МОДЕЛИРОВАНИЕ_И_РАСЧЕТ_ХАРАКТЕРИСТИК_ЭЛЕМЕНТОВ_ИНТЕГРАЛЬНЫХ_СХЕМ

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

______________________________

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

_________________________________

В. В. ЛУЧИНИН, И. М. САДОВАЯ, В. В. ТРУШЛЯКОВА

МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТОВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

Учебно-методическое пособие по дисциплинам «Проектирование интегральных схем»,

«Системы автоматизированного проектирования интегральных схем», «Системы автоматизированного проектирования электронной компонентной базы»,

«Информационная электроника»

Санкт-Петербург СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2017

1

Описания лабораторных работ по моделированию и расчету характеристик элементов интегральных схем. Описание используемых математических моделей для расчета и представление изменений проектируемых структур от параметров математической модели. Рассматриваются теоретические основы САПР, представлены основные математические соотношения и методики проведения моделирования.

Лабораторный практикум предназначен для студентов, обучающихся по направлению 11.03.04 - «Электроника и наноэлектроника» и 11.04.04 - «Электроника и наноэлектроника»

Рассмотрено и утверждено на заседании кафедры микро- и наноэлектроники 19 июня 2017 г.

(протокол №10/17 от 19.06.2017 г.)

СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2017

2

3

Лабораторная работа № 1 Исследование параметров и характеристик активных компонентов при

моделировании по программе SPICE

Цель работы:

-ознакомление с процедурами создания входного файла для SPICEмоделирования;

-исследование характеристик активных компонентов схемотехнического моделирования;

-определение параметров схемотехнических моделей LEVEL 1-3 МОП транзисторов;

-расчет схем с помощью программы схемотехнического анализа SPICE.

Порядок выполнения работы

1.Создание проекта с помощью программы формирования принципиальных схем Capture.

2.Создание списка соединений Netlist.

3.Определение типа анализа. Расчет режима по постоянному току (DC Sweep). Временной анализ схемы – анализ переходных процессов (Transient analysis). Переходные характеристики при импульсных воздействиях.

5.Построение вольт-амперной характеристики (ВАХ) диода. Задание на моделирование в текстовом и графическом формате.

6.Измерение времени обратного восстановления диода.

7.Построение ВАХ nМОП транзистора с индуцированным каналом (стоковая характеристика) с разными моделями: Level=1, Level=2 и Level=3.

8.Построение ВАХ nМОПТ транзистора с индуцированным каналом (сток– затворная характеристика) с разными моделями Level=1, Level=2 и Level=3. Получение передаточной характеристики КМОП–инвертора в режиме расчета по постоянному току.

9.Проведение анализа переходного процесса КМОП–инвертора (Time Domain

(Transient)).

Анализ схемы по постоянному току (DC Sweep)

Используется для построения ВАХ МОПТ и передаточных характеристик цифровых инверторов по n–МОП (инвертор с квазилинейной, нелинейной и токостабилизирующей нагрузками) и КМОП–технологиям.

Проведем анализ DC Sweep для расчета ВАХ n–МОПТ.

При расчете ВАХ n–МОПТ (рис. 1.1) используются два независимых источника напряжения Vds (напряжение «сток–исток») и Vgs (напряжение

4

«затвор–исток»), напряжения которых изменяются с заданным шагом. На схеме напряжению Vds соответствует источник постоянного напряжения V2, а Vgs — источник V1.

Для транзистора M1 используется модель первого уровня Level=1(данные 2–микронного технологического процесса фирмы TEKTRONIX),для транзистора M2 — Level=2 (данные 2–микронного технологического процесса масштабируемой КМОП–технологии фирмы Montpellier), для транзистора М3 — типовая модель третьего уровня Level=3 (данные Stanford University EE371 Generic 0.8um CMOS Process).

Длина и ширина канала МОПТ для всех транзисторов одинаковая: L= 2 мкм; W=28 мкм. Для редактирования Spice–модели МОПТ необходимо его выделить и выбрать строку меню Edit/PSpice Model.

Рис. 1.1. Схема расчета ВАХ n–МОПТ

Для расчета ВАХ (стоковой характеристики) необходимо установить в профиле моделирования (Edit Simulation Profile меню PSpice) режим моделирования DC Sweep и задать в диалоговых окнах (рис. 1.2) атрибуты двух изменяемых (варьируемых) источников напряжения V1 и V2: Vds (V2) — в диапазоне от 0 до 5 В с шагом 0,1 В (Primary Sweep); Vgs (V1) — в диапазоне от 1 до 3 В с шагом 1 В (Secondary Sweep). На рис. 1.3 показаны ВАХ n–МОПТ с индуцированным каналом (стоковая характеристика).

5

+HDIF=1U MJ=0.389 MJSW=0.26

+CGSO=2.1E-10 CGDO=2.1E-10 CJ=2E-4 CJSW=4.00E-10)

Анализ передаточной кривой КМОП-инветора по постоянному току

Проведем анализ передаточной кривой КМОП–инвертора по постоянному току (рис. 1.5). В качестве входной переменной выберем источник постоянного напряжения V4, подаваемый на входы затворов транзисторов M4 и M5. Входное напряжение изменяется от 1 до 5 В с шагом 0,1 В.

Передаточная характеристика КМОП–инвертора в режиме расчета по постоянному току показана на рис. 1.6.

Рис. 1.5. Электрическая схема КМОП–инвертора на основе Spice моделей 3–го уровня (технологический процесс Stanford University EE371 Generic 0.8um CMOS Process) для построения передаточных характеристик в режиме расчета по постоянному току

Рис. 1.6. Передаточные характеристики КМОП–инвертора в режиме расчета по постоянному току

8

Описание моделей Level=3 МОПТ p- и n-типа:

.MODEL TP PMOS (LEVEL=3 L=0.8u W=4U

+VTO=-0.87 TOX=1.65E-8 UO=145 GAMMA=0.73

+VMAX=0.0 THETA=0.233 ETA=0.028 KAPPA=0.04

+PHI=0.90 NSUB=9.0E16 NFS=4E11 XJ=0.2U

+PB=0.80 DELTA=0.0 LD=0.0001U RSH=0.5

+HDIF=1U MJ=0.420 MJSW=0.31

+CGSO=2.7E-10 CGDO=2.7E-10 CJ=5E-4 CJSW=4.00E-10)

.MODEL TN NMOS ( LEVEL=3 L=0.8U W=4U

+VTO=0.77 TOX=1.65E-8 UO=570 GAMMA=0.80

+VMAX=2.7E5 THETA=0.404 ETA=0.04 KAPPA=1.2

+PHI=0.90 NSUB=8.8E16 NFS=4E11 XJ=0.2U

+PB=0.80 DELTA=0.0 LD=0.0001U RSH=0.5

+HDIF=1U MJ=0.389 MJSW=0.26

+CGSO=2.1E-10 CGDO=2.1E-10 CJ=2E-4 CJSW=4.00E-10)

Анализ переходных процессов (Time Domain)

Анализ переходного процесса начинается с определения начальной точки, соответствующей режиму по постоянному току при значениях входных сигналов, соответствующих нулевому моменту времени.

Проведем анализ переходного процесса КМОП–инвертора (рис. 1.7, 1.8) при воздействии входных сигналов различной формы (analysis type: Time Domain (Transient)). Время моделирования ограничим величиной 10000 нс (Run to time:

10000 ns).

Рис. 1.7. Электрическая схема КМОП–инвертора на основе Spice–моделей 1–го уровня (технологический процесс Stanford University EE371 Generic 0.8um CMOS Process) для исследования переходных процессов

9