ASIC课程设计报告三输入与非门的设计与Hspice仿真

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1、ASIC 课程设计报告课程名称：ASIC 课程设计实验名称：三输入与非门 的设计与 Hspice仿真姓名：学号:班级：指导教师：合肥工业大学电子科学与应用物理学院制一 设计目的学会使用电路设计与仿真软件工具 Hspice，熟练地用网表文件来描述模拟电路，并熟悉应用 Hspice 内部元件库。通过该实验，掌握 Hspice 的设计方法，加深对课程知识的感性认识，增强电路设计与综合分析能力。本次课程设计是用Hspice 软件来实现对三位与非门电路的设计与仿真，熟悉用 MOS器件来设计三位逻辑输入与非门电路，了解用 MOS器件设计与 TTL与非门的优缺点。二 设计原理1、三输入与非门逻辑符号如下图所

2、示：2 电路结构此电路功能为三输入与非门形式，输入为A,B,C, 输出为 Y。用 PMOS和 NMOS管进行全互补连接方式，栅极相连作为输入，电路上面是三个PMOS并联， PMOS的漏极与下面 NMOS的漏极相连作为输出， POMS管的源极和衬底相连接高电平， NMOS管的源极与衬底相连接低电平；原理图如下图 2.12、三输入与非门原理三输入端 CMOS与非门电路，其中包括三个串联的 N沟道增强型 MOS 管和三个并联的 P 沟道增强型 MOS管。每个输入端连到一个 N沟道和一个 P 沟道 MOS管的栅极。当输入端 A、B、C中只要有一个为低电平时，就会使与它相连的 NMOS管截止，与它相连的

3、 PMOS管导通，输出为高电平；仅当 A、B、C全为高电平时，才会使三个串联的 NMOS管都导通，使三个并联的 PMOS管都截止，输出为低电平。二、实验步骤HSPICE 简介SPICE（Simulator Program with Integrated Circuit Emphasis，以集成电路为重点的模拟程序）模拟器最初于20 世纪 70 年代在berkeley 开发完成，能够求解描述晶体管、电阻、电容以及电压源等分量的非线性微分方程。SPICE模拟器提供了许多对电路进行分析的方法，但是数字VLSI电路设计者的主要 兴趣却只集中在直流分析（DC analysis）和瞬态分析（ transi

4、entanalysis）两种方法上，这两种分析方法能够在输入固定或实时变化的情况下对节点的电压进行预测。 SPICE程序最初是使用 FORTRAN语言编写的，所以 SPICE就有其自身的一些相关特点，尤其是在文件格式方面与FORTRAN有很多相似之处。现在，大多数平台都可以得到免费的 SPICE版本，但是，往往只有商业版本的 SPICE才就有更强的数值收敛性。尤其是 HSPICE，其在工业领域的应用非常广泛，就是因为其具有很好的收敛性，能够支持最新的器件以及互连模型，同事还提供了大量的增强功能来评估和优化电路。 PSPICE也是一个商业版本，但是其有面向学生的限制性免费版本。本章所有实例使用的

5、都是 HSPICE，这些实例在平台版本的SPICE中可能不能正常运行。虽然各种 SPICE模拟器的细节随着版本和操作平台的不同而各不相同，但是所有版本的SPICE都是这样工作的：读入一个输入文件，生产一个包括模拟结果、警告信息和错误信息的列表文件。因为以前输入文件经常是以打孔卡片盒的方式提供给主机的，所以人们常常称输入文件为SPICE卡“片盒（ deck）”，输入文件中的每一行都是一张“卡片 ”。输入文件包含一个由各种组件和节点组成的网表。当然输入文件也包含了一些模拟选项、分析指令以及器件模型。网吧可以通过手工的方式输入，也可以从电路图或者 CAD工具的版图 (layout)中提取。一个好的

6、SPICE“卡片盒 ”就好像是一段好的软件代码，必须具有良好的可读性、可维护性以及可重用性。适当地插入一些注释和空白间隔有助于提高 “卡片盒 ”的可读性。一般情况下，书写 SPICE“卡片盒 ”的最 7好方法就是：先找一个功能完备、正确的 “卡片盒 ”范例，然后在此基础上对其进行修改。2、输入网表文件（ *.sp ）Hspice 读入一个输入网表文件，并将模拟结果存在一个输出列表文件或图形数据文件中，输入文件 包含以下内容：（1）电路网表（子电路和宏、电源等）（2）声明所要使用的库（ 3）说明要进行的分析（ 4）说明所要求的输出输入网表文件和库文件可以由原理图的网表生成器或文本编辑器产生。输入

7、网表文件中的第一行必须是标题行，并且.ALTER辅助模型只能出现在文件最后的 .END语句之前，除此之外，其它语句可以按任意顺序排列。三 设计步骤1、写网表文件在文本文档中写出Hspice 软件所要求的网表文件，并另存为*.sp 文件。网表文件如下所示：* Simulation netlist and stimulus VCC VCC GND DC 2.5 *接地vss vss gnd dc 0*在 vss 和 gnd 之间加上 2.5v 直流电压* 以下为分段线性源，分别表示在 a,b,c 节点与 gnd 之间所加电压随时间的变化va a GND pwl(0 0 2.9n 0 3n 2.5

8、5.9n 2.5 6n 0 8.9n 0 9n 2.5 11.9n 2.5 12n 0 14.9n 0 15n 2.5 17.9n 2.5 18n 0 )vb b gnd pwl(0 0 4.9n 0 5n 2.5 9.9n 2.5 10n 0 14.9n 0 15n 2.5) VC C Gnd pwl(0 0 6.9n 0 7n 2.5 13.9n 2.5 14n 0)* 以下六行为电路连接关系描述语句* 模型语句， MXXX ND NG NS NB MNAME 管子类型为PMOS，M为元件名称， ND、NG、NS、NB分别是漏、栅、源和衬底节点。pmos是模型名， L 沟道长， W为沟道宽

9、。M1 y a vcc vcc pmos w=3u l=0.25uM2 y b vcc vcc pmos w=3u l=0.25uM3 y c vcc vcc pmos w=3u l=0.25u* 模型语句，管子类型为 NMOSM4 y a a2 vss nmos w=1u l=0.25uM5 a2 b b2 vss nmos w=1u l=0.25uM6 b2 c vss vss nmos w=1u l=0.25u* stimulus.tran 1p 20n*瞬态分析步长为1ps，时间为 20ns.print tran v(A) v(B) v(C) v(Y)*输出 A,B,C,Y 节点的节点

10、电压值* 以下为库文件*2.5V NORMAL DEVICES LIB* * CORNER_LIB OF TYPICAL MODEL *.param toxp = 5.8e-9 toxn = 5.8e-9+dxl = 0 dxw = 0+dvthn = 0 dvthp = 0+cjn = 2.024128E-3 cjp = 1.931092e-3 +cjswn = 2.751528E-10 cjswp = 2.232277e-10 +cgon = 3.11E-10 cgop = 2.68e-10+cjgaten = 2.135064E-10 cjgatep = 1.607088e-10 +hd

11、ifn = 3.1e-07 hdifp = 3.1e-7*NMOS DEVICES MODEL*.MODEL nmosNMOS(+LEVEL= 49TNOM= 25XL=3E-8 + dxl+XW= 0 + dxwVERSION = 3.1TOX=toxn+CALCACM = 1SFVTFLAG= 0VFBFLAG = 1+XJ = 1E-07NCH= 2.354946E+17LLN= 1+LWN= 1WLN= 1WWN= 1+LINT= 1.76E-08WINT= 6.75E-09MOBMOD = 1+BINUNIT = 2DWG= 0DWB= 0+VTH0= 0.4321336+dvthn

12、 LVTH0= 2.081814E-08WVTH0 =-5.470342E-11+PVTH0= -6.721795E-16 K1= 0.3281252LK1=9.238362E-08+WK1= 2.878255E-08PK1= -2.426481E-14 K2=0.0402824+LK2= -3.208392E-08 WK2= -1.154091E-08 PK2=9.192045E-15+K3= 0DVT0= 0DVT1= 0+DVT2= 0DVT0W= 0DVT1W= 0+DVT2W= 0NLX= 0W0= 0+K3B= 0VSAT= 7.586954E+04 LVSAT=3.094656E

13、-03+WVSAT = -1.747416E-03 PVSAT= 8.820956E-10UA=8.924498E-10+LUA= -1.511745E-16 WUA= -3.509821E-17 PUA= -3.08778E-23+UB= 8.928832E-21LUB= -1.655745E-27 WUB= -2.03282E-27+PUB= 3.4578E-34UC= -1.364265E-11 LUC=1.170473E-17+WUC= -1.256705E-18 PUC= -6.249644E-24 RDSW=447.8871+PRWB= 0PRWG= 0WR=0.99+U0= 0.

14、06005258LU0= -6.31976E-09WU0= -8.819531E-09+PU0= 3.57209E-15A0= -1.468837LA0=6.419548E-07+WA0= 5.512414E-07PA0= -9.222928E-14 KETA= -0.04922795+LKETA= 2.360844E-08WKETA= 1.560385E-08PKETA = -5.98377E-15+A1= 0.02659908LA1= -6.511454E-09 A2= 1+AGS= -4.01637LAGS= 1.090294E-06 WAGS=1.162021E-06+PAGS= -3

15、.108579E-13 B0= 0B1= 0+VOFF= -0.1829426LVOFF= 9.941631E-09WVOFF=1.568082E-08+PVOFF= -2.832958E-15 NFACTOR = 0.6790636LNFACTOR=3.454948E-08+WNFACTOR= 1.501016E-07PNFACTOR= -2.955591E-14 CIT =2.218499E-04+LCIT= -1.076934E-10 WCIT = -3.286884E-10PCIT =1.658928E-16+CDSC= 0CDSCB = 0CDSCD= 0+ETA0= 1.21557

16、8E-04LETA0= -1.037758E-11 WETA0= -3.030225E-11+PETA0= 1.529658E-17ETAB= 3.548681E-03LETAB= -1.791374E-09+WETAB = -6.897268E-10 PETAB = 3.481742E-16 DSUB = 0 +PCLM = 3.583838 LPCLM = -6.874146E-07 WPCLM = 5.664574E-08+PPCLM = -1.33176E-15PDIBLC1 = 0PDIBLC2 =5.379674E-03+LPDIBLC2= 7.808481E-09 WPDIBLC

17、2= 5.516945E-10PPDIBLC2= -2.784957E-16+PDIBLCB = -0.1229374LPDIBLCB= 4.956215E-08WPDIBLCB=3.299946E-08+PPDIBLCB= -9.624918E-15 DROUT = 0PSCBE1 =4.472639E+08+LPSCBE1 = 28.64041WPSCBE1 = 15.7154PPSCBE1 = -7.933138E-06+PSCBE2 = 1.842585E-06 LPSCBE2 = 2.871008E-12WPSCBE2 =2.579183E-12+PPSCBE2 = -1.30197

18、2E-18 PVAG= -2.015254E-03 LPVAG=1.017757E-09+WPVAG = 3.07622E-10PPVAG= -1.55418E-16DELTA= -0.02862256+LDELTA = 1.492454E-08WDELTA = -6.71663E-09PDELTA =3.407521E-15+ALPHA0 = 0BETA0 = 30KT1= -0.2579945+LKT1= -1.664895E-08 WKT1= -1.633463E-08 PKT1=3.755864E-15+KT2= -0.05347481LKT2= 8.244731E-09WKT2=1.

19、13705E-09+PKT2= -1.240924E-15 AT= -1.132632E+04 LAT=6.469047E-03+WAT= 6.829220E-04PAT= -4.154249E-10 UTE= -2.309089+LUTE= 1.662427E-07WUTE= 1.244801E-07 PUTE= -5.627924E-14+UA1= -3.461758E-10 LUA1= 1.747495E-16WUA1= -1.42065E-16+PUA1= 7.171442E-23UB1= 0UC1= -2.38157E-12+LUC1= -2.895726E-18 WUC1= -1.

20、990052E-17 PUC1=1.004497E-23+KT1L= 0PRT= -1E-18CJ= cjn+MJ= 0.4960069 PB= 0.9173808CJSW=cjswn+MJSW= 0.443145PBSW= 0.9173808CJSWG=cjgaten+MJSWG = 0.443145PBSWG= 0.9173808HDIF=hdifn+RS= 0RD= 0+ACM= 12LDIF= 1.2E-07RSH= 4.5+CTA= 7.707813E-04CTP= 5.512283E-04PTA =1.167715E-03+PTP= 1.167715E-03N= 1XTI= 3+C

21、GDO= cgonCGSO= cgonCAPMOD = 0+NQSMOD = 0XPART= 1CF= 0+TLEV= 1TLEVC= 1JS= 1E-06+JSW= 5E-11)*PMOS DEVICES MODEL*.MODEL pmos PMOS (LEVEL= 49+VERSION = 3.1+XL= 3e-8+dxl+XW= 0+dxwTNOM= 25TOX=toxp+CALCACM = 1SFVTFLAG= 0VFBFLAG = 1+XJ= 1E-7NCH= 4.1589E17+LLN=1LWN=1WLN=1+WWN= 1LINT= 1.2365E-8WINT=7.8E-9+MOB

22、MOD = 1BINUNIT = 2DWG= 0+DWB= 0VTH0= dvthp-0.6236538 LVTH0=2.649834E-8+WVTH0= 3.214189E-8PVTH0 = -3.22268E-15K1=0.4198155+LK1= 5.770498E-8WK1= 5.577151E-8PK1= -2.81684E-14+K2= 0.0429467LK2 = -2.296405E-8WK2= -1.355302E-8+PK2= 6.848271E-15K3= 0DVT0= 0+DVT1= 0DVT2= 0DVT0W= 0+DVT1W= 0DVT2W= 0NLX= 0+W0=

23、 0K3B= 0VSAT=1.443912E5+LVSAT = -7.688012E-4 WVSAT = -6.083648E-3PVSAT=2.186471E-10+UA= 1.846811E-9LUA= -3.27694E-16WUA= -2.82106E-16+PUA= 7.180233E-23UB= -7.84535E-19LUB=4.772849E-25+WUB= 2.599205E-25PUB= -1.46530E-31UC= -1.75560E-10+LUC= 3.360832E-17WUC= 1.504425E-17PUC= -1.30556E-23+RDSW= 1.03E3P

24、RWB= 0PRWG= 0+WR= 1U0= 0.0136443LU0= -7.22084E-10+WU0= -1.088554E-9 PU0= 2.730854E-16A0=0.1071803+LA0= 4.64252E-7WA0= 5.383179E-7PA0= -1.32033E-13+KETA= -4.943762E-3 LKETA = -3.565304E-9WKETA= -5.226247E-9+PKETA= 2.640665E-15A1= 0A2= 0.4+AGS= 0.1664005LAGS= 1.19106E-7WAGS=5.29237E-8+PAGS= -2.67304E-

25、14 B0= 0B1= 0+VOFF= -0.0592623LVOFF = -1.96686E-8WVOFF = -1.486398E-8+PVOFF= 7.510321E-15NFACTOR = 0.8588103LNFACTOR= -1.158881E-7+WNFACTOR= 1.210664E-8PNFACTOR= -6.11712E-15CIT =6.439495E-5+LCIT= 2.916437E-10 WCIT = -3.11284E-11PCIT =1.572825E-17+CDSC= 0CDSCB= 0CDSCD= 0+ETA0= -3.819468E-3 LETA0= 2.

26、155422E-9WETA0=8.235612E-10+PETA0= -4.16037E-16 ETAB= 1.334637E-3LETAB= -7.93631E-10+WETAB = 5.284657E-11 PETAB = -2.68353E-17 DSUB = 0 +PCLM = 0.1098002 LPCLM = 6.874263E-7 WPCLM = 6.724724E-7+PPCLM = -1.97766E-13 PDIBLC1 = 0 PDIBLC2 = 5.801323E-3+LPDIBLC2= -1.81964E-9WPDIBLC2= -5.853396E-9PPDIBLC2

27、=2.957545E-15+PDIBLCB = 0.1921199DROUT= 0PSCBE1 =7.19E8+PSCBE2 = 1E-20PVAG= 0DELTA=0.01+ALPHA0 = 0BETA0= 30KT1= -0.3248987+LKT1= -1.160393E-8WKT1= 4.153356E-8PKT1= -4.62347E-15+KT2= -0.0367632AT= 1E4UTE= -1.04+UA1= 3.992421E-10UB1= -9.23294E-19LUB1 = -5.28718E-26+WUB1= -6.13069E-26 PUB1= 1.503674E-3

28、2UC1= -1.00699E-12+KT1L= 0PRT= 0CJ= cjp+MJ= 0.4812153PB= 0.9134669CJSW=cjswp+MJSW= 0.3237595PBSW= 0.9134669CJSWG=cjgatep+MJSWG = 0.3237595PBSWG= 0.9134669HDIF=hdifp+LDIF= 1.2E-7ACM= 12RS= 0+RD= 0RSH= 3.5CTA=8.3043E-4+CTP= 4.30175E-4PTA= 1.3004E-3PTP=1.3004E-3+CGDO= cgopCGSO= cgop+CAPMOD = 0NQSMOD =

29、0XPART= 1+CF= 0N= 1XTI= 3+TLEV= 1TLEVC = 1JS= 3E-7+JSW= 5E-12).END四 仿真分析1、打开网表文件与仿真进入 Hspice 软件点击 open 打开上面的网表文件，仿真，如下图所示：点击上图中 Avanwaves如下图所示，节点分析表：如上图显示，表中的a2,b,b2 分别表示节点 a,b,c的输入电压， c 表示节点 y 的输出电压 ,0 代表地， vcc 为高电平。加入输入输出波形，如下图所示：上图前三条波形分别是节点 a,b,c 输入的节点电压，第四条波形为节点 y 的输出电压，由上述波形图可以清楚地看到当输入 A，B，C 都

30、为 1 时，输出 Y 为 0，当输入有一个为 0 时，输出为 1。实现了三输入与门的基本逻辑功能。2. 修改器件参数对电路性能的影响分析MOS管宽长比影响着仿真后波形的性能，宽长比设置合适仿真后输出波形就更能够反映出器件的功能，能够更好地实现逻辑功能，使其高电平、低电平值接近理想值（即高电平更高，低电平更低）。五、课程设计总结通过本次课程设计，使用了电路设计与仿真软件 HSPICE，并练习用网表文件来描述模拟电路，用 MOS器件来设计三位逻辑输入与非门电路，使我对 HSPICE软件有一个更深层次的认识。我们首先对课程设计实验进行了相关规划和分工。到图书馆和网上查阅了相关资料大致了解了 HSPI

31、CE软件的用法，有根据自己所学的知识了解并画出了三输入与非门原理连接图。然后写出链接网表，编写出实验程序。之后利用软件 HSPICE对编写的程序进行测试仿真由仿真结果可知，我们的实验程序没有问题，实验结果和实验要求基本一致。 通过此次课程设计对 HSPICE软件的学习和应用，我了解到了 HSPICE这种电路仿真工具，学会了编写网表代码，能够独立针对一个特定的电路编写 .sp 文件。并对 .sp 文件进行仿真。通过输出波形，调整电路设计。最终得到需要的结果。这次课程设计，让我了解到了 ASIC 的设计方法。其次，我掌握了软件的使用方法。这次课程设计让我意识到自己数字集成电路设计的知识还有欠缺，对

32、电路的认识还不够深刻。在波形出现问题时往往不能直接找到原因，需要多次尝试更改各种参数，最终才能得到正确的结果。 当然我们在实验过程中也遇到了各种各样的问题。在进行课程设计时，第一次进行仿真的波形是不理想的，之后，进行了多次的修改，得到了正确波形。这个过程锻炼了自己的解决问题的能力。通过这次课程设计，使我受益颇多，既巩固了课堂上学到的理论知识，又掌握了设计方法，在此基础“集成电路设计”设计的基本思想和方法，学会了科学的分析实际问题，通过查阅资料，分析资料及请教老师和同学等多种途径，独立解决问题，同时，也培养了我认真严谨的态度。两周的实验过程，我们了解到了许多在课堂上不能接触的知识，受益匪浅。给我们以后的毕业设计和工作实践打下了坚实的基础。