Spice仿真在CMOS反相器电路教学中的应用

摘 要：讨论静态负载的CMOS反相器及其衍生电路，介绍其结构以及设计考虑，并用Hspice仿真软件对各种电路在不同工作条件下的输入输出特性进行了模拟验证，目的在于使学生通过电路仿真更加熟悉CMOS反相器电路的工作特性。

关键词：Spice仿真；反相器；教学

反相器是CMOS电路的基本电路单元。它究竟是怎样工作的？它的输入输出特性又是怎样的？通过书本的介绍，学生可以有大致的了解。为了增强学生的理解，传统上可以通过搭建实验装置加以验证。然而实验装置依赖于设备，不易改变测试条件和元器件，其便捷性和灵活性受到限制。借助于计算机技术和计算方法的发展，不需要任何实际的元器件和调试工具，就可以很方便地改变各种条件进行模拟分析。

1.什么是Spice

设计电路系统的人员有时需要对系统中的部分电路作电流与电压关系的详细分析，此时需要做晶体管级仿真（电路级），这种仿真算法中所使用的电路模型都是最基本的元件和单管。Spice（Simulation program with integrated circuit emphasis）是最为普遍的电路级模拟程序，各软件厂家提供如Hspice、Eldo、Spectre、Pspice、Smartspice等不同版本的spice软件，其仿真核心大同小异，都采用了由美国加州Berkeley大学开发的spice模拟算法。Spice可对电路进行非线性直流分析、非线性瞬态分析和线流分析。被分析的电路中的元件可包括有源器件（MOS管、三极管、二极管）、无源器件（电阻、电容、电感、互连线、传输线）。

2.Spice集成电路分析程序与MOSFET模型

2.1 HSpice中常用的几种MOSFET模型

Level=1 Shichman-Hodges

Level=2 基于几何图形的分析模型Grove-Frohman Model （SPICE 2G）

Level=3 半经验短沟道模型（SPICE 2G）

Level=49 BSIM3V3？邛BSIM，3rd，Version 3

Level=50 Philips MOS9

2.2 CMOS反相器及其衍生电路图

图1是静态负载的CMOS反相器及其衍生电路。CMOS反相器由一个P沟道增强型MOS管（M1）和一个N沟道增强型MOS管（M2）串联组成。通常P沟道管作为负载管，N沟道管作为输入管。两个MOS管的开启电压VGS（th）P0，通常为了保证正常工作，要求VDD>VGS（th）P+VGS（th）N。若输入vi（v1）为低电平（如0V），则负载管导通，输入管截止，输出电压接近VDD。若输入vi（v2）为高电平（如VDD），则输入管导通，负载管截止，输出电压接近0V。

2.3 CMOS反相器电压传输特性

如图2a所示，CMOS反相器的电压传输特性曲线可分为五个工作区。

工作区Ⅰ：由于输入管截止，故Vo1=VDD，处于稳定关态。

工作区Ⅲ：PMOS和NMOS均处于饱和状态，特性曲线急剧变化。

工作区Ⅴ：负载管截止，输入管处于非饱和状态，所以Vo1≈0V，处于稳定的开态。

CMOS反相器的电流传输特性曲线，只在工作区Ⅲ时，由于负载管和输入管都处于饱和导通状态，会产生一个较大的电流。其余情况下，电流都极小。

结合spice level=1模型参数vto（vth， MOS管的阈值电压VGS（th）N=0.6V， VGS（th）P=-0.75V），通过hspice 仿真软件的验证结果（图2）可以清楚的找到不同输入电压下相应的输出电压。同时可以通过改变MOS尺寸（W，L）改变电压转折区域，使学生们熟悉不同宽长比的NPMOS特性。

图1b，用电阻R1代替PMOS做负载。设置R1=125k，通过hspice仿真发现（图3），vi（v3）≥VGS（th）N时，NMOSM3饱和导通，vi继续增加，M3导通电阻逐渐降低，M3D，S两端分压降低，输入管处于非饱和状态，Vo2≈0V，处于稳定的开态。如果改变NMOS M3的阈值电压，则输入输出的转折区域也会相应的改变，学生通过相关练习可以加深对阈值电压的理解。

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图3 CMOS反相器衍生 电路电压传输特性

图1c，用饱和状态的NMOS M4（VGS=VDS）代替PMOS做负载。通过hspice仿真发现（图3），初始状态下由于NMOS M4饱和导通，其导通电阻很大，可以和截止状态下的M5分压，所以Vo3 不等于VDD。vi继续增加，M5导通电阻逐渐降低，M5D，S两端分压降低，输入管处于非饱和状态。但是由于该电路一直处在导通状态，有较大的电流（饱和导通的M4产生大电流），所以输出电位无法拉到GND，Vo3≠0V。

图1d，用导通状态的PMOS M6（VG=0）做负载。通过hspice仿真发现（图3）， 初始状态下由于PMOS M6导通且非饱和， NMOS M7为截止状态，所以Vo4 约等于VDD。vi 继续增加，M7开始导通，其电阻逐渐减小。但是由于该电路一直处在导通状态，有较大的电流， 所以无法达到稳定状态， Vo4≠ 0V。

通过hspice 仿真结果可以清楚地看出NMOS增强负载的反相器既不能把输出电压推到VDD，也不能拉到GND。NMOS增强负载的反相器和Pseudo-NMOS反相器一直处在导通状态，有较大的电流， 输出电位无法拉到GND。通过仿真，学生可以清楚地看到其准确的电压传输特性。输出电位的不断变化就是不同状态下MOS电阻的变化。

3.结论

反相器是CMOS电路的基本电路单元。它究竟是怎样工作的？它的输入输出特性又是怎样的？通过hspice软件仿真静态负载的CMOS反相器及其衍生电路在不同工作条件下的输入输出特性，可以使学生更加熟悉CMOS反相器电路的工作特性。

参考文献：

[1]HSPICE manual，2008.03.

[2]VLSI design lab. 2， Dept. ECE， Mississippi State Univ.

（作者单位 江苏省昆山第一中等专业学校）