静态CMOS反相器

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1、9利用HSPICE仿真0.18um静态COMS反相器一、实验目的:1.掌握HSPICE的基本使用方法；2.理解CMOS反相器的工作原理，能够利用EDA工具绘制其电压传输特性曲线（VTC），瞬态响应曲线，幅频特性曲线和相频特性曲线；二、实验原理：电路图如下：图1静态COMS反相器三、实验步骤：1.编写网表代码，设计不同宽长比（W/L），不同（Wp/Wn），工作在不同VDD的反相器；2.对以上的静态CMOS反相器分别进行DC(直流分析)AC(交流分析)Trans(瞬态分析)；3.观测输出波形并分析波形；四、实验内容：实验采用的软

2、件为HSPICEC-2009.09，工艺库文件为MM180_LVT18_V113.LIB（0.18um）。1.直流分析：①不同VDD的情况下的VTC：这里讨论的是W/L=10,Wp/Wn=1,VDD由0V按步长0.05V变化到1.8V时的情形HSPICE网表如下:INV.lib'C:avantiMM180_LVT18_V113.LIB'TT.op.dcvin01.810mvdd01.80.05.printdcv(vout).probeav=deriv('v(vout)')m1voutvinvddvddP_LV_18_MM

3、w=1.8uml=0.18umm2voutvingndgndN_LV_18_MMw=1.8uml=0.18umvddvddgnddc1.8vinvingnddc9.end图2不同VDD情况下的VTC图3不同VDD情况下的电压增益Av通过对上面两个波形的分析，我们可以得到以下几条结论：a.反相器可以工作在很低的电压下，即使是在MOSFET的阈值电压下工作，仍能保持良好的VTC特性；b.通过适当降低工作电压VDD，可以提升过渡区的增益，从而使反相器得到更好VTC特性，同时还能降低功耗，这看起来好像是一件一举多得的事儿，但这是有条

4、件的，我们将在2中讨论；c.工作电压不能无限降低，当工作电压降低到一定程度时，VTC特性将会变差；d.反相器的开关阈值电压VM随VDD降低而降低，但由于过渡区增益的提高，噪声容限反而得到改善；②不同（Wp/Wn）情况下的VTC：这里我们讨论的是VDD=1.8V，Wn=1.8um,L=0.18um,Wp/Wn分别为0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0六种情况。HSPICE网表代码如下：INV.lib'C:avantiMM180_LVT18_V113.LIB'TT9m1voutvinvddvddP_LV_18_MM

5、w=wpl=0.18umm2voutvingndgndN_LV_18_MMw=1.8uml=0.18umvddvddgnddc1.8vinvingnddc.datawp_tablewp0.9um1.8um2.7um3.6um4.5um5.4um.enddata.dcvin01.80.01sweepdata=wp_table.probeav=deriv('v(vout)').end图4不同（Wp/Wn）情况下的VTC9图5不同（Wp/Wn）情况下的电压增益通过分析上述波形我们可以得到以下几条结论：a.随着（Wp/Wn）的增加，

6、反相器的开关阈值电压VM逐渐升高；b.反相器在过渡区的最大增益是关于（Wp/Wn）的函数，通过变化趋势我们可以得到最大增益将在（Wp/Wn）=1.5~2之间取到极小值；c.过渡区的最大增益是（Wp/Wn）的弱函数，即通过改变（Wp/Wn）使反相器在过渡区获得较大增益并不十分可行，而且极不对称结构有可能导致更严重的后果（这将在2中讨论）；③不同尺寸（W/L）的反相器的VTC这里讨论Wp/Wn=1,VDD=1.8V,W/L分别为5、10、15、20、25、30时的情况HSPICE网表代码如下：INV.lib'C:avanti

7、MM180_LVT18_V113.LIB'TTm1voutvinvddvddP_LV_18_MMw=wpl=0.18umm2voutvingndgndN_LV_18_MMw=wpl=0.18umvddvddgnddc1.8vinvingnddc.datawp_tablewp0.9um1.8um2.7um3.6um4.5um5.4um.enddata.dcvin01.80.01sweepdata=wp_table.probeav=deriv('v(vout)').end图6不同尺寸（W/L）的反相器的VTC9图7不同尺寸反相器

8、的电压增益Av通过对上面两个波形的分析可以得到VTC是MOSFET尺寸的弱函数，即输出波形与所选用MOSFET的尺寸基本上无关，正如书上所说CMOS反相器的“逻辑电平与器件的相对尺寸无关，晶体管可以采用最小尺寸”，即所谓“无比逻辑”。2．瞬态分析：①绘制不同（Wp/Wn）情况下的瞬态响应并