际标准单位制，语句中缺省6) 规定支路电流的正方向和支路电压的正方向一致7) 节点编号：可以是任意的数字或字符串，节点0规定为地，不允许有悬浮的节点，即每个节点对0节点都必须有直流的通路。

2002.5半导体器件4.61第四章MOSFET4.6 MOSFET 模型2002.5半导体器件4.624.6 MOSFET 模型本节内容MOSFET 模型简介MOS1和MOS2模型及模型参数介绍 电容模型（介绍Meyer 电容模型）模型参数提取2002.5半导体器件4.634.6.1 MOSFET 模型简介MOSFET 模型发展至今，已有五十多个模型。

下面简单介绍几个有代表性的模型：Level 1 ——MOS1模型（Shichman-Hodges 模型），该模型是Berkley SPICE 最早的MOST 模型，适用于精度要求不高的长沟道MOST 。

电容模型为Meyer 模型，不考虑电荷贮存效应Level 2 ——MOS2模型，该模型考虑了部分短沟道效应，电容模型为Meyer 模型或Ward-Dutton 模型。

Ward-Dutton 模型考虑了电荷贮存效应。

2002.5半导体器件4.644.6.1 MOSFET 模型简介Level 3 ——MOS3模型，为半经验模型，广泛用于数字电路设计中，适用于短沟道器件，对于沟道长度≥2µm 的器件所得模拟结果很精确。

BSIM 模型——B erkeley S hort-Channel I GFET M odel 。

BSIM 模型是专门为短沟道MOST 而开发的模型。

目前已经发展到BSIM4模型。

Level 4 ——BSIM1模型，适合于L ≈1µm ，t ox ≈15nm 的MOSFET 。

4.6.1 MOSFET 模型简介BSIM1模型考虑了小尺寸MOST 的二阶效应包括 垂直电场对载流子迁移率的影响； 速度饱和效应；DIBL （漏场感应势垒下降）效应； 电荷共享；离子注入器件的杂质非均匀分布； 沟道长度调制效应； 亚阈值导电；参数随几何尺寸的变化基本公式是萨方程的修正4.6.1 MOSFET 模型简介HSPICE Level 28 ——改进的BSIM1模型，适用于模拟电路设计，目前仍有广泛应用。

MOS管相关仿真实验报告
一．MOS管共源放大电路仿真（基本要求）
电路如右图所示，
注意：1）设置静态工作点时，调整电位器Rp，使Vd为5~6V.
2）仿真时输出端必须接负载，否则会报错（可以将阻值设为很大的值来仿真开路情况）
放大电路仿真验证设计与仿真要求
(1)电路图
(2)静态工作点:ID、VGs、Vs
得ID=1.34862mA，VGs=2.16362V，Vs=1.41740V
(3)输入、输出电压波形,并计算电压增益A
即得电压增益为Av=45.4773
(4)幅频响应曲线:db((vo)(vs:+),测中频增益、上限频率fH和下限频率fL
如图，由图可知，测得中频增益为45.5854，上限频率fH=797.844kHz，下限频率fL=33.4688Hz (5)相频响应曲线:Vp(Vo)-p(vs:+)或p(V(vo)/Vvs:+))
(6)输入电阻的频率响应:Ri—V(v(i))/I(Vs)
(7)输出电阻的频率响应:Ro—V(V(o))/I(Vs)
(8)非线性失真现象
1)将Rp调整为最大值,做静态分析和瞬态分析,记录静态工作点和波形。

静态分析如下
瞬态分析如下
2)将Rp调整为最小值(不能为0,0是非法值),再做静态分析和瞬态分析,记录静态工作点和波形。

(如果发现没有失真,可以增大输入信号幅值。

)
静态分析如下
瞬态分析如下
由于此时失真不明显，故将输入振幅调至9V得到波形如下
得到明显失真图像。

选做部分
二．MOS管特性曲线仿真任务一：MOSFET输出特性曲线仿真
任务二：MOSFET转移特性曲线仿真。

实验三-MOS管参数仿真及Spice学习一、实验介绍本次实验的主要内容是对MOS管参数进行仿真，并通过Spice软件进行电路模拟，掌握MOS管参数和Spice软件的使用方法。

本实验主要包括以下内容：1.MOS管参数的基本概念和理论知识2.PSpice软件的使用方法3.MOS管参数的仿真实验二、MOS管参数的基本概念和理论知识MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）是一种常用的半导体器件，广泛应用于数字电路、模拟电路和功率电子器件等领域。

MOS管中最常用的参数有场效应迁移率，漏极电阻，漏极导纳，截止电压等。

下面分别介绍这些参数的定义和作用。

1.1 场效应迁移率场效应迁移率是描述MOS管输出特性的重要参数，通常用符号μ表示，单位为cm2/Vs，是指电子在沟道中移动的速度与电场强度之比。

MOS管的场效应迁移率与沟道电阻、沟道长度、衬底材料等因素有关，一般情况下，迁移率越高，MOS管的性能越好，但也需要考虑其他因素的影响。

1.2 漏极电阻漏极电阻是指当MOS管工作在 saturation 区时，漏极电压变化时引起的漏极电流变化的比值，通常用符号rds表示，单位为欧姆。

MOS管的漏极电阻直接影响其输出电压的变化范围，漏极电阻越大，输出信号的电压变化范围就越小，反之亦然。

1.3 漏极导纳漏极导纳是指MOS管漏极电阻的导纳值，通常用符号Gds表示，单位为S （西门子）。

MOS管的漏极导纳与漏极电阻成反比，漏极电阻越小，漏极导纳越大，输出信号的电压变化范围也就越大。

1.4 截止电压截止电压是指当MOS管工作在截止区时，栅源电压达到的最大值，超过这个值后MOS管就会进入饱和状态，通常用符号VGS(off)表示，单位为伏特。

MOS管的截止电压与其工作状态有关，在设计电路时需要合理选择MOS管的截止电压，以确保电路的正常工作。

以上是MOS管常用的几个参数，这些参数的选择和设计对电路的性能和稳定性都有很大的影响，需要仔细考虑。

微电子实验报告姓名：范喆学号：201208070204院系：信息科学与工程学院班级：智能1202实验一 二极管、稳压管的仿真模型与正反向特性测试 实验内容：1. 设计二极管、稳压管的仿真模型。

2. 用仿真软件分析二极管、稳压管的正反向特性。

实验分析：二极管伏安特性是指二极管两端电压与其电流之间的关系，主要特点是单向导电性及非线性，并且易受温度影响。

二极管的伏安特性测试电路可以设计成如下图所示。

用交变电源获得可变的电压，将二极管与电阻串联，将示波器的A 通道接在二极管两端，测量出的是二极管两端的电压1D A V V =，将示波器的B 通道接在电阻的两端，测出的是电阻两端的电压1R B V V =，由于1111D R R I I R V ==,所以B V 与I D1成正比，所以切换到示波器的B/A 模式就可以观察到二级管的V-I 特性曲线了。

同理，稳压管的设计图如下。

仿真结果：（二极管）仿真后得到的二极管的V-I特性曲线如图：（由于整体的图像太大，不是很直观，因此把V-I的正向和反向特性曲线的放大图也放上来）（稳压管）仿真后得到的稳压管的V-I特性曲线如图对稳压管的反向击穿特性放大如图实验体会及注意事项二极管的仿真实验设计几经反复，首先是在原理图的设计上就否决了好多个思路，从直流电源的扫描分析改成交流电源；在测量方面，刚开始采用的是电压表和电流表，但是苦于无法绘制曲线，最后改成了方便的示波器。

实验过程中由于参数选取不当，导致出现了多次的仿真错误。

最后得到的教训是：在选取了某个型号的二极管的后要先查找它的理论参数，然后估算需要的串联电阻大小和电源电压，以免出现不必要的错误。

对仿真后的曲线分析可知：二级管和稳压管的仿真曲线基本类似，区别在于加上反向电压时，稳压管的反向击穿曲线更陡，说明稳压管的稳压特性好。

实验二负反馈放大电路参数的仿真分析下面来研究负反馈对放大电路的影响。

1.实验电路为了研究负反馈对放大电路的影响，首先，要建立起一个实验电路，下图分立元件组成的二级放大电路，采用DIN。

实验三MOS管参数仿真及Spice学习刘翔 10214070一、实验内容和要求。

实验内容：（1）使用S-Edit绘制电路图，将其转换成Spice文件。

（2）利用T-Spice的对话框添加仿真命令。

（3）利用W-Edit观察波形。

实验要求：（1）利用Tanner软件中的S-Edit、T-Spice和W-Edit，对NMOS管的参数进行仿真。

NMOS器件的T-Spice参数仿真内容如下：a. MOS管转移特性曲线（给定VDS、W、L，扫描VGS）。

b. MOS管输出特性曲线（给定VGS、W、L，扫描VDS）。

c. 温度对MOS管输入/输出特性的影响（给定VGS、VDS、W、L，扫描Temp）。

d. MOS管W对输入/输出特性的影响（给定VGS、VDS、W/L，扫描W）。

e. MOS管L对输入/输出特性的影响（给定VGS、VDS、W/L，扫描L）。

f. MOS管W/L对输入/输出特性的影响（给定VGS、VDS、L，扫描W）。

g. MOS管开关电路输入/输出波形（输入一定频率的方波）。

h. 在MOS管开关电路输入/输出波形中找出传输时间、上升时间和下降时间。

i. MOS管开关电路传输特性曲线。

j. MOS管W/L对传输特性的影响（给定L、扫描W）。

k. 在MOS管传输特性曲线上找出测量输入、输出电压门限，计算噪声裕度。

（2）记录操作步骤，截取相应图片，完成实验报告。

二、实验环境、Tanner软件简介及SPICE命令。

实验环境：Tanner（S-Edit、T-Spice、W-Edit）SPICE命令的插入：Edit —Insert Command命令或工具栏中的，打开T-Spice Command Tool（T-Spice命令工具）对话框，可以在活动输入文件中插入命令。

三、实验流程框图。

四、实验步骤。

1.在S-Edit中绘制电路原理图，导出SPICE文件。

（1）新建一个文件，新建一个模块，module-new，添加所需要的工艺库。

/ 这个网站提供了一些电路仿真软件的教程，可以看下。

<h2>原理图schematic </h2><h3>元件</h3>LTSpice提供了nmos（pmos）和nmos4（pmos4）两种nmos（pmos）。

其中nmos（pmos）表示衬底（B）和源极（S）相连。

mos和mos4能调整的属性不同，如图：本例中要设置mos管的W=0.18u，L=0.18u，选用nmos4和pmos4。

<h3>布线</h3>如图：1.其中，mos管Gate靠近的那一极好像是Source，所以PMOS要ctrl+R，ctrl+R， Ctrl+E。

2.注意加电路名称，功能（如果需要），参数设定。

<h2>封装</h2>电路设计采用层次化的方式，为了上层电路的调用，往往把底层的电路做好后进行封装，其实进行封装不仅有利于上层电路调用，还有利于测试。

建一个New Symbol，该Symbol里的pin的名称必须和封装电路中的一样。

ctrl + A( Attribute Editor) 中Symbol Type选Block，其他都保持不填。

与.asc文件放入同一文件夹。

注意：令.asy和.asc文件命名相同，并放在一个文件夹下即可，不需特别关联。

<h2>仿真</h2><h3>仿真类型</h3>（1）模拟电路仿真分析类型对于模拟电路，输入正弦波信号进行分析，仿真分析类型主要有静态工作点分析、小信号模型分析、噪声分析等。

（2）数字电路仿真分析类型对于数字电路，输入脉冲波形进行仿真分析，仿真分析类型主要有时序分析（采用瞬态分析控制）。

<h3>接入信号源</h3>用独立电压源Voltage做激励信号源，信号源设为pulse, Von = 5, Ton = 1m, Tperiod = 2m，其他为零。