摘 要：討論靜態(tài)負(fù)載的CMOS反相器及其衍生電路，介紹其結(jié)構(gòu)以及設(shè)計考慮，并用Hspice仿真軟件對各種電路在不同工作條件下的輸入輸出特性進(jìn)行了模擬驗證，目的在于使學(xué)生通過電路仿真更加熟悉CMOS反相器電路的工作特性。

關(guān)鍵詞：Spice仿真；反相器；教學(xué)

反相器是CMOS電路的基本電路單元。它究竟是怎樣工作的？它的輸入輸出特性又是怎樣的？通過書本的介紹，學(xué)生可以有大致的了解。為了增強(qiáng)學(xué)生的理解，傳統(tǒng)上可以通過搭建實驗裝置加以驗證。然而實驗裝置依賴于設(shè)備，不易改變測試條件和元器件，其便捷性和靈活性受到限制。借助于計算機(jī)技術(shù)和計算方法的發(fā)展，不需要任何實際的元器件和調(diào)試工具，就可以很方便地改變各種條件進(jìn)行模擬分析。

1.什么是Spice

設(shè)計電路系統(tǒng)的人員有時需要對系統(tǒng)中的部分電路作電流與電壓關(guān)系的詳細(xì)分析，此時需要做晶體管級仿真（電路級），這種仿真算法中所使用的電路模型都是最基本的元件和單管。Spice（Simulation program with integrated circuit emphasis）是最為普遍的電路級模擬程序，各軟件廠家提供如Hspice、Eldo、Spectre、Pspice、Smartspice等不同版本的spice軟件，其仿真核心大同小異，都采用了由美國加州Berkeley大學(xué)開發(fā)的spice模擬算法。Spice可對電路進(jìn)行非線性直流分析、非線性瞬態(tài)分析和線性交流分析。被分析的電路中的元件可包括有源器件（MOS管、三極管、二極管）、無源器件（電阻、電容、電感、互連線、傳輸線）。

2.Spice集成電路分析程序與MOSFET模型

2.1 HSpice中常用的幾種MOSFET模型

Level=1 Shichman-Hodges

Level=2 基于幾何圖形的分析模型Grove-Frohman Model （SPICE 2G）

Level=3 半經(jīng)驗短溝道模型（SPICE 2G）

Level=49 BSIM3V3？邛BSIM，3rd，Version 3

Level=50 Philips MOS9

2.2 CMOS反相器及其衍生電路圖

圖1是靜態(tài)負(fù)載的CMOS反相器及其衍生電路。CMOS反相器由一個P溝道增強(qiáng)型MOS管（M1）和一個N溝道增強(qiáng)型MOS管（M2）串聯(lián)組成。通常P溝道管作為負(fù)載管，N溝道管作為輸入管。兩個MOS管的開啟電壓VGS（th）P<0，VGS（th）N>0，通常為了保證正常工作，要求VDD>VGS（th）P+VGS（th）N。若輸入vi（v1）為低電平（如0V），則負(fù)載管導(dǎo)通，輸入管截止，輸出電壓接近VDD。若輸入vi（v2）為高電平（如VDD），則輸入管導(dǎo)通，負(fù)載管截止，輸出電壓接近0V。

2.3 CMOS反相器電壓傳輸特性

如圖2a所示，CMOS反相器的電壓傳輸特性曲線可分為五個工作區(qū)。

工作區(qū)Ⅰ：由于輸入管截止，故Vo1=VDD，處于穩(wěn)定關(guān)態(tài)。

工作區(qū)Ⅲ：PMOS和NMOS均處于飽和狀態(tài)，特性曲線急劇變化。

工作區(qū)Ⅴ：負(fù)載管截止，輸入管處于非飽和狀態(tài)，所以Vo1≈0V，處于穩(wěn)定的開態(tài)。

CMOS反相器的電流傳輸特性曲線，只在工作區(qū)Ⅲ時，由于負(fù)載管和輸入管都處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，會產(chǎn)生一個較大的電流。其余情況下，電流都極小。

結(jié)合spice level=1模型參數(shù)vto（vth， MOS管的閾值電壓VGS（th）N=0.6V， VGS（th）P=-0.7aB6ux6zzwksaKXRHXju5y6X+9+kXkhTxVgN/m+qygS8=5V），通過hspice 仿真軟件的驗證結(jié)果（圖2）可以清楚的找到不同輸入電壓下相應(yīng)的輸出電壓。同時可以通過改變MOS尺寸（W，L）改變電壓轉(zhuǎn)折區(qū)域，使學(xué)生們熟悉不同寬長比的NPMOS特性。

圖1b，用電阻R1代替PMOS做負(fù)載。設(shè)置R1=125k，通過hspice仿真發(fā)現(xiàn)（圖3），vi（v3）≥VGS（th）N時，NMOSM3飽和導(dǎo)通，vi繼續(xù)增加，M3導(dǎo)通電阻逐漸降低，M3D，S兩端分壓降低，輸入管處于非飽和狀態(tài)，Vo2≈0V，處于穩(wěn)定的開態(tài)。如果改變NMOS M3的閾值電壓，則輸入輸出的轉(zhuǎn)折區(qū)域也會相應(yīng)的改變，學(xué)生通過相關(guān)練習(xí)可以加深對閾值電壓的理解。

圖1c，用飽和狀態(tài)的NMOS M4（VGS=VDS）代替PMOS做負(fù)載。通過hspice仿真發(fā)現(xiàn)（圖3），初始狀態(tài)下由于NMOS M4飽和導(dǎo)通，其導(dǎo)通電阻很大，可以和截止?fàn)顟B(tài)下的M5分壓，所以Vo3 不等于VDD。vi繼續(xù)增加，M5導(dǎo)通電阻逐漸降低，M5D，S兩端分壓降低，輸入管處于非飽和狀態(tài)。但是由于該電路一直處在導(dǎo)通狀態(tài)，有較大的電流（飽和導(dǎo)通的M4產(chǎn)生大電流），所以輸出電位無法拉到GND，Vo3≠0V。

圖1d，用導(dǎo)通狀態(tài)的PMOS M6（VG=0）做負(fù)載。通過hspice仿真發(fā)現(xiàn)（圖3）， 初始狀態(tài)下由于PMOS M6導(dǎo)通且非飽和， NMOS M7為截止?fàn)顟B(tài)，所以Vo4 約等于VDD。vi 繼續(xù)增加，M7開始導(dǎo)通，其電阻逐漸減小。但是由于該電路一直處在導(dǎo)通狀態(tài)，有較大的電流， 所以無法達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)， Vo4≠ 0V。

通過hspice 仿真結(jié)果可以清楚地看出NMOS增強(qiáng)負(fù)載的反相器既不能把輸出電壓推到VDD，也不能拉到GND。NMOS增強(qiáng)負(fù)載的反相器和Pseudo-NMOS反相器一直處在導(dǎo)通狀態(tài)，有較大的電流， 輸出電位無法拉到GND。通過仿真，學(xué)生可以清楚地看到其準(zhǔn)確的電壓傳輸特性。輸出電位的不斷變化就是不同狀態(tài)下MOS電阻的變化。

3.結(jié)論

反相器是CMOS電路的基本電路單元。它究竟是怎樣工作的？它的輸入輸出特性又是怎樣的？通過hspice軟件仿真靜態(tài)負(fù)載的CMOS反相器及其衍生電路在不同工作條件下的輸入輸出特性，可以使學(xué)生更加熟悉CMOS反相器電路的工作特性。

參考文獻(xiàn)：

[1]HSPICE manual，2008.03.

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

（作者單位 江蘇省昆山第一中等專業(yè)學(xué)校）