Spice仿真在CMOS反相器電路教學中的應用

摘 要：討論靜態(tài)負載的CMOS反相器及其衍生電路，介紹其結(jié)構(gòu)以及設計考慮，并用Hspice仿真軟件對各種電路在不同工作條件下的輸入輸出特性進行了模擬驗證，目的在于使學生通過電路仿真更加熟悉CMOS反相器電路的工作特性。

關(guān)鍵詞：Spice仿真；反相器；教學

反相器是CMOS電路的基本電路單元。它究竟是怎樣工作的？它的輸入輸出特性又是怎樣的？通過書本的介紹，學生可以有大致的了解。為了增強學生的理解，傳統(tǒng)上可以通過搭建實驗裝置加以驗證。然而實驗裝置依賴于設備，不易改變測試條件和元器件，其便捷性和靈活性受到限制。借助于計算機技術(shù)和計算方法的發(fā)展，不需要任何實際的元器件和調(diào)試工具，就可以很方便地改變各種條件進行模擬分析。

1.什么是Spice

設計電路系統(tǒng)的人員有時需要對系統(tǒng)中的部分電路作電流與電壓關(guān)系的詳細分析，此時需要做晶體管級仿真（電路級），這種仿真算法中所使用的電路模型都是最基本的元件和單管。Spice（Simulation program with integrated circuit emphasis）是最為普遍的電路級模擬程序，各軟件廠家提供如Hspice、Eldo、Spectre、Pspice、Smartspice等不同版本的spice軟件，其仿真核心大同小異，都采用了由美國加州Berkeley大學開發(fā)的spice模擬算法。Spice可對電路進行非線性直流分析、非線性瞬態(tài)分析和線性交流分析。被分析的電路中的元件可包括有源器件（MOS管、三極管、二極管）、無源器件（電阻、電容、電感、互連線、傳輸線）。

2.Spice集成電路分析程序與MOSFET模型

2.1 HSpice中常用的幾種MOSFET模型

Level=1 Shichman-Hodges

Level=2 基于幾何圖形的分析模型Grove-Frohman Model （SPICE 2G）

Level=3 半經(jīng)驗短溝道模型（SPICE 2G）

Level=49 BSIM3V3？邛BSIM，3rd，Version 3

Level=50 Philips MOS9

2.2 CMOS反相器及其衍生電路圖

圖1是靜態(tài)負載的CMOS反相器及其衍生電路。CMOS反相器由一個P溝道增強型MOS管（M1）和一個N溝道增強型MOS管（M2）串聯(lián)組成。通常P溝道管作為負載管，N溝道管作為輸入管。兩個MOS管的開啟電壓VGS（th）P<0，VGS（th）N>0，通常為了保證正常工作，要求VDD>VGS（th）P+VGS（th）N。若輸入vi（v1）為低電平（如0V），則負載管導通，輸入管截止，輸出電壓接近VDD。若輸入vi（v2）為高電平（如VDD），則輸入管導通，負載管截止，輸出電壓接近0V。

2.3 CMOS反相器電壓傳輸特性

如圖2a所示，CMOS反相器的電壓傳輸特性曲線可分為五個工作區(qū)。

工作區(qū)Ⅰ：由于輸入管截止，故Vo1=VDD，處于穩(wěn)定關(guān)態(tài)。

工作區(qū)Ⅲ：PMOS和NMOS均處于飽和狀態(tài)，特性曲線急劇變化。

工作區(qū)Ⅴ：負載管截止，輸入管處于非飽和狀態(tài)，所以Vo1≈0V，處于穩(wěn)定的開態(tài)。

CMOS反相器的電流傳輸特性曲線，只在工作區(qū)Ⅲ時，由于負載管和輸入管都處于飽和導通狀態(tài)，會產(chǎn)生一個較大的電流。其余情況下，電流都極小。

結(jié)合spice level=1模型參數(shù)vto（vth， MOS管的閾值電壓VGS（th）N=0.6V， VGS（th）P=-0.7aB6ux6zzwksaKXRHXju5y6X+9+kXkhTxVgN/m+qygS8=5V），通過hspice 仿真軟件的驗證結(jié)果（圖2）可以清楚的找到不同輸入電壓下相應的輸出電壓。同時可以通過改變MOS尺寸（W，L）改變電壓轉(zhuǎn)折區(qū)域，使學生們熟悉不同寬長比的NPMOS特性。

圖1b，用電阻R1代替PMOS做負載。設置R1=125k，通過hspice仿真發(fā)現(xiàn)（圖3），vi（v3）≥VGS（th）N時，NMOSM3飽和導通，vi繼續(xù)增加，M3導通電阻逐漸降低，M3D，S兩端分壓降低，輸入管處于非飽和狀態(tài)，Vo2≈0V，處于穩(wěn)定的開態(tài)。如果改變NMOS M3的閾值電壓，則輸入輸出的轉(zhuǎn)折區(qū)域也會相應的改變，學生通過相關(guān)練習可以加深對閾值電壓的理解。

圖1c，用飽和狀態(tài)的NMOS M4（VGS=VDS）代替PMOS做負載。通過hspice仿真發(fā)現(xiàn)（圖3），初始狀態(tài)下由于NMOS M4飽和導通，其導通電阻很大，可以和截止狀態(tài)下的M5分壓，所以Vo3 不等于VDD。vi繼續(xù)增加，M5導通電阻逐漸降低，M5D，S兩端分壓降低，輸入管處于非飽和狀態(tài)。但是由于該電路一直處在導通狀態(tài)，有較大的電流（飽和導通的M4產(chǎn)生大電流），所以輸出電位無法拉到GND，Vo3≠0V。

圖1d，用導通狀態(tài)的PMOS M6（VG=0）做負載。通過hspice仿真發(fā)現(xiàn)（圖3）， 初始狀態(tài)下由于PMOS M6導通且非飽和， NMOS M7為截止狀態(tài)，所以Vo4 約等于VDD。vi 繼續(xù)增加，M7開始導通，其電阻逐漸減小。但是由于該電路一直處在導通狀態(tài)，有較大的電流， 所以無法達到穩(wěn)定狀態(tài)， Vo4≠ 0V。

通過hspice 仿真結(jié)果可以清楚地看出NMOS增強負載的反相器既不能把輸出電壓推到VDD，也不能拉到GND。NMOS增強負載的反相器和Pseudo-NMOS反相器一直處在導通狀態(tài)，有較大的電流， 輸出電位無法拉到GND。通過仿真，學生可以清楚地看到其準確的電壓傳輸特性。輸出電位的不斷變化就是不同狀態(tài)下MOS電阻的變化。

3.結(jié)論

反相器是CMOS電路的基本電路單元。它究竟是怎樣工作的？它的輸入輸出特性又是怎樣的？通過hspice軟件仿真靜態(tài)負載的CMOS反相器及其衍生電路在不同工作條件下的輸入輸出特性，可以使學生更加熟悉CMOS反相器電路的工作特性。

參考文獻：

[1]HSPICE manual，2008.03.

[2]VLSI design lab. 2， Dept. ECE， Mississippi State Univ.

（作者單位 江蘇省昆山第一中等專業(yè)學校）