CMOS双输入与非门直流特性分析

实验四：与非门的直流分析

一、实验目的

1．掌握T-SPICE 的操作（包括加入工作电源、编辑对象、分析设定、输出设定、进行 模拟、观看结果等）；

2．掌握直流分析的方法及流程，并会分析结果。

二、预习要求

1．了解对一个模块直流分析的基本要求（对电源、输入/输出如何定义）；

2．了解整个直流分析流程。

三、实验内容

1．对与非门进行直流分析；

2．改变参数观看仿真结果。

四、实验报告要求

实验报告包括以下内容：

1．电路原理图及模拟结果；

2．调试过程；

3．遇到的问题及处理方法；

4．实验的体会。

五、操作步骤：

实验步骤：

1．新建文件夹：在电脑E 盘新建文件夹，文件夹名为ex4。

2．打开S-Edit 软件：执行D:\Tanner\tanner\S-Edit 目录下的sedit.exe 文件，即可打开S-Edit 程序。

3．另存新文件：选择File ——Save As 命令，打开“另存为”对话框，在“保存在”下拉 列表中选择保存的路径，在“文件名”文本框中输入新文件的名称，如ex4, 如图下图所示。

4．复制NAND 模块：要复制ex2 的NAND 模块到ex4 文件中，必须先打开实验二编辑的

文件“ex2.sdb ”，选择File ——Open 打开ex2.sdb 文件。进行复制之前必须回到ex4 文件环

境，方法为选择Module ——Open 命令，打开Open Module 对话框，在Files 下拉列表中选 择ex4 选项，单击OK 按钮，回到ex4 环境，才能进行复制模块的操作。选择Module —— Copy 命令，打开Copy Module 对话框，如下图所示，在Files 下拉列表中选择ex2 选项，在

Select Module To Copy 列表框中选择NAND 选项，单击OK 按钮，即完成将NAND 模块从

ex2 文件中复制到ex4 文件的操作。

5．打开NAND 模块：由于上一步骤复制模块的操作只是在ex4 文件中增加了NAND 模块 (还有NAND 引用到的模块Vdd, Gnd，MOSFET_N 与MOSFET_P )，而ex4 依旧在Module0 模块的编辑环境下，所以要编辑NAND 模块必须先选择Module ——open 命令，打开Open Module 对话框，如下图所示，在Files 下拉列表中选择ex4 选项，在Select Module To Open 列表框中选择NAND 选项，单击OK 按钮。

6．加入工作电源：确定NAND 模块在电路设计模式(Schematic Mode)下，再选择Module Symbol Browser 命令，打开Symbol Browser 对话框，在Library 列表框中选择spice 组件 库，其内含模块出现在Modules 列表框中，其中有很多种电压源符号，选取出直流电压源 Source_v_dc 作为此电路的工作电压源。直流电压源Source_v_dc 符号有正(十) 端与负(一) 端。在NAND 模块编辑窗口中将直流电压源Source_v_dc 符号的正(+)端接Vdd ，将直流电压源Source_v_dc 符号的负(一) 端接Gnd ，连接的结果如下图所示。

7．加入输入信号：在此范例输入信号源也选用直流电压源Source_v_dc, 可以利用Module ——Instance 命令，引用Source_v_dc 模块，或选取编辑窗口内的Source_v_dc 符号使成 红色，利用Edit ——Duplicate 命令复制两个Source_v_dc 符号作为与非门输入信号，将其 中一个直流电压源Source_v_dc 符号的正(+)端接输入端口A ，将其负(一) 端接Gnd 。再将另 外一个直流电压源Source_v_dc 符号的正(+)端接输入端口B, 将其负(一) 端接Gnd ，则编辑 完成画面出现，如下图所示。

8．更改模块名称：因在本章中是利用与非门电路学习使用T-SPICE 的直流分析功能，后 面还需要将该电路应用在其他种的分析之中，为避免以后文件混杂，故将原来的模块名称 NAND 变成NAND_dc。选择Module ——Rename 命令，打开Module Rename 对话框，在New module’s name 文本框中输入“NAND_dc”，如下图所示，之后单击OK 按钮。

9．编辑Source_v_dc 对象：NAND_dc 模块有3 个直流电压源Source_v_dc 符号，要便于区分这3 个直流电压源Source_v_dc 符号，利用编辑对象功能更改其引用名称与SPICE 输出形式即可。选取在Vdd 与Gnd 之间的Source_v_dc 符号使之成为红色，再选择Edit ——Edit Object 命令, 打开Edit Instance of Module Source_v_dc 对话框，更改Source_v_dc符号引用名称Instance Name 为“vvdd" ，如下图所示，再将Properties 选项组中的SPICE OUTPUT 文本框的内容中的“v#”改为“${instance}”，即SPICE OUTPUT 文本框的内容变为“${instance} %{pos} %{neg} ${V}”。要注意，其V 为默认值5.0。做此修改后，SPICE 输出形式会是vvdd Vdd Gnd 5.0.

再选取在A 与Gnd 之间的Source_v_dc 符号使之变成红色，选择Edit ——Edit Object命令，打开Edit Instance of Module Source_v_dc 对话框，更改Source_v_dc 符号引用名称Instance Name 为“va ”，再将Properties 选项组中的SPICE OUTPUT 文本框的内容中的“v#”改为“${instance}”， 即 SPICE OUTPUT 文本框的内容变为“${instance} %{pos} %{neg} ${V}”。做此修改后，SPICE 输出形式会是va A Gnd 5.0。再选取在B 与Gnd 之间的Source_v_dc 符号使之变成红色，选择Edit ——EditObject 命令，打开Edit Instance of Module Source_v_dc 对话框，更改Source_v_dc 符号引用名称Instance Name 为“vb ”，再将 Properties 选项组中的 SPICE OUTPUT 文本框的内容中的“v#”改为“${instance}”，即SPICE OUTPUT 文本框的内容变为“${instance}%{pos} %{neg} ${V}”。做此修改后，SPICE 输出形式会是vb B Gnd 5.0。

10．输出成SPICE 文件：要将设计好的S-Edit 电路图借助SPICE 软件分析与模拟此电路的性质，需要先将电路图转换成SPICE 格式，将电路图转换成SPICE 格式共有两种，第一种方法是单击S-Edit 右上方按钮，则系统会自动输出成SPICE 文件并打开T-SPICE 软件；第二种方法则是选择File ——Export 命令输出文件，再打开T-SPICE 程序( 选择在D:\Tanner\tanner\TSpice70 目录下的wintsp32.exe 文件，之后打开从ex4 的NAND_dc 模块输出的NAND_dc.sp 文件，结果如下图所示。

11．加载包含文件：由于不同的流程有不同的特性，在模拟之前，必须要引入CMOS 组件的模型文件，此模型文件内包括电容电阻系数等数据，以供T-SPICE 模拟之用，本章引用

1.25um 的CMOS 流程组件模型文件m12_125.md。将鼠标移至主要电路之前，选择Edit ——Insert Command 命令，在出现的对话框的列表框中选择Files 选项，在右边窗口将出现4个按钮，可直接单击其中的Include 按钮，或者展开左侧列表框中的Files 选项，并选择其中的Include file 选项之后，打开如下图所示的画面，单击Browser 按钮，在出现对话框中找到D:\Tanner\tanner\TSpice70\models\目录，选取其中的模型文件m12_125.md，这样，在Includefile 选项组中将会出现“ D:\Tanner\tanner\TSpice70\models\ml2_125.md”。再单击Insert Command 按钮，则会出现默认以红色字开头的

"D:\Tanner\tanner\TSpice70\models\ml2_125.md"，如下图所示。

12．分析设定：本范例为与非门的直流分析，在此模拟输入电压va 从0V 变动到5V 时(以 0.1V 线性增加) ，vb 从0V 变动5V 时(以1V 线性增加) ，输出电压对输入电压的变动结果。 选择Edit ——Insert Command 命令。在出现的对话框中的列表框中选择Analysis 选项，右 边窗口出现8 个选项，再在Analysis 选项下选择DC transfer sweep 选项，在右边窗口单击 Sweep l 按钮，打开Sweep 对话框，如下图所示。在Sweep type 下拉列表中选择Linear 选 项，在Parameter type 下拉列表中选择Source 选项，在Source name 文本框中输入“va ”，在Start 文本框中输入“0”，在Stop 文本框中输入“5.0”，在Increment 文本框中输入"0.1 "， 单击Accept 按钮。

单击Sweep2 按钮，打开Sweep 对话框，如下图所示。在Sweep type 下拉列表中选择Linear 选项，在Parameter type 下拉列表中选择Source 选项，在Source name 文本框中输入"vb" ，在Start 文本框中输入“0”，在Stop 文本框中输入“5.0”，在Increment 文本框中输入“1”，单击Accept 按钮，

之后单击Insert Command 按钮，将会出现“.dc lin source va 0 5.0 0.1 sweep lin source vb 0 5.0 1”的文字，如下图所示。要注意，在上述步骤中，设定按钮Sweepl 及Sweep2 的内容时， 按钮Sweep2 中的Increment 文本框中的值不应太小。

13. 输出设定：在此要观察的是在不同输入节点A 电压va 与输入节点B 电压vb 下，输出节点OUT 的电压模拟结果。选择Edit ——Insert Command 命令，在出现的对话框的列表框中选择Output 选项，右边窗口将出现7 个选项，再在Output 选项中选择DC results 选项，将出现如下图所示的对话框，在右边出现的Plot type 下拉列表中选择V oltage 选项，在Nodename 文本框中输入“Y ”，单击Add 按钮，之后单击Insert Command 按钮，将会出现“.printdc v(Y)”的文字，如下图所示。

14．进行模拟：选择Simulate ——Start Simulation 命令，或单击按钮

Simulation 对话框，如下图所示。

，打开Run

单击Start Simulation 按钮，将出现模拟状况的窗口Simulation Status，如下图所示，并 会自动打开W-Editor 窗口来观看模拟波形图。

15. 观看结果：可在T-SPICE 环境下打开模拟结果NAND_dc.out 报告文件，如下图所示。

注意第一行是va 从0—5V 的扫描值纪录，第二行是输出节点Y 的电压值纪录，共有6 组 va 从0—5V 的扫描值纪录，它们分别配合不同的vb 值，产生6 组节点OUT 的电压值。 也可以在W-Edit 中观看NAND 的直流分析结果Nand2_dc.out，如下图所示。

其中，纵坐标为输出电压，横坐标为A 输入的电压va ，其中有6 条线分别为不同的B 输入电压vb ，如上图中，粉红色为vb=0V ，蓝色为 vb=1V ，黄色为vb=2V ，橘色为vb=3V ，绿色为vb=4V，红色为vb=5V。可以连续单击线两次，观看曲线的性质，例如，连续单击橘色曲线两次，打开Trace Properties 对话框，如下图所示，可从图中看到此条曲线为vb=3，输出电压v (Y)对va 的直流分析图，而且从此图还可证明本实例的电路符合与非门的特性，例如，粉红色曲线vb=0V 表示vb 输入为low ，则无论va 输入为low 或high(0V 或5V) ，输出皆为high(5V)。而黑色曲线vb=5V 表示vb 输入为high ，当va 输入为 low(va=0V)时输出为high(5V)，而当va 输入为high(va=5V)时输出则为low(0V)。