Corso di Microelettronica Anno Accademico 2002/2003

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1 Università degli Studi di Cagliari Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica Laboratorio di Elettronica Corso di Microelettronica Anno Accademico 2002/ Simulazione Per aprire il programma basta fare dpio clic su wspice3. Si aprirà una finestra di questo tipo: Tutorial sulla simulazione di di circuiti integrati Uso del programma Winspice: simulazione di uno specchio di corrente in tecnologia CMOS 0.5um 1. Netlist Per simulare un circuito con WinSpice bisogna prima di tutto scrivere la netlist in un qualsiasi programma di scrittura e salvarla (in formato testo normale) con estensione.cir. Attenzione a salvare il documento in formato testo nel caso si usasse Word. E consigliato comunque utilizzare il Blocco Note o WordPad. La netlist deve ovviamente contenere: 1. Titolo 2. Modelli dei MOS 3. Descrizione del circuito 4. Generatori 5. Analisi I modelli dei MOS sono contenuti in un file a parte (models05.dat) fornito insieme al resto del materiale. Va incorporato nella netlist per mezzo del comando.include * La prima riga è sempre il titolo ed è ignorata * 2. Inclusione del file con i modelli dei MOS * NMOS M1 in1 in1 0 0 n1 w=10u l=0.5u M2 out1 in1 0 0 n1 w=10u l=0.5u (il nodo 0 è sempre la massa) Figura 1: Apertura WinSpice WinSpice accetta comandi in linea, quindi si possono fare tutta una serie di erazioni digitando direttamente i comandi nella linea di comando indicata in Figura (WinSpice 1 ->). Per un elenco di tutti i possibili comandi si faccia riferimento al manuale allegato col software (file spiceman.doc) o alla versione del manuale in formato html (file spiceman_html.zip). Una volta aperto il software si può simulare la netlist agendo da linea di comando: cd /path/alla/directory/contenente/la/netlist (per cambiare directory) source nomefile.cir (per simulare) In alternativa si può simulare una netlist andando a scegliere tramite il menu File/Open Se la simulazione dà errore comparirà un messaggio di errore nella finestra che spiega il tipo di problema. Si possono ignorare i messaggi di warning di questo tipo: Warning: Pd*scale is less than W. Sono warning legati al modello che non comportano problemi. Una volta terminata la simulazione possono essere plottati i risultati col comando plot: * 5. Analisi * Analisi in continua. curmir.cir

2 * 2. Inclusione del file con i modelli dei MOS * NMOS M1 in1 in1 0 0 n1 w=10u l=0.5u M2 out1 in1 0 0 n1 w=10u l=0.5u (il nodo 0 è sempre la massa) Figura 2: Simulazione e plot dei risultati Si possono plottare le tensioni a tutti i nodi ( plot v(in1) ) e le correnti nei generatori di tensione ( plot i(vout) ). Se si desidera plottare una corrente in un certo componente è necessario aggiungere un generatore di tensione fittizio (di valore 0V) in serie al componente di cui si vuole misurare la corrente (come se si inserisse un amperometro), questo perché Winspice non memorizza che le correnti nei generatori e le tensioni ai nodi (versioni di Spice commerciali in genere offrono la possibilità di visualizzare anche le correnti che scorrono nei dispositivi senza questo accorgimento). Nel nostro caso non è stato necessario perché la corrente del MOS di uscita scorre interamente nel generatore di tensione di uscita. E possibile effettuare uno zoom sulla finestra di visualizzazione semplicemente facendo dpio clic, tenendo premuto e selezionando col mouse la zona da ingrandire. Una volta simulato si può modificare la netlist col comando edit, digitando in linea di comando: edit Si aprirà un blocco note con la netlist; fatte le modifiche si salva e la simulazione partirà automaticamente. Tutti i comandi che possono essere dati in linea si possono anche mettere nella netlist all interno di una card di controllo: tutti i comandi contenuti fra le linee e di una netlist verranno interpretati come comandi rivolti al simulatore (i comandi rivolti a winspice NON richiedono il punto, quindi si scrive plot e non.plot). Ad esempio, la parte di analisi e plot dei risultati poteva essere inserita in una card di controllo in questo modo (così il plot dei risultati parte automaticamente): * 5. Analisi in una card di controllo * Analisi in continua, sono in una card e non metto il punto plot v(in1) plot i(vout) curmir2.cir Se in una card di controllo compaiono più simulazioni (come nel nostro caso), anche do avere eseguito la simulazione si possono plottare o manipolare i risultati. Ad esempio, per plottare la corrente di vout della prima simulazione in continua (dc) si può scrivere, in linea di comando: plot i(dc1.vout) (plot della corrente nel generatore vout nella simulazione dc1, ossia prima simulazione in dc) Se ci fossero state più simulazioni in dc una do l altra, ogni risultato di simulazione sarebbe stato etichettato con un numero diverso, quindi plot i(dc1.vout) i(dc2.vout) i(dc3.vout) (plot della corrente al generatore vout nella simulazione dc1, dc2 e dc3) I risultato della simulazione in transistorio saranno ovviamente etichettati con trann (dove N indica sempre il numero della simulazione), un analisi in alternata con acn e cos via.

3 3. Sottocircuiti E buona norma effettuare le simulazioni utilizzando un approccio gerarchico. Il file al t della gerarchia conterrà semplicemente l istanziazione del modulo da simulare e le direttive di analisi e visualizzazione dei risultati (qualcosa di analogo al testbench di una simulazione verilog). Il circuito vero e prrio sarà descritto in un file a parte che viene poi incluso nel testbench (comando.include). Per adottare un approccio completamente gerarchico, il circuito può a sua volta essere composto da più moduli, ciascuno dei quali è descritto come sottocircuito. In spice esiste la possibilità di definire dei sottocircuiti (.subckt), che sono l equivalente dei moduli verilog: un sottocircuito può essere definito una volta per tutte in un file ed essere poi istanziato più volte. Ovviamente al termine di una gerarchia di sottocircuiti ci deve essere un sottocircuito costituito da soli dispositivi (MOS, resistenze, capacità). Testbench S1 S2 S3 S11 S12 S31 S32 S33 L assegnamento dei terminali è posizionale, quindi il nodo n1 è assegnato al terminale T1, il nodo n2 al terminale T2 e così via. Da notare che mentre nella definizione del sottocircuito compare prima il nome e poi l elenco dei terminali, nella sua istanziazione compare prima l elenco dei nodi associati ai terminali e poi il nome. Ad esempio, volendo usare l approccio gerarchico per la simulazione dello specchio: * 5. Analisi in una card di controllo * Analisi in continua, sono in una card e non metto il punto plot v(in1) plot i(vout) Figura 3: struttura gerarchica La sintassi per definire un sottocircuito è la seguente:.subckt nomesottocircuito T1 T2 T3 T4 *... * netlist sottocircuito *... s nomesottocircuito I terminali di ingresso ed uscita del sottocircuito (T1, T2, T3, T4) vengono elencati subito do il nome. Il sottocircuito viene poi richiamato nella netlist inserendo un componente che inizia per lettera x: Xaaaa n1 n2 n3 n4 nomesottocircuito * File contenente la netlist.subckt curmir in out m1 in in 0 0 n1 w=10u l=0.5u m2 out in 0 0 n1 w=10u l=0.5u s curmir3.cir curmir.net

4 4. Simulazioni parametriche E molto importante potere effettuare simulazioni parametriche, verificare cioè come cambia il comportamento del circuito al cambiare del valore di alcuni parametri. Per fare questo si utilizza il comando.alter. Per modificare ad esempio il valore di una resistenza di nome r2 nel circuito si scrive: alter r2=2k per modificare invece la W di un MOS (che ha più di un parametro a differenza di una resistenza) (da notare l uso della chiocciolina e delle parentesi quadre per indicare una modifica ad uno dei possibili parametri). Se il parametro è contenuto all interno di un sottocircuito bisogna dare il nome completo del dispositivo, che è dato da: lettera:subckt1:subckt2:subckt3:nomeistanza dove lettera è la lettera che caratterizza il dispositivo (m per i mos, r per le resistenze e così via), subckt1, subckt2, subckt3 sono i nomi dei sottocircuiti (eventualmente annidati) attraverso cui bisogna scendere fino ad arrivare al dispositivo vero e prrio il cui nome è nomeistanza (es. r2, m1, mbias, rb). NOTA BENE: se i sottocircuiti sono più di uno oltre alla lettera m per indicare un mos bisogna mettere anche la lettera x per indicare che voglio scendere in un sottocircuito (tante x quanti sono i sottocircuiti attraverso cui si discende). Ad esempio (modifica, nel mos (m) contenuto nel sottocircuito x2 e di nome m1, il parametro w). (modifica, nel mos (m) contenuto nel sottocircuito x4 appartenente al sottocircuito x2 e di nome m1, il parametro w). (modifica, nel mos (m) contenuto nel sottocircuito x8 appartenente al sottocircuito x4 del sottocircuito x2 e di nome m1, il parametro w). Nel caso dello specchio possiamo fare una simulazione parametrica per vedere come cambia la resistenza di uscita all aumentare della lunghezza dei MOS: * 5. Analisi in una card di controllo plot i(dc1.vout) i(dc2.vout) i(dc3.vout) curmir4.cir Il comando serve semplicemente a cancellare ogni risultato di eventuali analisi precedenti ed azzerare così la memoria, altrimenti, ad ogni simulazione (finché la finestra principale di Winspice resta aperta) verrebbero memorizzati i risultati e i(dc2.vout) si riferirebbe alla seconda simulazione dc eseguita da quando si è aperto Winspice e non necessariamente alla simulazione con il parametro l=2u. 5. Analisi parametriche complesse Per semplificare le analisi parametriche può essere utile utilizzare delle strutture di controllo che consentano di generare automaticamente i valori dei parametri in un certo intervallo senza doverli elencare uno per uno con.alter. Per fare questo esistono strutture come la while che consentono di effettuare cicli come in un linguaggio di programmazione. E necessaria una variabile indice (ii) che viene inizializzata a zero per mezzo del comando let (che assegna un valore ad una variabile). Il lo è racchiuso fra while... end e la condizione di fine ciclo è ii<5 (5 iterazioni). Ad ogni iterazione viene calcolato il nuovo valore della L dei MOS, viene assegnato il nuovo valore (alter) e viene fatta la simulazione.

5 Nel caso del nostro specchio possiamo calcolare il punto di lavoro quando la tensione di uscita è paria a VDD/2=1.65V e la corrente di ingresso è pari a 100uA o 50uA: * 5. Analisi parametrica in una card di controllo * Inizializza a zero la variabile del lo let ii=0 * Ciclo while while ii<6 * Calcola il parametro let lp=0.5u+0.5u*ii * Assegna il valore del parametro * Incrementa l indice let ii=ii+1 end * Fine ciclo while plot dc1.out1 dc2.out1 dc3.out1 dc4.out1 dc5.out1 curmir5.cir 6. Analisi e calcolo dei parametri dei MOS L analisi. è l analisi del punto di lavoro che consente di calcolare tutti i parametri del modello a piccolo segnale di un MOS. Non richiede la specifica di parametri di simulazione aggiuntivi (come per tran e dc), semplicemente viene calcolato il punto di lavoro (Operating Point), ossia viene calcolato il valore delle tensioni e delle correnti statiche nel circuito e vengono ricavati, per ogni MOS, i parametri del modello a piccolo segnale (transconduttanza gm, conduttanza di uscita gds e così via). * 5. Analisi in una card di controllo show show curmir6.cir Il comando show serve per visualizzare il punto di lavoro di tutti i MOS presenti nel circuito, se si vuole stampare il solo punto di lavoro dei MOS appartenenti ad un determinato sottocircuito si può scrivere: show m:sottocircuito: + Come si vede dai risulati è fornita la conduttanza di uscita del MOS m2 che è anche la conduttanza di uscita dello specchio: Per iin=100ua gds=1.21e-5 ===> rds=82.6k Per iin=50ua gds=8.28e-6 ===> rds=120.8k

6 Da notare che la conduttanza di uscita non è direttamente prorzionale alla corrente di polarizzazione, in questo caso, perché il canale dei due MOS è molto corto e ci sono quindi effetti di canale corto. Scegliendo una L=2u per entrambi i MOS si ottiene: Per iin=100ua gds=9.31e-7 ===> rds=1m Per iin=50ua gds=5.29e-7 ===> rds=1.9m Adesso, più correttamente, la resistenza di uscita è quasi dpia nel secondo caso. Per visualizzare un parametro specifico fra i tanti, senza dovere scorrere tutta la tabella si può usare il comando print, che serve a stampare (sullo schermo) un vettore o uno scalare. La sintassi è simile a quella del comando plot. Per visualizzare un parametro specifico di un MOS si usa la stessa sintassi di alter. :xmir:m2[gds] per stampare la gm e la gds di M2 nel sottocircuito xmir. * 5. Analisi in una card di controllo e manipolazione risultati 7. Manipolazione dei risultati E possibile anche manipolare i risultati, facendo erazioni di vario genere (moltiplicazioni, divisione, somme, etc.). Nell esempio al punto precedente (analisi e calcolo della resistenza di uscita) potevamo ad esempio stampare direttamente il valore della resistenza di uscita rds=1/gds: Oppure si possono anche creare nuovi vettori (cioè nuove forme d onda funzioni di quellae risultatanti dalla simulazione). Ad esempio potremmo implementare uno specchio con guadagno diverso dall unità (1:2) e verificare con quale precisione abbiamo ottenuto il guadagno. Per creare nuove variabili funzioni delle uscite si usa sempre il comando let già visto in precedenza. Ad esempio: let gain=i(vout)/i(vdd) plot gain per visualizzare il guadagno in corrente. * 5. Analisi e manipolazione risultati dc iin 1u 100u 1u let gain=i(vout)/i(vdd) plot gain Da fare: 1. Provare ad implementare un guadagno pari a 2, confrontando la soluzione vista (modifica della W) con quella più corretta dell uso di transistor di uscita uguali in parallelo. 2. Provare ad implementare un guadagno pari a 3/2 (con i due metodi). 3. Provare ad implementare un guadagno pari a 16 (con 16 MOS in parallelo in uscita e poi con la versione serie-parallelo per utilizzare solo 8 MOS). * 5. Analisi in una card di controllo e manipolazione risultati let rds=1/(@m:xmir:m2[gds]) print rds