模拟电路课件 北航自动化 Unit2.

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1、上机课安排 (第4、5周4段新主楼F座535机房） 周一周三周四周五周六周日 上午 8:00- 12:00 1721 1722 1732 （13周 ） 1731 1712 （12周） 下午 2:00-6:00 1521 （13周 ） 晚上 6:00- 10:00 1522 （12周 ） 1711& 1741 （12周 和13周 ） 1522 （12周 ） Unit 2Unit 2 SPICESPICE Simulation Program with Integrated Circuit Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis-Be

2、rkeleyEmphasis-Berkeley 19721972推出推出,fortran,fortran语言，语言，19751975年推出正式实年推出正式实 用化版本，用化版本，19851985年使用年使用c c语言改写语言改写 19881988年被定为美国国家工业标准年被定为美国国家工业标准 非线性直流分析、非线性瞬态分析和线性非线性直流分析、非线性瞬态分析和线性 交流分析。交流分析。 被分析的电路中的元件可包括电阻、电容被分析的电路中的元件可包括电阻、电容 、电感、互感、独立电压源、独立电流源、电感、互感、独立电压源、独立电流源 、各种线性受控源、传输线以及有源半导、各种线性受控源、传输线

3、以及有源半导 体器件体器件 SPICESPICE PSpice 1984PSpice 1984年年MicroSimMicroSim推出推出SPICESPICE微机版微机版 基于基于SpiceSpice的模拟电路软件：的模拟电路软件： MicroSimMicroSim的的PSpicePSpice，CadenceCadence的的SPICESPICE， AnalogAnalog的的SaberSaber，Interactive Image Techn Interactive Image Techn -ologies-ologies的的WorkenchWorkench 计算机电路模拟分析计算机电路模拟

4、分析 基于基于SPICESPICE核的工具软件核的工具软件 HSPICEHSPICE n n SynopsysSynopsys公司的工业级电路分析产品。公司的工业级电路分析产品。 n n 可以对电路进行稳态、瞬态和频域分析、蒙特卡洛可以对电路进行稳态、瞬态和频域分析、蒙特卡洛 分析、最坏情况分析、参数扫描分析、数据表扫描分析、最坏情况分析、参数扫描分析、数据表扫描 分析等。分析等。 n n 仿真的精度和速度都较好，具备可靠的自动收敛能仿真的精度和速度都较好，具备可靠的自动收敛能 力。力。 n n 可运行在可运行在Sun UltraSun Ultra、Sun BladeSun Blade、HP

5、PAHP PA、IBM IBM RS6000RS6000、DEC AlphaDEC Alpha、PCPC等计算机平台上，支持等计算机平台上，支持 UNIXUNIX、WindowsWindows、LinuxLinux等操作系统。等操作系统。 基于基于SPICESPICE核的工具软件核的工具软件 PspicePspice n n 目前广泛使用的目前广泛使用的PspicePspice是是MicroSimMicroSim的产的产 品。品。 n n 它不仅具有它不仅具有SPICESPICE原有的功能，而且在输原有的功能，而且在输 入输出、图形处理、算法的可靠性和收敛入输出、图形处理、算法的可靠性和收敛

6、性、仿真速度、模拟功能扩展以及模型参性、仿真速度、模拟功能扩展以及模型参 数库和宏模型库等方面都有所改善和扩充数库和宏模型库等方面都有所改善和扩充 。 n n 主要运行于主要运行于PCPC机平台上。机平台上。 元 件 线形元件: 电阻、电容、电感、恒流（压）源等 非线性元件：二极管、三极管、MOS管等 元件 模型 物理模型: 分析元件内部物理特性上构造模型,电 阻、电容等 宏模型: 元件的输入/输出外特性参数来构造模型 ，运放等 选取不同模型分析的精度不同选取不同模型分析的精度不同 不同模型的模型参数不同，模型越复杂，参数越多不同模型的模型参数不同，模型越复杂，参数越多 无源无源器件结构及模型

7、器件结构及模型 电阻电阻 电容电容 电感电感 分布参数元件分布参数元件 电阻电阻 n 集成电路中的电阻分为 ： l 无源电阻 通常是合金材料或采用掺杂半导体制作的电阻 l 有源电阻 将晶体管进行适当的连接和偏置，利用晶体管的 不同的工作区所表现出来的不同的电阻特性来做电阻。 无源电阻图形尺寸的计算 方块电阻的几何图形 材料最小值典型值最大值 互连金属0.050.070.1 顶层金属0.030.040.05 多晶硅152030 硅-金属氧化物236 扩散层1025100 硅氧化物扩散2410 N阱（或P阱）1k2k5k 0.5-1.0m MOS工艺中作为导电层的典型的薄层电阻阻值 单位:/口 有

8、源电阻有源电阻 有源电阻是指采用晶体管进行适当的连接有源电阻是指采用晶体管进行适当的连接 并使其工作在一定的状态，利用它的直流并使其工作在一定的状态，利用它的直流 导通电阻和交流电阻作为电路中的电阻元导通电阻和交流电阻作为电路中的电阻元 件使用。件使用。 双极型晶体管和双极型晶体管和MOSMOS晶体管可以担当有源晶体管可以担当有源 电阻。电阻。 有源电阻 有源电阻的几种形式： 电阻电阻 模型参数：模型参数：R R，TC1TC1线性温度系数，线性温度系数，TC2TC2平平 方温度系数，方温度系数，TCETCE指数温度系数指数温度系数, T0, T0室温室温 RESRESR1+TC1(T-T0)+

9、TC2(T-T0)R1+TC1(T-T0)+TC2(T-T0) 2 2 RES=R1.01RES=R1.01TCE(T-T0) TCE(T-T0) 噪声功率噪声功率( (电流）电流）I I4kT/R4kT/R 电容 n 在集成电路中，有多种电容结构： l 金属-绝缘体-金属(MIM)结构 l 多晶硅/金属-绝缘体-多晶硅结构 l 金属叉指结构 l 利用二极管和三极管的结电容 l MOS电容 电容器电容器 模型参数：模型参数：C C，VC1VC1线性电压系数，线性电压系数，VC2VC2平平 方电压系数方电压系数 CAPCAPC C（1+VC11+VC1 . . V V+VC2+VC2 . . V

10、 V2 2 ) ) 电感电感 在集成电路开始出现很长一段时间内，人在集成电路开始出现很长一段时间内，人 们一直认为电感不能集成到芯片上们一直认为电感不能集成到芯片上 现在情况不同，集成电路的速度越来越快现在情况不同，集成电路的速度越来越快 ，芯片上金属结构的电感效应越来越明显，芯片上金属结构的电感效应越来越明显 ，芯片电感的实现成为可能，芯片电感的实现成为可能 半绝缘半绝缘GaAsGaAs衬底、高阻衬底、高阻SiSi衬底、挖去衬底衬底、挖去衬底 的空气桥形金属结构使电感获得有用的品的空气桥形金属结构使电感获得有用的品 质因素质因素 电感电感 集总电感可以有下列两种形式： 单匝线圈多匝螺旋型线圈

11、 多匝直角型线圈 电感器电感器 IND=L(1+IL1IND=L(1+IL1 . . I+IL2I+IL2 . . I I 2 2 ) ) ，参数，参数IL1IL1线性电流线性电流 系数，系数，IL2IL2平方电流系数平方电流系数 二极管二极管及其及其SPICESPICE模型模型 二极管等效电路模型 端电压V与结电压VD的关系是： 其中 高频下： 势垒电容Cj： 扩散电容Cd： 二极管在反向偏压很大时会发生击穿。专门设计在击穿状态下工作的 二极管称为齐纳二极管。但二极管的电流电压方程没有预示这种击穿，实 际电路设计中需借助SPICE等模拟工具来大致确定击穿电压值。 参 数 名公式中符号SPIC

12、E中符号单 位SPICE中默认值 饱和电流ISISA1.0E-14 发射系数nN-1 串联体电阻RSRS0 渡越时间TTTSec0 零偏势垒电容Cj0CJ0F0 梯度因子mM-0.5 PN结内建势垒V0VJV1 二极管模型参数对照表 二极管参数二极管参数 二极管的噪声模型二极管的噪声模型 热噪声热噪声 ： n 闪烁（1/f）噪声和散粒噪声 ： KF和AF是噪声系数 双双极型晶体管及其极型晶体管及其SPICESPICE模型模型 双极型晶体管模型：双极型晶体管模型： （1 1） Ebers-MollEbers-Moll（即（即EMEM）模型模型 大信号非线性大信号非线性 EbersEbers和和M

13、ollMoll于于19541954年提出年提出 （2 2）Gummel-PoonGummel-Poon（即（即GPGP）模型）模型 含二阶模型含二阶模型 GummelGummel和和Poon Poon 于于19701970年提出年提出 虽然NPN晶体管常被设想为在两个N沟层之间夹着一个 P型区的对称型三层结构。但与MOS器件不同的是：集电 区与发射区这两个电极不能互换。 注意： 双极型晶体管EM直流模型 EM小信号等效电路 gmF：正向区跨导 r：输入电阻 r0：输出电阻 gmR：反向区跨导 r：集电极-基极电阻 C ：基极-集电极电容 CCS ：集电极-衬底电容 C：发-基极等效电容 双极型

14、晶体管的GP模型 v GP模型对EM2模型作了以下几方面的改进 ： （1）直流特性 反映了基区宽度调制效应，改善了输出电导、电流增益和特征频率 。反映了共射极电流放大倍数随电流和电压的变化 。 （2）交流特性 考虑了正向渡越时间F随集电极电流IC的变化，解决了在大注入条 件下由于基区展宽效应使特征频率fT和IC成反比的特性 。 （3）考虑了大注入效应，改善了高电平下的伏安特性 （4）考虑了模型参数和温度的关系 （5）根据横向和纵向双极晶体管的不同，考虑了外延层电荷存储引起 的准饱和效应 。 GP直流模型 GP小信号模型 MOSMOS场效应晶体管及其场效应晶体管及其SPICESPICE模型模型

15、SPICESPICE软件，包含软件，包含MOSMOS管模型：管模型：1 1级、级、2 2级和级和3 3级三个模型。级三个模型。 但是，但是，MOSMOS管的结构尺寸缩小到亚微米范围后，多维的物管的结构尺寸缩小到亚微米范围后，多维的物 理效应和寄生效应使得对理效应和寄生效应使得对MOSMOS管特性影响很大，这对模型管特性影响很大，这对模型 提出了更好的要求。模型越复杂，参数越多，其模拟精度越提出了更好的要求。模型越复杂，参数越多，其模拟精度越 高。高。 2020世纪世纪9090年代，年代， UC BerkeleyUC Berkeley推出推出BISM3BISM3模型，对亚微米模型，对亚微米 MO

16、SMOS器件特性描述更精确。商用版器件特性描述更精确。商用版BISM3BISM3模型还进行模型还进行优化优化 高精度与模拟效率相矛盾。依据不同需要，常将高精度与模拟效率相矛盾。依据不同需要，常将MOSMOS模型模型 分成不同级别。分成不同级别。 几种常用几种常用MOSFETMOSFET模型介绍模型介绍 LevelLevel1 1模型是对模型是对MOSFETMOSFET的电流电压关系的电流电压关系 最简单的表示。最早最简单的表示。最早2020世纪世纪6060年代提出，随后年代提出，随后 由由Shichman-HodgesShichman-Hodges加以发展。考虑衬底调制加以发展。考虑衬底调制 效应和沟道长度调制效应。效应和沟道长度调制效应。