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集成電路設計基礎實驗報告 專業(yè)： 電子信息工程 班級： 姓名： 學號： 電子與信息工程學院 實驗一 Tanner 軟件的安裝和使用 一、實驗目的 1．掌握Tanner 的安裝過程。 2．了解Tanner 軟件的組成及使用。 3．掌握使用S-Edit 和T-Spice 對nMOS 管的I-V 特性仿真的方法。 二、實驗儀器 計算機一臺。 三、實驗內(nèi)容 1.1 tanner的安裝 Tanner 軟件的安裝是比較簡單的，主要分為安裝和安裝license 兩部分。 第一步，雙擊安裝文件夾…\Tanner L-EDIT 11.1 下的setup.exe 文件，得到安裝向?qū)?，按默認選項，依次點擊“下一步”，直至安裝完成。 第二步，將….\Tanner L-EDIT 11.1\crack 文件夾下的所有文件復制到安裝目錄utilities 下，然后雙擊運行其中的crack.bat 文件安裝license，得到相應的界面，然后點擊“instance”，安裝成功之后點擊“exit”。至此，tanner 就安裝成功了。在桌面上就會看到快捷方式，分別對應tanner pro 軟件的五個功能模塊。 1.2 nMOS管I-V特性 （1）打開S-Edit 程序。（2）另存新文件。（3）環(huán)境設置。（4）編輯模塊。(5) 瀏覽元件庫。（6）從元件庫引用模塊。（7）編輯電路。（8）加入聯(lián)機。（9）加入輸入端口與輸。（10）模塊重命名出端口。（11）加入工作電源。(12) 加入輸入信號。(13) 編輯Source_v_dc 對象。(14) 輸出成SPICE 文件。(15) 加載包含文件。(16) 分析設定。(17) 輸出設定。(18) 進行仿真。（19）觀看結果。 四、實驗結果 1.最終繪制出的電路圖如下： 2.經(jīng)過設定，最終完成的網(wǎng)表如下： 3.仿真結果曲線如下： 上圖為N型MOS管的IV特性曲線，輸入為柵源電壓，單位為V；輸出為漏電流，單位為mA。輸入從0到5V線性掃描，得到上圖曲線。 五、思考題 1. 此時M1的工作狀態(tài)為飽和區(qū)，漏電流的表達式為： 2. 分別采用另外兩種不同的器件模型ml1_typ.md和ml5_20.md進行了仿真，仿真結果中漏電流的變化趨勢基本相同，但是數(shù)值有所差異。原因分析：模型文件中包括電容電阻系數(shù)等數(shù)據(jù)，模型不同，相應數(shù)據(jù)也就不同，計算結果數(shù)值當然會有差異。 3.改變M1的寬長比后，同樣，變化趨勢基本相同，但是數(shù)值有所差異，且輸出與寬長比的數(shù)值呈現(xiàn)正比例關系。原因分析：漏電流的表達式中含有W/L，及寬長比，所以寬長比的變化必然會引起漏電流輸出的變化。 實驗二 單級放大器性能仿真 一、實驗目的 1、掌握電阻負載、帶源極負反饋的共源級的性能仿真方法。 2、掌握源跟隨器、共源共柵級的性能仿真方法。 二、實驗內(nèi)容及相應結果 2．1 電阻負載的共源級 （1）畫電路圖。（2）加入電源電壓和輸入電壓，其中電源電壓為3V（將電源電壓名為vvdd），輸入電壓為1V（將輸入電壓改為vvin），電阻值為1K歐，晶體管的柵寬為100u，柵長為1u。畫完的電路圖如下： （3）生成spice文件，并且加入include命令、DC transfer sweep命令（vvin從0到3V掃描，步長為0.02）、輸出直流電壓vout命令。 （4）仿真，結果如下： 圖中橫軸為柵源電壓，縱軸為漏源電壓，單位都是V。輸入從0到3V進行步長為0.02V的掃描，得到上圖曲線。 2.2 帶源級負反饋的共源級 （1）畫電路圖。（2）加入電源電壓和輸入電壓，其中電源電壓為3V（將電源電壓名為vvdd），輸入電壓為1V（將輸入電壓改為vvin），負載電阻值為1K歐，源級電阻為50歐，晶體管的柵寬為100u，柵長為2u。畫完的電路圖如下： （3）生成spice文件，并且加入include命令、DC transfer sweep命令（vvin從0到3V掃描，步長為0.02）、輸出直流電壓vout命令。 （4）仿真，結果如下： 圖中，橫軸為柵端電壓，縱軸為漏端電壓，單位都是V。輸入從0到3V進行步長為0.02V的掃描，得到上圖曲線。 2.3 源跟隨器 （1）畫電路圖。（2）加入電源電壓和輸入電壓，其中電源電壓為3V（將電源電壓名為vvdd），輸入電壓為1V（將輸入電壓改為vvin），源級電阻為5000歐，晶體管的柵寬為22u，柵長為2u。畫完的電路圖如下： （3）生成spice文件，并且加入include命令、DC transfer sweep命令（vvin從0到3V掃描，步長為0.02）、輸出直流電壓vout和vin命令。 （4）仿真，結果如下： 圖中，柵端為輸入端，源端為輸出端，上端的線為輸入電壓的變化，下方的曲線為輸出電壓的變化趨勢，可以看出，輸出電壓在跟隨著輸入電壓而變化，這體現(xiàn)了源跟隨器的特性。 2.4 共源共柵級 （1）畫電路圖。其中電壓源名稱改為vb，電壓值改為2.5V。（2）加入電源電壓和輸入電壓，其中電源電壓為3V（將電源電壓名為vvdd），輸入電壓為1V（將輸入電壓改為vvin），負載電阻為5000歐，共源管的柵寬長比為100/1u，共柵管的柵寬長比為20/1u。畫完的電路圖如下： （3）生成spice文件，并且加入include命令、DC transfer sweep命令（vvin從0到3V掃描，步長為0.02）、輸出直流電壓vout和共源管的漏端電壓（即網(wǎng)表中的N1點）命令，結果如下： （4）仿真，結果如下： 圖中，上方的曲線為輸出電壓，下方的曲線為共源管的漏端電壓，即網(wǎng)表中的N2點。 （5）修改網(wǎng)表文件，將直流掃描電壓源由vvin改為vvdd，然后輸出N1節(jié)點的電壓，仿真結果如下： 此曲線為vvdd從0到3V進行掃描時N1點（我所做圖中的N2點）電壓的變化情況。 三、思考題 1.圖2.8中函數(shù)比2.4中的最低值要低，而且2.8中的函數(shù)下滑段是比2.4時間長的，水平段同樣比2.4長。原因分析：圖2.8中加入了源級電阻并且寬長比減小，作為以電阻為負載的共源級，當其他參數(shù)為常數(shù)的時候，通過減小W/L都可以提高Av的幅值。較大的器件尺寸會導致較大的器件電容，較高的Vrd會限制最大電壓擺幅。 2.當電阻值改為1k時，源極輸出電壓跟隨輸入的速度減慢，體現(xiàn)了跟隨能力的降低。原因分析：當其他參數(shù)不變的時候，源極電阻的增大時會使輸出節(jié)點的時間常數(shù)更大。 3.N1節(jié)點處的電壓隨著vvdd的增加不斷增加，但是增加的幅度開始階段比較緩慢，后期增加迅速，這是因為后期的時候，vvdd的電壓基本上等于節(jié)點處的電壓，而初期階段還受到其他參數(shù)的影響，從而使節(jié)點處的電壓與vvdd成正比，但是后來由于MOS管的影響成二次冪形式。 實驗三 差動放大器性能仿真 一、實驗目的 1、復習基本差動對的電路結構、特點及工作原理。 2、學會使用tanner軟件對差動放大器的基本性能進行仿真。 二、實驗內(nèi)容及相應結果 （1）畫電路圖。圖中的電阻阻值均為5K歐。Mos管的寬長比采用默認值。恒流源為source_i_dc，名字改為Iss，電流值為500uA。 （2）加入輸入電壓源，輸入電壓源為正弦電壓源（即source_v_sine），in1輸入端電壓源名字改為vin1，in2輸入端電壓源名字改為vin2，兩者振幅（amp）為默認值0.5，頻率改為100，vin1的相位為0，vin2的相位（phase）改為180，其他所有參數(shù)均為0。vin1和vin2的下端共同連接一個直流電壓源（即source_v_dc），名稱改為vdc，電壓值為1.5V。電源電壓仍為3V。畫完的電路圖如下： （3）生成spice文件，并且加入include命令、瞬態(tài)掃描命令（掃描時間為0.1秒，步長為0.001）、輸出差動輸入in1和in2及差動輸出out1和out2，最終輸出網(wǎng)表如下： （4）仿真，結果如下： 此圖為差動放大器的差動輸入電壓曲線和相應的輸出電壓曲線，幅度小的為輸入，幅度大的為輸出。 將各個曲線展開得到下圖，這樣可以更清楚地比較輸入和輸出曲線。 圖中，第一條和第三條曲線為輸入差動信號，第二條和第四條曲線為輸出差動信號。 （5）將網(wǎng)表文件中的vdc電壓值改為0.5V，將vin1和vin2的振幅改為1.5V，然后再進行仿真，得到的結果如下： 從此圖可看出：輸出電壓產(chǎn)生了失真。 （6）輸入輸出特性分析。將vdc的電壓值改為0.5V，vin1和vin2的頻率值由100改為0，然后對vin1進行直流電源線性掃描（掃描范圍從-3V到3V，步長為0.02），輸出電壓為v（out1，out2）（即輸出中選Voltage，節(jié)點為out1，參考點為out2），網(wǎng)表文件如下： 仿真后的結果如下： 三、思考題 實驗四 兩級運放性能仿真 一、實驗目的 1、復習CMOS運算放大器的電路結構及工作原理。 2、學習兩級運放的性能仿真方法。 二、實驗內(nèi)容 （1）畫電路圖。（2）加入電源電壓，并修改電路參數(shù)。電源電壓為5V，in1和in2對地電壓為直流電壓1.5V和正弦波電壓0.01V，并且兩個正弦波電壓相位相差180。電容為相位補償電容，值為5pF。畫完的電路圖如下： （3）輸出第一級放大器和第二級放大器的輸出波形。輸出網(wǎng)表，加入include命令，“.tran/op 1m 40m method=bdf”命令和“.print tran v(N3) v(out)”（N3節(jié)點是指M2管的漏極節(jié)點即第一級放大器的輸出）命令，完整的spice文件如下： （4）仿真結果如下： 三、思考題 實驗五 放大器頻率特性仿真 一、實驗目的 1、復習CMOS單級放大器和差動放大器的頻率特性。 2、學習單級放大器和差動放大器的性能仿真方法。 二、實驗內(nèi)容及相應結果 2.1 電阻負載共源級的頻率特性 （1）畫電路圖，其中電源電壓為5V，電阻值為5000歐，輸入電壓為直流電壓2.0V和交流電壓（即source_v_ac器件，振幅（mag）為0.1V，vdc為0.5V），MOS管的柵寬/長為100/10u。畫完的電路圖如下： （2）輸出網(wǎng)表文件，然后加入include命令，交流頻率掃描“.ac dec 5 10meg 10G”（dec表示以10為底的對數(shù)頻率掃描，5表示每個頻率的十進數(shù)間包括5個點，10meg 10G表示掃描頻率從10MHz到10GHz），輸出命令“.print ac vm(out)”（vm表示輸出電壓的幅度），完整網(wǎng)表： （3）仿真結果如下： 圖中，橫軸為輸入電壓頻率，縱軸為輸出電壓幅度，顯示了電阻負載共源放大器的頻率特性。信號頻率不宜太低。 2.2 源跟隨器的頻率特性 （1）畫電路圖，其中電源電壓為3V，電阻值為5000歐，輸入電壓為直流電壓1.0V和交流電壓（即source_v_ac器件，振幅（mag）為0.1V，vdc為0.5V），MOS管的柵寬/長為100/10u。畫完的電路圖如下： （2）輸出網(wǎng)表文件，然后加入include命令，交流頻率掃描“.ac dec 5 10meg 10G”，輸出命令“.print ac vm(out)”，完整網(wǎng)表如下： （3）仿真結果如下： （4）也可以以分貝的形式輸出，只需將輸出語句改為“.print acvdb(out)”即可。仿真結果： 2.3 共源共柵放大器的頻率特性 （1）畫電路圖，其中電源電壓為3V，電阻值為5000歐，輸入電壓為直流電壓1.0V和交流電壓（即source_v_ac器件，振幅（mag）為0.1V，vdc為0.5V），兩個MOS管的柵寬/長為100/10u，共柵管的柵壓為2.5V。畫完的電路圖如下： （2）輸出網(wǎng)表文件，然后加入include命令，交流頻率掃描“.ac dec 5 10meg 10G”，輸出命令“.print ac vdb(out)”，完整網(wǎng)表如下： （3）仿真結果如下： 2.4 基本差動對的頻率特性 （1）畫電路圖，其中電源電壓為3V，輸入電壓為直流電壓1.5V和交流電壓（即source_v_ac器件，振幅（mag）為0.1V，vdc為0.5V，相位為180），尾電流為500uA。 （2）輸出網(wǎng)表文件，然后加入include命令，交流頻率掃描“.ac dec 5 10meg 10G”，輸出命令“.print ac vdb(out)”，完整網(wǎng)表如下： （3）仿真結果如下： 三、思考題 1. 將圖5.2中的MOS管寬度改為10u，再進行仿真，給出仿真結果為：