低功耗集成电路设计课程上机实验报告

低功耗集成电路设计

上机实验报告

课程名称 低功耗集成电路设计

任课教师 肖立伊

学 生 黄庆丰

学 号 11SG21908

目 录

实验一 MOS管阈值电压随衬底偏置电压变化的模拟与分析 .................................................... 1

1. 实验条件 ........................................................................................................................... 1

2. 实验过程 ........................................................................................................................... 1

3. 产生机理及用途 ............................................................................................................... 1

实验二 MOS管亚阈值漏电流随漏源电压变化的模拟与分析 ............................................. 3

1. 实验条件 ........................................................................................................................... 3

2. 实验过程 ........................................................................................................................... 3

3. 产生机理及用途 ............................................................................................................... 3

实验三 晶体管堆叠效应减少漏电流的模拟与分析 ............................................................... 4

1. 实验条件 ........................................................................................................................... 4

2. 实验过程 ........................................................................................................................... 4

3. 产生机理及用途分析 ....................................................................................................... 5

实验四 电平转换触发器设计 .................................................................................................. 6

1. 主从电平转换器 ............................................................................................................... 6

1) 设计过程 ................................................................................................................... 6

2) 模拟结果 ................................................................................................................... 7

2. 脉冲预充触发电平转换器 ............................................................................................... 8

1) 设计过程 ................................................................................................................... 8

2) 模拟结果 ................................................................................................................... 9

3. 电平转换器用途 ............................................................................................................. 10

实验五 偏置电压对6管存储单元功耗影响的模拟与分析 ................................................. 11

1. 设计过程 ......................................................................................................................... 11

2. 功能模拟及功耗分析 ..................................................................................................... 11

3. 降低功耗原理 ................................................................................................................. 11

低功耗集成电路设计上机实验报告：黄庆丰

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实验一 MOS管阈值电压随衬底偏置电压变化的模拟与分析 1. 实验条件

工艺 器件模型 器件宽长 电源电压 零偏时的阈值电压 仿真温度

smic90nmCMOS N10 1um/100nm 1.0V 243.2mV 25oC

2. 实验过程

在本实验中，我们采用smic90nm工艺库中的型号为N10的NMOS管进行

阈值电压与衬底偏置的分析，其中衬底偏压VB从-1V线性变化至1V。其电路

原理图如下：

图 1 实验一仿真原理图

用Spectre进行仿真，我们得到了下图的仿真结果。

图 2阈值电压随衬底电压变化

如所示，在零偏时，器件的阈值电压243.2mV，而随着衬底电压从-1V至1V

的线性变化过程中，器件阈值电压也从320mV降至15mV，由此可见，衬底偏

置能够显著改变阈值电压的变化。

3. 产生机理及用途

MOS器件能够导电的原因是在栅氧化层下面形成反型层，从而形成导电沟

道所致，而在衬底与源极之间施加负向偏压时将使沟道感应结上的压降增大，表

面耗尽层的宽度增加，使得空间电荷区的负空间电荷增加，此时只有增加栅压才

能维持强反型的条件，因而阈值电压增大，同理，当施加正向电压时，栅压降低，

阈值电压下降。

阈值电压并不是一个恒定的参数，它将受到诸多参数的影响。其中，衬底偏低功耗集成电路设计上机实验报告：黄庆丰

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置效应影响最大。我们可以通过控制衬偏电压而增大或者减小器件的阈值电压。

因此这为我们提供了一个在性能与漏电方面的折中的办法。但是我们需要注意的

是，在施加反相偏压时，不能超过0.6V。如果超过0.6V时，电流将直接从源极

流入衬底，从而降低晶体管的增益。 低功耗集成电路设计上机实验报告：黄庆丰

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实验二 MOS管亚阈值漏电流随漏源电压变化的模拟与分析

1. 实验条件

工艺 器件模型 器件宽长 电源电压 仿真温度

smic90nmCMOS N10 1um/100nm 1.0V 25oC

2. 实验过程

在本实验中，我们采用smic90nm工艺库中的型号为N10的NMOS管进行

亚阈值漏电的分析，其中电源电压VDD从0V线性变化至1V。其原理图如下：

图 3 实验二电路原理图

用Spectre进行上图的仿真，我们得到了如图4的仿真结果。

图 4亚阈值漏电与漏源电压的关系

如图4所示，随着漏源电压的线性上升，亚阈值漏电也随之大致呈几何增长。

亚阈值漏电主要有两方面因素：扩散电流及DIBL效应，当漏源电压较小时，扩

散电流起主要作用，即图中0-0.5V所示，当漏源电压较大时，DIBL效应发挥主

要作用，漏电流呈几何增长。

3. 产生机理及用途

当栅源电压小于器件阈值电压时，器件应处于截止状态，但是在栅氧化层中

正电荷的作用下，半导体表面很可能处于弱反型的状态，因而沟道中仍会有小的

漏极电流通过。这就是所谓的亚阈值电流。

亚阈值电流随着漏源电压成几何增长。漏电受漏源电压影响很大，但是这成

为一个有效的控制漏电的参数。