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Istruzioni per simulare con SPICE i modelli da 0.18 µm
Nella simulazione con SPICE 9.2, oltre a caricare il file .OLB per visualizzare i transistori nello
schematic, si deve settare il modello che SPICE deve utilizzare per simulare i transistori: questo
modello è contenuto nel file .LIB.
Librerie di dispositivi a tre terminali
Se non disponiamo del file .OLB è possibile crearlo tramite PSPICE model editor eseguendo
questa procedura:
1) si parte da un file .LIB in cui vengono descritti tutti i componenti che
si intende inserire nella lib di orcad
2) eseguire un programma che si chiama "PSpice Model Editor" (modeled.exe)
che si trova nel menu avvio di Orcad o in alternativa nella cartella di Orcad
3) nel model editor, aprire il file .LIB di cui sopra, il che fa comparire l'elenco di modelli presenti
nella LIB nella finestra di sinistra
4) si possono anche importare altri modelli con vari formati dal menù Model
5) salvare la libreria con un nuovo nome (se sono stati importati altri elementi, altrimenti si può
salvare con il medesimo nome)
6) dal menù file scegliere Create Capture Parts e specifica la libreria appena creata, che crea il file
.OLB relativo al .LIB da qui si è partiti.
Adesso possiamo creare un nuovo progetto
Caricare il file .OLB tramite il menù Place scegliere part.
selezionare add library e scegliere il file .OLB desiderato
A questo punto possiamo disegnare il circuito, utilizzando tali transistori (N.B. come massa usare lo
“0” dalla libreria SOURCE). Infine, simulare il circuito aprendo il menù Pspice e cliccando su New
simulation profile.
Inserire il nome della simulazione e cliccare su Create, quindi aprire la tendina libraries
Selezionare tramite il tasto Browse, evidenziato nel riquadro precedente, il file .LIB relativo al
.OLB, indicando i modelli dei transistori che verranno utilizzati dal simulatore.
Se si vuole che la libreria sia utilizzabile in tutti i progetti futuri, scegliere add as global, se no add
to design.
Quindi simulare il circuito selezionando il tipo di simulazione ed i relativi parametri.
Librerie di dispositivi a quattro terminali
I primi passi della procedura mostrata in precedenza devono essere modificati come segue.
Si omettono i primi sei passi, e si procede direttamente con la creazione del nuovo progetto. Si
“istanzia” quindi un dispositivo NMOS di tipo MbreakN dalla libreria “Mbreak”, e lo stesso si fa
per il PMOS di tipo Mbreak P.
Per inserire i modelli contenuti nel file “MOS018_SPICE.LIB”, si apre quest’ultimo e si copia la
sezione relativa all’NMOS:
.MODEL CMOSN018 NMOS (
LEVEL = 7
+VERSION = 3.1
TNOM = 27
TOX = 4.1E-9
+XJ
= 1E-7
NCH = 2.3549E17 VTH0 = 0.369274
+K1
= 0.5929964
K2 = 2.56208E-3 K3
= 1E-3
+K3B = 4.1710049
W0
= 1E-7
NLX = 1.777008E-7
+DVT0W = 0
DVT1W = 0
DVT2W = 0
+DVT0 = 1.3217693
DVT1 = 0.3801036
DVT2 = 0.0721613
+U0
= 266.8119427 UA
= -1.335767E-9 UB
= 2.26484E-18
+UC
= 5.518347E-11 VSAT = 1.037817E5 A0
=2
+AGS = 0.4244848
B0 = -1.225288E-9 B1
= -1E-7
+KETA = -0.0125006 A1
=0
A2 = 1
+RDSW = 150
PRWG = 0.5
PRWB = -0.2
+WR
=1
WINT = 5e-9
LINT = 1.9085457E-8
+XL
=0
XW
=0
DWG = -1.271491E-8
+DWB = 2.116877E-8 VOFF = -0.091545 NFACTOR = 2.3984498
+CIT = 0
CDSC = 2.4E-4
CDSCD = 0
+CDSCB = 0
ETA0 = 3.173064E-3 ETAB = 1.020995E-4
+DSUB = 7.450962E-3 PCLM = 0.7367015
PDIBLC1 = 0.198144
+PDIBLC2 = 2.03593E-3 PDIBLCB = -0.1
DROUT = 0.8737246
+PSCBE1 = 1.737126E9 PSCBE2 = 4.248281E-9 PVAG = 3.971571E-3
+DELTA = 0.01
RSH = 6
MOBMOD = 1
+PRT = 0
UTE = -1.5
KT1 = -0.11
+KT1L = 0
KT2 = 0.022
UA1 = 4.31E-9
+UB1 = -7.61E-18
UC1 = -5.6E-11
AT
= 3.3E4
+WL
=0
WLN = 1
WW
=0
+WWN = 1
WWL = 0
LL = 0
+LLN = 1
LW = 0
LWN = 1
+LWL = 0
CAPMOD = 2
XPART = 0.5
+CGDO = 8.27E-10
CGSO = 8.27E-10
CGBO = 1E-12
+CJ
= 9.687641E-4 PB = 0.8
MJ
= 0.3863354
+CJSW = 2.247503E-10 PBSW = 0.8
MJSW = 0.1137242
+CJSWG = 3.3E-10
PBSWG = 0.8
MJSWG = 0.1137242
+CF
=0
PVTH0 = 4.933396E-4 PRDSW = -4.9132098
+PK2 = -3.021671E-4 WKETA = 4.250657E-3 LKETA = -6.344078E-3
+PU0 = 17.7324534 PUA = 6.822465E-11 PUB = 4.983313E-24
+PVSAT = 1.283581E3 PETA0 = 1.003159E-4 PKETA = -1.740195E-3
)
Tali modelli vanno poi inseriti come caratteristiche del transistore generico MbreakN selezionando
il transistore (v. le due figure seguenti) cliccando su Edit → PSpice Model.
Quindi, incollare sulla finestra “OrCAD Model Editor Demo” i modelli suddetti (v. figura
seguente), chiudendo infine la finestra.
Ripetere le medesime operazioni per il PMOS, il cui modello è:
.MODEL CMOSP018 PMOS (
LEVEL = 7
+VERSION = 3.1
TNOM = 27
TOX = 4.1E-9
+XJ
= 1E-7
NCH = 4.1589E17 VTH0 = -0.3982542
+K1
= 0.5786084
K2
= 0.0278094 K3
=0
+K3B = 10.3659708 W0
= 1E-6
NLX = 1.026246E-7
+DVT0W = 0
DVT1W = 0
DVT2W = 0
+DVT0 = 0.7057743
DVT1 = 0.2984169
DVT2 = 0.1
+U0
= 117.2186562 UA
= 1.599574E-9 UB
= 1.173619E-21
+UC
= -1E-10
VSAT = 2E5
A0 = 1.8823038
+AGS = 0.4244693
B0 = 6.679798E-7 B1
= 1.191517E-6
+KETA = 0.011463
A1
= 0.2513691 A2
= 0.3
+RDSW = 302.1804189 PRWG = 0.5
PRWB = 0.0328618
+WR
=1
WINT = 5e-9
LINT = 3.08618E-8
+XL
=0
XW
=0
DWG = -5.532881E-8
+DWB = 1.341684E-8 VOFF = -0.0987267 NFACTOR = 2
+CIT = 0
CDSC = 2.4E-4
CDSCD = 0
+CDSCB = 0
ETA0 = 0.1037341 ETAB = -0.0697091
+DSUB = 0.9270483
PCLM = 1.5376372 PDIBLC1 = 2.476707E-4
+PDIBLC2 = 0.0130538
PDIBLCB = -1E-3
DROUT = 1.122739E-4
+PSCBE1 = 9.006408E9 PSCBE2 = 2.601262E-9 PVAG = 7.3226537
+DELTA = 0.01
RSH = 6.8
MOBMOD = 1
+PRT = 0
UTE = -1.5
KT1 = -0.11
+KT1L = 0
KT2 = 0.022
UA1 = 4.31E-9
+UB1 = -7.61E-18
UC1 = -5.6E-11
AT
= 3.3E4
+WL
=0
WLN = 1
WW
=0
+WWN = 1
WWL = 0
LL = 0
+LLN = 1
LW = 0
LWN = 1
+LWL = 0
CAPMOD = 2
XPART = 0.5
+CGDO = 7.23E-10
CGSO = 7.23E-10
CGBO = 1E-12
+CJ
= 1.142102E-3 PB = 0.8431362 MJ
= 0.4095354
+CJSW = 1.983122E-10 PBSW = 0.8
MJSW = 0.3174491
+CJSWG = 4.22E-10
PBSWG = 0.8
MJSWG = 0.3174491
+CF
=0
PVTH0 = 1.053601E-3 PRDSW = 0.5107185
+PK2 = 1.458923E-3 WKETA = 0.0266509
LKETA = -2.397234E-3
+PU0 = -1.7320449 PUA = -6.6036E-11 PUB = 1E-21
+PVSAT = -50
PETA0 = 1.003159E-4 PKETA = -2.79664E-3 )
Impostazioni delle proprietà dei transistori per la corretta valutazione
delle capacità
Per il corretto calcolo delle capacità di giunzione drain-bulk (source-bulk), è necessario inserire
nella finestra di edit delle proprietà di ciascun transistore, le dimensioni delle diffusioni, per
calcolare le relative capacità
Alcune dimensioni, inoltre, vanno calcolate tramite parametri HSPICE che SPICE non conosce, nel
caso in cui il modello originale fosse HSPICE (come per la 0.18). Di seguito sono riportate le
dimensioni dell’area e del perimetro di source/drain (AD, PD, AS, PS), dove Wactive è il W effettivo
da considerare nella valutazione delle capacità
W active
W
2
δW eff
dove W è la larghezza di canale impostata dal progettista, e δWeff è dato dalla formula:
δW eff
DWC
Wl
Wln
L
Ww
Wwn
L
Wwl
Wln. Wwn
L
L
Tutti i parametri a numeratore sono nulli, tranne DWC che non essendo specificato (sia nel modello
della 0.18 che nella 0.35) è uguale a WINT cioè:
δWeff=DWC=LINT
Si inserisce quindi, tra le proprietà del transistore, un nuovo parametro LD (tale nome non
costituisce una scelta vincolante) che è la minima larghezza delle diffusioni di drain/source. A tal
fine, selezionare il transistore cliccandovi due volte, selezionare “New Column” e quindi inserire il
parametro LD con il valore corretto (0.56 μm). Successivamente, si inseriscono nelle proprietà del
transistore le seguenti espressioni:
TECNOLOGIA 0.18
NMOS
(DWC=Wint =5e-9; pertanto WActiva=W-10n; LD=7λ=0.56 μm)
AD={(@W-10n)*@LD}
AS={(@W-10n)*@LD}
PD={(@W-10n +@LD)*2}
PS={(@W-10n +@LD)*2}
PMOS
(DWC=Wint =5e-9; pertanto WActiva=W-10n; LD=7λ=0.56 μm)
AD={(@W-10n)*@LD}
AS={(@W-10n)*@LD}
PD={(@W-10n +@LD)*2}
PS={(@W-10n +@LD)*2}
N.B. (W/L)MIN=(0.56/0.18), e la massima VDD è 1.8V
Una volta realizzata la modifica, conviene creare uno schematic con transistori minimi (salvando i
file .opj, .dsn, .mrk, .dbk che definiscono il progetto e lo schematic), da aprire e salvare con nuovo
nome per la creazione di progetti futuri. Ad esempio, utilizzare i file contenuti nella cartella zippata
ringosc allegata.
Verifica della correttezza della valutazione delle capacità
L’espressione della Cdb (Csb) di piccolo segnale è (BSIM3v3.1, p. 9-5 del manuale BSIM3v3):
NMOS 0.18μ
V DBn
λ
1.8
0.56. 10
6
7
.
9.68764110
C J0n
DB
4
C JSW0n
.
2.24750310
10
C JSWG0n
3.3. 10
10
Pb n
0.8431362
Pbsw n
0.8
pbswg n
0.8
mj n
0.3863354
mjsw n
0.113724
mjswg n
0.1137242
CPb
Jn
0.8
1
C J0n
V DBn
mj n
CPbsw
JSWn 0.8
*
1
Pb n
7.λ
Wn
0.56. 10
An
W activeN . Ldif
Pn
2 . W activeN
6
C Jn . A n
C DBn . 10 = 0.679
15
V DBn
mjsw n
Cpbswg
JSWGn 0.8
*
1
Pbsw n
7
Ldif = 5.6 10
Ldif
C DBn
C JSW0n
Ldif
Pn
W activeN
Wn
A n = 3.08 10
13
P n = 2.22 10
6
W activeN . C JSWn
C JSWG0n
V DBn
pbswg n
10. 10
9
W activeN . C JSWGn
Perfettà
mjswg n