一、采用HSPICE的MOS器件仿真

一、采用HSPICE的MOS器件仿真, 并回答以下问题。
1）固定器件 $W / L = 10 mm /2 mm$ 尺寸，通过仿真给出NMOS管的输出特性曲线和转移特性曲线，简要说明仿真方法；
在这里插入图片描述
仿真电路图如图所示，对于MN0对VDS进行扫描，扫描范围 $0 - 5 V$ ，随后使 $V_{GS}$ 在 $0 - 5 V$ 范围内变化，变化步长为1V。得到MOS管输出特性曲线如图所示。

在这里插入图片描述
固定 $V D S = 5 V$ ，对 $V GS$ 从 $0 - 5 V$ 进行扫描，扫描步长 $0.001 V$ ，绘制出转移特性曲线。

2）通过仿真测试给出NMOS管的阈值电压 $V T H$ 、工艺因子 $k^{'}$ , 说明相关参数的测试方法，并与工艺文件提供的对应参数值比较。 (k=μC_ox)
答：由图1-2的转移特性曲线，得到VTH=0.735mV（工艺库VTH=0.723100mV）
首先将MOS管取最小沟道长度 $L = 0.5 u m ， W = 1 u m$ 通过仿真输出特性曲线，

在这里插入图片描述
得到饱和区的两个点 $I_{A}=144uA，I_{B}=154uA$ ，通过几何关系，得到线段AB与X轴相交与 $V=12.4V=0.5*\lambda$ ,进而得到 $\lambda =24.8 V^{-1}$ 然后在输出特性曲线上任取一点，通过式（1.1）

得工艺因子 $k^{2}=83.27uA/V^2$

二、INV倒相器HSPICE仿真

二、采用HSPICE仿真INV倒相器，设 $a^{2}=kn/kp$ ，回答以下问题
1）给出 INV 转折电平 $Vin^{*}$ 与 $a$ 的变化关系；
在这里插入图片描述
固定NMOS的尺寸为 $W N = 2 u, L N = 1 u$ ，PMOS的尺寸 $L P = 1 u$ ，将器件参数WP从2u~8u进行扫描，扫描步长1u，随后进行仿真，仿真结果如图2-1，通过仿真可以得出结论：“INV的转折电平 $Vin^{*}$ 随 $a$ 的增大而减小”。
2）给出INV正常工作下最小电源电压与N、P两管VTN和VTP的关系；
通过工艺库文件可以得到:
在这里插入图片描述
为了得到 $I N V$ 的输出特性曲线，对V_{GS}进行 $0 - 3 V$ 扫描，同时改变电源电压，将VDD从 $0 - 3 V$ 扫描，扫描步长 $0.1 V$ ，通过Hspice进行仿真

通过图2-2可以观察到，VDD>min⁡{vthp,|vthp|} 时,反相器总会在1/2VDD处反转，且过渡反转正常，当VDD<min⁡{vthp,|vthp|} 时，反相器输出曲线出现问题，转折点过程明显不理想，因此INV的最小工作电平为V_(DD,min) min⁡{vthp,|vthp|}。
3）分析INV静态电流与转折电平 $Vin^{*}$ 之间的变化关系；(条件：PMOS和NMOS管匹配设计，尺寸往相反方向变，例如：一个MOS管尺寸增大两倍另一个减小两倍)（匹配设计：转折电平为1/2VDD）。
将NMOS与PMOS分别按照对称变化进行扫描，进行DC仿真。
在这里插入图片描述
通过仿真结果可以看出，当对称设计时，当切换时有最大漏电流，转折电平Vin*越接近1/2V_DD，漏电流越大，且随着不匹配程度的加重，漏电流减小。

4）分析INV上升、下降延迟以及传输延迟与两管尺寸(W/L)n和(W/L)p 的变化关系。
在输入端加上一个脉冲信号，周期为100ns 上升和下降时间均为10ns，首先，固定(W/L)p，逐步增大(W/L)n，进行tran仿真，观察输出随时间变化曲线。
在这里插入图片描述

通过图2-4和图2-5可以看出，
1）随着(W/L)n的增大，当输出从低电平切换为高电平的时间t_LH增大。
2）随着(W/L)n的增大，当输出从高电平切换到低电平的时间t_HL减小。
3）传输延迟为〖t_p=(t〗_LH+t_HL)/2，变小。
原因如下：
对于输出上升沿，随着NMOS尺寸增大，输出电容C_OUT增大，上升时间主要与PMOS对C_OUT的充电有关，(W/L)p不变，则PMOS以同样的电流对输出端电容C_OUT充电，需要更多的时间才能使输出端电平切换。
对于输出下降升沿，随着NMOS尺寸增大，尽管输出电容C_OUT增大，在输出端存储了更多的电荷，但是下降时间主要与NMOS对C_OUT的放电电有关，(W/L)n增大，则NMOS以更大的电流对输出端电容C_OUT放电，输出端需要更短的时间就能使输出端发生电平切换。
在这里插入图片描述

通过图2-6和图2-7可以看出，
1）随着(W/L)p的增大，当输出从低电平切换为高电平的时间t_LH减小。
2）随着(W/L)p的增大，当输出从高电平切换到低电平的时间t_HL增大。
3）传输延迟为〖t_p=(t〗_LH+t_HL)/2，变小。
原因如下：
对于输出上升沿，随着PMOS尺寸增大，输出电容C_OUT增大，上升时间主要与PMOS对C_OUT的充电有关，(W/L)p变大，尽管输出端电容C_OUT变大，但是PMOS以更大的电流对输出端电容C_OUT充电，需要更短的时间就能使输出端电平切换。
对于输出下降升沿，随着PMOS尺寸增大，输出电容C_OUT存储了更多的电荷，下降时间主要与NMOS对C_OUT的放电电有关，(W/L)p增大，则NMOS以同样的电流对输出端电容C_OUT放电，输出端需要更长的时间才能使输出端电平切换。
最后，同时增大(W/L)p和(W/L)n进行tran仿真，观察输出曲线

在这里插入图片描述
可以观察到，等比例增大NMOS和PMOS，输出端点评切换时间几乎不变，因为输出端增大的寄生电容与因尺寸变化而产生的电流变化，等比例变化，两种效应相互抵消（也可以看成两个同样的反相器并联）

附录

程序源码（一）

*绘制NMOS输出特性曲线
*文件名称 mostest(1)
.title A MOSTEST DC RUN  IDS=f(VDS，VGS)
.options list node post
*
.protect
.lib "c:\users\hspice\desktop\hspice_prj\h05hvcddtt09v01.lib" tt
.unprotect
.options post=2 list

*Source
VDS NodeD 0 DC 5V
VGS NodeG 0 DC 5V

*Circuit
MN0 NodeD NodeG 0 0 nvn L=2u W=10u

*Simulation
.DC  VDS 0 5 0.001 VGS 0 5 0.5
.PRINT V(NodeD) V(NodeG) I(MN0)
.PLOT V(NodeD) V(NodeG)  I(MN0)
*
.END

*绘制NMOS转移特性曲线
*文件名称 mostest(2)
.title A MOSTEST DC RUN  IDS=f(GS)
.options list node post

*Load lib
.protect
.lib "c:\users\hspice\desktop\hspice_prj\h05hvcddtt09v01.lib" tt
.unprotect
.options post=2 list

*Source
VDS NodeD 0 DC 5V
VGS NodeG 0 DC 2V

*Circuit
MN0 NodeD NodeG 0 0 nvn L=1u W=2u

*Simulation
.DC  VGS 0 5 0.001 
.PRINT V(NodeD) V(NodeG) I(MN0)
.PLOT V(NodeD) V(NodeG)  I(MN0)
*
.END

*测量沟长调制系数
*文件名称 mostest(3)
.title A MOSTEST DC RUN  IDS=f(VDS)
.options list node post
*
.protect
.lib "c:\users\hspice\desktop\hspice_prj\h05hvcddtt09v01.lib" tt
.unprotect
.options post=2 list

*Source
VDS NodeD 0 DC 5V
VGS NodeG 0 DC 2V

*Circuit
MN0 NodeD NodeG 0 0 nvn L=0.5u W=1u

*Simulation
.DC  VDS 0 5 0.001 
.PRINT V(NodeD) V(NodeG) I(MN0)
.PLOT V(NodeD) V(NodeG)  I(MN0)
*
.END

程序源码（二）

*仿真转折电平与相对尺寸关系
*文件名称 inv(1)
.title A INV DC RUN  FOR KP/KN
.options list node post
*
.protect
.lib "c:\users\hspice\desktop\hspice_prj\h05hvcddtt09v01.lib" tt
.unprotect
.options post=2 list

*Parameter
.para WN=2u LN=1u WP=2u LP=1u 

*Source
VDS vdd      0 DC 5V
VGS NodeG 0 DC 2.5V

*Circuit
MP0  Nout NodeG vdd vdd nvp  L=LP  W=WP
MN0 Nout NodeG   0    0    nvn  L=LN W=WN

*Simulation
.DC  VGS 0 5 0.001 SWEEP WP 2u 8u 0.5u
.PRINT V(NodeD) V(NodeG) I(MN0)
.PLOT V(NodeD) V(NodeG)  I(MN0)
*
.END

*反相器最小VDD仿真
*文件名称 inv(2)
.title A INV DC RUN  FOR SWEEP VDD
.options list node post
.protect
.lib "c:\users\hspice\desktop\hspice_prj\h05hvcddtt09v01.lib" tt
.unprotect
.options post=2 list

*Parameter
.para WN=2u LN=1u WP=4.5u LP=1u 

*Source
VDS vdd   0 DC 5V
VGS NodeG 0 DC 2.5V

*Circuit
MP0  Nout NodeG vdd vdd nvp  L=LP  W=WP
MN0 Nout NodeG   0    0  nvn  L=LN W=WN

*Simulation
.DC  VGS 0 3 0.0005 VDS 0 3 0.1
.PRINT V(NodeD) V(NodeG) I(MN0)
.PLOT V(NodeD) V(NodeG)  I(MN0)
.END

*扫描MOS相对尺寸
*文件名称 inv(3)
.title A INV DC RUN  FOR W/L
.options list node post
*
.protect
.lib "c:\users\hspice\desktop\hspice_prj\h05hvcddtt09v01.lib" tt
.unprotect
.options post=2 list

*sweep W/L
.DATA CV
WP     WN
80u      2u
40u     4u
20u     8u
10u   16u
5u   32u
2.5u  64u
.ENDDATA

*Source
VDS vdd   0 DC 5V
VGS NodeG 0 PULSE 0 5 50n 10n 10n 40n 100n

*Circuit
MP0  Nout NodeG vdd vdd nvp  L=1u  W=WP
MN0 Nout NodeG   0    0    nvn  L=1u W=WN

*Simulation
.DC  VGS 0 5 0.001 SWEEP data=CV 

.PRINT V(NodeD) V(NodeG) I(MN0)
.PLOT V(NodeD) V(NodeG)  I(MN0)
*
.END

*传输延迟仿真
*文件名称 inv(4)
.title A INV TRAN RUN  FOR W/L
.options list node post
*
.protect
.lib "c:\users\hspice\desktop\hspice_prj\h05hvcddtt09v01.lib" tt
.unprotect
.options post=2 list

*Parameter
.para WN=2u LN=1u WP=4.5u LP=1u 
.para MN=1  MP=1 MM=1

*Source
VDS vdd   0 DC 5V
VGS NodeG 0 PULSE 0 5 50n 10n 10n 40n 100n

*Circuit
MP0  Nout NodeG vdd vdd nvp  L=LP  W=WP M=MM
MN0 Nout NodeG   0    0    nvn  L=LN W=WN M=MM

*Simulation
.TRAN 100n 500n SWEEP MM 1 10 2
.PRINT V(NodeD) V(NodeG) I(MN0)
.PLOT V(NodeD) V(NodeG)  I(MN0)
*
.END