Thiết kế vi mạch tương tự UIT LAB1 Khảo sát hoạt động của pmos, nmos và current mirror trên GCD và PSPICE

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
KHOA KỸ THUẬT MÁY TÍNH
------- o0o -------

THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ
Lab1: Khảo sát hoạt động của pmos, nmos
và current mirror trên GCD và PSPICE

Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 3 năm 2018


MỤC LỤC
MỤC LỤC ........................................................................................................................................................ 2
DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................................................................ 3
1.

KHẢO SÁT TRÊN PHẦN MỀM PSPICE .............................................................................................. 4
1.1.

Khảo sát Id của mạch như hình 2b...................................................................................................... 4

1.2.

Khảo sát dòng Id pMOS (đặc tính I – V) – 2c .................................................................................... 5

1.3.

Khảo sát Iref và Iout trong mạch 2d-1 .................................................................................................. 7

1.3.1.

Trường hợp W/L khác nhau ........................................................................................................ 7

1.3.2.

Trường hợp W/L giống nhau ...................................................................................................... 8

1.4.

3.

Khảo sát Iref và Iout trong mạch 2d-2 .................................................................................................. 9

1.4.1.

Trường hợp W/L khác nhau ...................................................................................................... 10

1.4.2.

Trường hợp W/L giống nhau .................................................................................................... 10

KHẢO SÁT TRÊN PHẦN MỀM GCD VÀ HSPICE ........................................................................... 12
3.1.

Khảo sát Id của mạch như hình 2b.................................................................................................... 12

3.2.

Khảo sát dòng Id pMOS (đặc tính I – V) – 2c .................................................................................. 13

3.3.

Khảo sát Iref và Iout trong mạch 2d-1 ................................................................................................ 15

3.3.1.

Trường hợp W/L giống nhau .................................................................................................... 15

3.3.2.

Trường hợp W/L khác nhau ...................................................................................................... 16

3.4.

Khảo sát Iref và Iout trong mạch 2d-2 ................................................................................................ 18

3.4.1.

Trường hợp W/L giống nhau .................................................................................................... 18

3.4.2.

Trường hợp W/L khác nhau ...................................................................................................... 20

2|Page


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Figure 1 Mạch 1 ................................................................................................................................................ 4
Figure 2 Mô tả spice cho mạch ......................................................................................................................... 4
Figure 3 Thư viện level3 CMOS ...................................................................................................................... 5

Figure 4 Waveform Id ....................................................................................................................................... 5
Figure 5 Mô tả spice pMOS .............................................................................................................................. 6
Figure 6 Waveform pMOS ............................................................................................................................... 6
Figure 7 Mạch curent mirror dùng nMOS ........................................................................................................ 7
Figure 8 Mô tả spice cho mạch ......................................................................................................................... 7
Figure 9 Waveform cho mạch........................................................................................................................... 8
Figure 10 Mô tả spice cho mạch ....................................................................................................................... 8
Figure 11 Waveform cho mạch......................................................................................................................... 9
Figure 12 Mạch curent mirror dùng nMOS ...................................................................................................... 9
Figure 13 Mô tả spice cho mạch ..................................................................................................................... 10
Figure 14 Waveform cho mạch....................................................................................................................... 10
Figure 15 Mô tả spice cho mạch ..................................................................................................................... 11
Figure 16 Waveform cho mạch....................................................................................................................... 11
Figure 17 Schematic mạch b ........................................................................................................................... 12
Figure 18 Waveform mô phỏng dựa trên thư viện 90RF ................................................................................ 13
Figure 19 Schematic PMOS............................................................................................................................ 13
Figure 20 Waveform PMOS ........................................................................................................................... 14
Figure 21 Schematic current mirror using nmos............................................................................................. 15
Figure 22 Waveform curent mirror using nmos ............................................................................................. 16
Figure 23 Schematic current mirror using nmos............................................................................................. 16
Figure 24 Waveform current mirror using nmos ............................................................................................ 18
Figure 25 Schematic current mirror using pmos............................................................................................. 18
Figure 26 Waveform current mirror using pmos ............................................................................................ 20
Figure 27 Schematic current mirror using nmos............................................................................................. 20
Figure 28 Waveform current mirror using pmos ............................................................................................ 22

3|Page


1. KHẢO SÁT TRÊN PHẦN MỀM PSPICE

1.1. Khảo sát Id của mạch như hình 2b

Figure 1 Mạch 1

Với VSB = 0:5:1, VGS 0:2:1
Tiến hành viết mô tả bằng ngôn ngữ spice như sau:

Figure 2 Mô tả spice cho mạch

Trong đó, thư viện cmos_l3.lib mô tả các thông số level3 của nmos và pmos như sau

4|Page


Figure 3 Thư viện level3 CMOS

Thực hiện mô phỏng và trace tín hiệu Id, được kết quả như hình bên dưới

Figure 4 Waveform Id

1.2. Khảo sát dòng Id pMOS (đặc tính I – V) – 2c
Tiến hành viết mô tả bằng ngôn ngữ spice như sau

5|Page


Figure 5 Mô tả spice pMOS

Thư viện include được mô tả trong Figure 3

Figure 6 Waveform pMOS

6|Page


1.3. Khảo sát Iref và Iout trong mạch 2d-1

Figure 7 Mạch curent mirror dùng nMOS

1.3.1.
Trường hợp W/L khác nhau
Tiến hành viết mô tả bằng ngôn ngữ spice như sau:

Figure 8 Mô tả spice cho mạch

Thư viện include được mô tả trong Figure 3.

7|Page


Figure 9 Waveform cho mạch

1.3.2.
Trường hợp W/L giống nhau
Tiến hành viết mô tả bằng ngôn ngữ spice với định nghĩa Vout có giá trị 3.3V và VDD chạy từ 0 tới 5V,
bước nhảy 1m

Figure 10 Mô tả spice cho mạch

Thư viện include được mô tả trong Figure 3

8|Page


Figure 11 Waveform cho mạch

1.4. Khảo sát Iref và Iout trong mạch 2d-2

Figure 12 Mạch curent mirror dùng nMOS

9|Page


1.4.1.
Trường hợp W/L khác nhau
Tiến hành viết mô tả bằng ngôn ngữ spice như sau:

Figure 13 Mô tả spice cho mạch

Thư viện include được mô tả trong Figure 3.

Figure 14 Waveform cho mạch

1.4.2.
Trường hợp W/L giống nhau
Tiến hành viết mô tả bằng ngôn ngữ spice với định nghĩa Vout có giá trị 3.3V và VDD chạy từ 0 tới 5V,
bước nhảy 1m

10 | P a g e

Figure 15 Mô tả spice cho mạch

Thư viện include được mô tả trong Figure 3.

Figure 16 Waveform cho mạch

11 | P a g e


3. KHẢO SÁT TRÊN PHẦN MỀM GCD VÀ HSPICE
3.1. Khảo sát Id của mạch như hình 2b
Tiến hành vẽ lại mạch trên GCD:

Figure 17 Schematic mạch b

Tiến hành trích xuất netlist spice:
*

Generated for: HSPICE

* Design library name: vmtt
* Design cell name: 2b
* Design view name: schematic
.option PARHIER = LOCAL
.option ARTIST=2 PSF=2
.temp 25
.include './reference_models.inc'
*Custom Designer (TM) Version E-2011.03
*Sat Nov 4 10:11:42 2017

.GLOBAL gnd!
m0 net21 net24 gnd! net26 N w=10u l=1u nf=1 m=1 ad=2.2p as=2.2p
pd=10.44u ps=10.44u
+ nrd=22.0m nrs=22.0m sa=0.22u sb=0.22u sd=0
v3 net24 gnd! dc=2
v2 gnd! net26 dc=5
v1 net21 gnd! dc=5
.dc v2 0 5 1m v3 0 2 0.5
.option opfile=1 split_dp=1
.probe dc i1(m0)
.end

12 | P a g e


Sử dụng Custom Waveview để kiểm tra netlist

Figure 18 Waveform mô phỏng dựa trên thư viện 90RF

3.2. Khảo sát dòng Id pMOS (đặc tính I – V) – 2c
Tiến hành vẽ lại mạch trên GCD:

Figure 19 Schematic PMOS

13 | P a g e


Tiến hành trích xuất netlist spice:
* Generated for: HSPICE
* Design library name: vmtt

* Design cell name: 2c
* Design view name: schematic
.option PARHIER = LOCAL
.option ARTIST=2 PSF=2
.temp 25
.include './reference_models.inc'
*Custom Designer (TM) Version E-2011.03
*Sat Nov 4 10:27:41 2017
m0 gnd! net6 net4 vdd! P w=10u l=1u nf=1 m=1 ad=2.2p as=2.2p
pd=10.44u ps=10.44u
+ nrd=22.0m nrs=22.0m sa=0.22u sb=0.22u sd=0
v2 net6 gnd! dc=5
v1 net4 gnd! dc=5
.dc v1 0 -5 1m v2 0 -1.8 0.3
.option opfile=1 split_dp=1
.probe dc i3(m0)
.end

Sử dụng Custom Waveview để kiểm tra netlist

Figure 20 Waveform PMOS

14 | P a g e


3.3. Khảo sát Iref và Iout trong mạch 2d-1
3.3.1.
Trường hợp W/L giống nhau
Tiến hành vẽ lại mạch trên GCD:

Figure 21 Schematic current mirror using nmos

Tiến hành trích xuất netlist spice:
*
*
*
*

Generated for: HSPICE
Design library name: vmtt
Design cell name: 2d
Design view name: schematic

.option PARHIER = LOCAL
.option ARTIST=2 PSF=2
.temp 25
.include './reference_models.inc'
*Custom Designer (TM) Version E-2011.03
*Sat Nov 4 10:59:31 2017
.GLOBAL gnd!
v7 net35 gnd! dc=1.8
v6 net37 gnd! dc=1.8
m5 net37 net37 gnd! gnd! N w=10u l=1u nf=1 m=1 ad=2.2p as=2.2p
pd=10.44u ps=10.44u
+ nrd=22.0m nrs=22.0m sa=0.22u sb=0.22u sd=0
m4 net35 net37 gnd! gnd! N w=10u l=1u nf=1 m=1 ad=2.2p as=2.2p
pd=10.44u ps=10.44u
+ nrd=22.0m nrs=22.0m sa=0.22u sb=0.22u sd=0
.dc v6 0 1.8 1m
.option opfile=1 split_dp=1

.probe dc i1(m4) i1(m5)
.end

15 | P a g e


Sử dụng Hspice để kiểm tra netlist

Figure 22 Waveform curent mirror using nmos

3.3.2.
Trường hợp W/L khác nhau
Tiến hành vẽ lại mạch trên GCD:

Figure 23 Schematic current mirror using nmos

16 | P a g e


Tiến hành trích xuất netlist spice:
*
*
*
*

Generated for: HSPICE
Design library name: vmtt
Design cell name: 2d
Design view name: schematic

.option PARHIER = LOCAL
.option ARTIST=2 PSF=2
.temp 25
.include './reference_models.inc'
*Custom Designer (TM) Version E-2011.03
*Sat Nov 4 10:59:31 2017
.GLOBAL gnd!
v7 net35 gnd! dc=1.8
v6 net37 gnd! dc=1.8
m5 net37 net37 gnd! gnd! N w=10u l=1u nf=1 m=1 ad=2.2p as=2.2p
pd=10.44u ps=10.44u
+ nrd=22.0m nrs=22.0m sa=0.22u sb=0.22u sd=0
m4 net35 net37 gnd! gnd! N w=20u l=1u nf=1 m=1 ad=4.4p as=4.4p
pd=20.44u ps=20.44u
+ nrd=11.0m nrs=11.0m sa=0.22u sb=0.22u sd=0
.dc v6 0 1.8 1m
.option opfile=1 split_dp=1
.probe dc i1(m4) i1(m5)
.end

17 | P a g e


Sử dụng Hspice để kiểm tra netlist

Figure 24 Waveform current mirror using nmos

Nhận xét: Khi W/L của 2 CMOS bằng nhau, giá trị I cho ra bằng nhau. Khi có sự chênh lệnh, CMOS
nào có tỉ lệ W/L cao hơn thì sẽ có dòng lớn hơn.

3.4. Khảo sát Iref và Iout trong mạch 2d-2
3.4.1.
Trường hợp W/L giống nhau
Tiến hành vẽ lại mạch trên GCD:

Figure 25 Schematic current mirror using pmos

18 | P a g e


Tiến hành trích xuất netlist spice:
* Generated for: HSPICE
* Design library name: vmtt
* Design cell name: 2c
* Design view name: schematic
.option PARHIER = LOCAL
.option ARTIST=2 PSF=2
.temp 25
.include './reference_models.inc'
*Custom Designer (TM) Version E-2011.03
*Sat Nov 4 11:21:30 2017
.GLOBAL vdd!
v12 net52 net54 dc=1.8
m11 net54 net47 net52 vdd! P w=10u l=1u nf=1 m=1 ad=2.2p
as=2.2p pd=10.44u ps=10.44u
+ nrd=22.0m nrs=22.0m sa=0.22u sb=0.22u sd=0
m10 net54 net47 net52 vdd! P w=10u l=1u nf=1 m=1 ad=2.2p
as=2.2p pd=10.44u ps=10.44u
+ nrd=22.0m nrs=22.0m sa=0.22u sb=0.22u sd=0
.dc v12 0 1.8 1m

.option opfile=1 split_dp=1
.probe dc i1(m10) i1(m11)
.end

19 | P a g e


Sử dụng Hspice để kiểm tra netlist

Figure 26 Waveform current mirror using pmos

3.4.2.
Trường hợp W/L khác nhau
Tiến hành vẽ lại mạch trên GCD:

Figure 27 Schematic current mirror using nmos

20 | P a g e


Tiến hành trích xuất netlist spice:
*
*
*
*

Generated for: HSPICE
Design library name: vmtt
Design cell name: 2c
Design view name: schematic

.option PARHIER = LOCAL
.option ARTIST=2 PSF=2
.temp 25
.include ./reference_models.inc'
*Custom Designer (TM) Version E-2011.03
*Sat Nov 4 11:23:57 2017
.GLOBAL vdd!
v12 net52 net54 dc=1.8
m11 net54 net47 net52 vdd! P w=10u l=1u nf=1 m=1 ad=2.2p
as=2.2p pd=10.44u ps=10.44u
+ nrd=22.0m nrs=22.0m sa=0.22u sb=0.22u sd=0
m10 net54 net47 net52 vdd! P w=20u l=1u nf=1 m=1 ad=4.4p
as=4.4p pd=20.44u ps=20.44u
+ nrd=11.0m nrs=11.0m sa=0.22u sb=0.22u sd=0
.dc v12 0 1.8 1m
.option opfile=1 split_dp=1
.probe dc i1(m10) i1(m11)
.end

21 | P a g e


Sử dụng Hspice
để kiểm tra netlist

Figure 28 Waveform current mirror using pmos

Nhận xét: Khi W/L của 2 CMOS bằng nhau, giá trị I cho ra bằng nhau. Khi có sự chênh lệnh, CMOS
nào có tỉ lệ W/L cao hơn thì sẽ có dòng lớn hơn.

22 | P a g e