МОДЕЛИРОВАНИЕ_И_РАСЧЕТ_ХАРАКТЕРИСТИК_ЭЛЕМЕНТОВ_ИНТЕГРАЛЬНЫХ_СХЕМ

Расчет осуществляется по директиве .TRAN. В отчете представить схему устройства для формирования функции sin(t)/t и результаты расчета.

Контрольные вопросы.

1.Как в программе PSpice описывается макромодель функционального блока?

2.Что такое область адекватности модели?

3.В чем заключаются отличия обобщенного и узлового методов формирования математических моделей?

4.В чем сущность алгоритмической формы описания моделей элементов электронных схем?

5.В чем сущность логико-электрического анализа электронных схем?

6.Назовите методы анализа нелинейных аналоговых электронных схем

31

Лабораторная работа № 6

Создание и редактирование моделей в OrCAD (программа Model Editor)

Пример, рассмотренной в этой лабораторной работе, основан на использование программы Model Editor для создания имитационных моделей, основанных:

•на характеристиках устройства;

•на шаблонах PSpice.

Задание: создать модель PSpice, основанную на характеристиках устройства.

Для моделирования диодного устройства необходимо:

•Создать схему простого однополупериодного выпрямителя.

•Создать новую модель для диода.

•Присоединить новую модель к символу диода D1.

Для того чтобы начертить схему:

В меню Place редактора схем Capture выберем Part. Поместим следующие УГО (условные обозначения показаны в круглых скобках), как показано на рис. 6.1:

o Dbreak (диод D1);

o C (конденсатор C1); o R (резистор R1);

o VSIN (источник синусоидального сигнала V1).

Рис. 6.1. Схема однополупериодного выпрямителя. Для создания новой модели и библиотеки моделей необходимо:

1.Открыть Model Editor.

2.В Model Editor в меню File выбрать New.

3.В меню Model - выбрать New.

4.В диалоговом окне New выпонить следующее:

o в текстовом поле Model Name напечатать DbreakX; o выбрать Use Device Characteristic Curves;

o в списке From Model выбрать Diode;

5. В меню File выбрать Save. По умолчанию, обновленная модель сохранена в библиотеке RECTFR.LIB.

32

Model Editor первоначально отображает:

•характеристики модели диода, внесенного в список в окне Models List;

•значения параметров модели DbreakX, внесенные в список в окне

Parameters.

Можно изменить каждую характеристику модели, показанную в рамке Model Spec, используя новые значения из справочных данных. Программа Model Editor использует новую информацию и подгоняет новые значения параметра модели. Характеристики Forward Current, Junction Capacitance и Reverse Leakage

модели диода требуют данных для построения графических зависимостей. Характеристики Reverse Breakdown и Reverse Recovery требуют одиночных данных. Справочные данные для модели DbreakX приведены в таблице 1.

Таблица 6.1.

Типовые значения справочных данных для диода

Для ввода данных характеристики Forward Current:

1.В рамке Spec Entry щелкнем по вкладке Forward Current. Эта вкладка требует ввода справочных данных.

2.В текстовое поле Vfwd введем 1.3.

3.Нажмем Tab для перемещения в текстовое поле Ifwd, а затем введем в него

Для ввода данных для Junction Capacitance и Reverse Leakage выполним те же действия, что и для Forward Current, вводя справочную информацию, перечисленную в таблице 1, которой соответствуют текущие характеристики модели.

Для ввода данных характеристики Reverse Breakdown:

1.В рамке Spec Editing щелкнем по вкладке Reverse Breakdown. Эта вкладка требует ввода одиночных данных.

2.В текстовое поле Vz введем 7.5.

Замечание: Программа Model Editor использует те же масштабные множители,

что и PSpice.

3.Нажмем Tab для перемещения в текстовое поле Iz, а затем введем 20m.

4.Нажмем Tab для перемещения в текстовое поле Zz, а затем введем 5.

Для извлечения параметров модели в меню Tools выберем Extract Parameters. Появится галочка в столбце Active рамки Parameters для каждого извлеченного параметра модели.

33

Для отображения графиков для пяти диодных характеристик в меню

Window выберем Tile.

Используя команды из меню View, можно осуществлять панорамирование и масштабирование в пределах графика. Используя команду Axis Settings из меню Plot, можно осуществлять изменение масштаба осей.

По умолчанию Model Editor вычисляет графики характеристик устройства для 27 °C. Для любой характеристики можно добавить графики и для других температур. Для добавления графиков Forward Current необходимо выполнить следующее:

Врамке Spec Entry щелкнем по вкладке Forward Current.

Вменю Plot выберем Add Trace. В открывшееся окно Add Traces введем

100(в °C).

Можно усовершенствовать описание модели, изменив введенные данные, как описано прежде, или прямо отредактировав параметры модели. Можно обновить индивидуальные параметры модели, редактируя их в рамке Parameters рабочей области Model Editor. Когда сохраняется библиотека моделей, Model Editor автоматически отображает графики устройства.

Для сохранения описания модели с текущим значением параметра и получения доступной модели для проекта в меню File выберем Save для обновления RECTFR.LIB и сохранения библиотеки на диске. Полученное полное описание модели можно использовать в проекте.

Для присоединения модели DbreakX к диоду D1:

1.В Capture откроем проект RECTFR.

2.Выберем диод D1.

3.В меню Edit выберем Properties.

4.В диалоговом окне Property Editor изменим значение свойства

Implementation Dbreak на DbreakX.

5.Закроем диалоговое окно и сохраним проект. Проект готов к моделированию с созданным описанием модели.

Контрольные вопросы

1.Как описываются линейные зависимые источники?

2.Как описываются нелинейные зависимые источники?

3.Как составить схему для функционального моделирования усилителя с обратной связью?

4.Как описываются нелинейные зависимые источники преобразования Лапласа?

5.Как составить схему для функционального моделирования фильтра?

6.Какой передаточной функцией описываются фильтры первого порядка?

7.Какой передаточной функцией описываются фильтры второго порядка?

34

Лабораторная работа № 7 «Моделирование и расчет характеристик элементов интегральных схем»

Цель работы:

-ознакомление с процедурами создания входного файла для SPICEмоделирования;

-исследование характеристик активных компонентов схемотехнического моделирования;

-определение параметров схемотехнических моделей LEVEL 3 МОП транзисторов;

-расчет схем с помощью программы схемотехнического анализа SPICE.

-изучение особенностей расчета временных характеристик МОП схем.

-изучение базовых понятий, использующихся при оценке скорости логических вентилей и схем.

-изучение влияния масштабной миниатюризации на параметры SPICE-моделей.

Задание. Рассчитать быстродействие КМОП инвертора, используя SPICEмоделирование. Определить нагрузочную емкость инвертирующего логического элемента (ЛЭ). Получить ВАХ транзисторов p- и n-типа и временные диаграммы на входе и выходе инвертирующего ЛЭ. Построить масштабируемую SPICEмодель для оценки изменения быстродействия схем при вариации технологических параметров от 550нм до 70нм технологического процесса. Использовать данные, полученные на основе законов масштабной миниатюризации. Провести проверку SPICE-параметров, закладываемых в модель, на непротиворечивость (табл.7.2).

Работа должна содержать:

•задание;

•анализ задания на моделирование, определение параметров моделей элементов интегральной схемы (ИС);

•расчет характеристик элементов ИС;

•создание входного файла для моделирования, идентификация параметров;

•интерпретация результатов SPICE-моделирования;

Порядок выполнения работы

1. Определить нагрузочную емкость (СL) инвертирующего ЛЭ для набора данных, номер которого соответствует номеру в табл.7.1 от «Т0» до «Т13».

1.1. Определить значение емкости обедненной области p-n-перехода n- транзистора Сd(N) и p-транзистора Сd(P).

35

1.2. Определить собственную емкость p-n-переходов (емкость диффузионных областей) Сd inv(n) инвертора.

1.3. Определить входную емкость (n+1)-го инвертора:

CIN(n+1) = COX(WPLP+WNLN)(n+1) .

1.4.Определить емкость межсоединений: СI = nCIN(n+1) ; n = 4.

1.5.Определить нагрузочную емкость инвертора СL.

Нагрузочную емкость инвертора:

CL= Сd inv + CI+ CG,

где Сd inv(n) – емкость p-n-переходов самого инвертора; CI – емкость межсоединений между выходом инвертора и входом в каскад, которым он управляет; CG – емкость затворов транзисторов в каскаде, которым управляет

РP= 2WР+2DLNР, DLNP – длина диффузионной области (p+) в транзисторе p-типа; DLNN – длинна диффузионной области (n+) в транзисторе n-типа:

DLNN = DLNP = 2 .

Значения удельных емкостей истоковых (стоковых) переходов CJS, CJSW при нулевом смещении, определить по формулам (1) и (2):

где q – заряд электрона; Si – абсолютная диэлектрическая проницаемость кремния; NA – уровень легирования подложки (в программе SPICE – NSUB); о – встроенный потенциал p-n-перехода (built–in junction potential), в программе SPICE этот параметр обозначен как РВ:

о = Vtln(NAND/Ni2 ),

где Vt – тепловой потенциал p-n-перехода; NA – уровень легирования подложки; ND – уровень легирования диффузионной зоны; Ni – собственная концентрация носителей; о = PB (параметр в SPICE).

Связь между параметрами СJS и СJSW задается следующей формулой:

где XJ – глубина залегания p-n-перехода стока (или истока).

Параметр KN = NSW/NS – коэффициент отличия в уровнях концентрации по донной

36

части и по стенкам p-n-перехода.

Боковые стенки на границе с окислом могут соприкасаться с зоной противоинверсионного легирования, поэтому, как правило, значение NSW может быть больше чем значение NS в 10 раз (по данным Ходжеса), т.е.

CJSW = CJSXJ (10)1/2.

В формульных расчетах эти величины соответствуют некоторым средним значениям за время изменения напряжения на переходе между двумя логическими уровнями. Для правильного сопоставления формульных и SPICE– расчетов необходимо использовать метод приведения, и перейти от “мгновенных значений” CJS и CJSW к средним. Формулы пересчета: CJS(сред) = KFCJS, CJSW(сред) = KFCJSW, где KF – коэффициент приведения, определяемый по формуле:

V1 = – (VOH –VBB), VOH = VDD, VBB – напряжение смещения подложки. Изменение выходного напряжения от 0 В до 5 В. Для расчета принять KF = 0,6.

2. Составить задание на SPICE-моделирование в текстовом формате и получить: 2.1. Выходные ВАХ транзистора n- и p-типа.

Параметры, подставляемые в SPICE-модель, необходимо рассчитать по формулам:

potential)

Определить параметры электрических схем замещения и зафиксировать их в табл.7.2

Таблица 27.

Параметры электрических схем замещения

37

PHIP, В

PHIN, В

Cox= Eox/Tox, Ф/м2

KPP=UOP·Cox, A/B2

KPN=UON·Cox, A/B2

2.2. Определить время задержки для схемы на рис. 7.2. Сn = Cn+1 = значение,

полученное в п.1.

Описание инверторов в схеме задать с помощью макромодели (директива

.SUBCKT).

МОП-транзистор описывается предложением

M xxx < узел стока > < узел затвора> < узел истока > + < узел подложки> <имя модели> [L=<значение>]

+[W=<значение>] [AD=<значение>] [AS=<значение>]

+[PD=<значение>] [PS=<значение>] [NRD=<значение>]

+[NRS=<значение>] [NRG=<значение>] [NRB=<значение>]

+[M=<значение>]

Макромодели. Отдельные фрагменты цепи или схемы замещения компонентов имеет смысл оформлять в виде макромоделей (подсхем). Описание макромодели начинается директивой .SUBCKT и заканчивается директивой .ENDS. Между ними помещаются описания компонентов, входящих в состав макромодели:

.SUBCKT < имя макромодели> <список узлов> + [PARAMS:<имя параметра>=<значение>]

{ описание компонентов }

.ENDS [имя макромодели]

Кусочно-линейная функция задается списком параметров:

PWL (t1 y1 t2 y2 ... tn yn)

Здесь (t1, y1), (t2, y2),... - координаты точек, через которые проходит функция y(t).

38