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集成电路

MOSFET 的 C-V 曲线仿真方法

在电路设计中，常见到利用 MOS 电容做去耦电容（也有利用来做miller补偿的电容），因此对 mosfet 的 c-v 特性曲线有必要进行确认。

关于具体的 c-v 曲线的仿真方法，首先可以从电容的定义（或者说特性）来确定测试方法，这也是 ee240 里面提到的仿真方法。

下图是实现 MOSFET C-V 曲线的仿真的具体电路（图中加上的电容 C1 仅为方便比较）
mosfet c-v曲线仿真电路

在输入节点加入一个电压，做 AC 分析，同时扫描其 DC 值，考虑电容特性：ac 下 i/v=2*pi*f*C；如果令交流电压 v ac=1,选择频率 2*pi*f=1，这时得到的交流电流大小就是电容值，相应的 smart-spice 脚本如下：

vin in 0 ac 1
.ac DEC 10 '0.05/3.14159265' '0.5/3.14159265' sweep vin -2.5 2.5 0.05
.measure ac i_nmos find i(V1) at '0.5/3.14159265'
.measure ac i_cap find i(V3) at '0.5/3.14159265'

注：AC 分析似乎没法对单独的频率点进行分析，所以上面还是对一段频率扫描，最后只取了我们所要的频率点的结果

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CMRR 与 PSRR 的仿真

共模抑制比（CMRR：comon-mode-rejection-ratio）和电源抑制比（PSRR：power-supply-rejection-ratio）是运放性能的重要指标，关于他们的具体仿真方法，在Allen书中都有相关的介绍。
最近发觉对这些仿真电路的原理有点模糊（主要还是对于CMRR的仿真电路），在这里拿出来重新温习一下

下图是共模抑制比仿真电路，通过AC小信号分析（两个Vcm相同，都取 AC 1），分析Vo输出的信号

共模抑制比仿真电路
由电路分析看到： Vout=Adm*(V1-V2)+Acm*(V1+V2)/2
代入： V1=Vcm; V2=Vout+Vcm
可以推出：Vout/Vcm=Acm/(1+Adm-Acm/2),近似为:Acm/Adm=1/CMRR
故此，在前述的仿真，输出Vout的倒数即为CMRR

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Inverting OPAMP 的反馈分析

之前在论坛看到有谈到inverting opamp的反馈结构，以及其GBW随反馈电阻的变化，觉得有些可以在这记录一下

下面是简单的inverting opamp的结构
inverting OPAMP

对这样的反相放大结构, 很容易可以看出其环路增益 Vo/Vin=-A*B1/(1+A*B2)
其中：A为运放OPAMP的增益, B1=Rf/(Rs+Rf), B2=Rs/(Rs+Rf)

我们可以对比一般的反馈结构，如下面所示：
反馈回路示意
对此一般反馈结构，有Vo/Vin=A/(1+A*Beta)

对比之前的inverting 结构可以看出反馈因子为 Rs/(Rs+Rf),而不是通过考虑虚短虚断得到的环路增益的倒数Rs/Rf，这是由于反馈的求和点(summing point)并不在电压输入节点.

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Simulation for new lib-5 Gm/Id 相关

继续之前关于新工艺下的仿真内容的介绍.

一般在集成电路设计时，对 MOSFET 的过驱动电压 Vov 的选取通常以 150mV~200mV 和 500mV 为分界点（具体可以参见 Willy.Sansen 的 ‘Analog Design Essential’ 一书中相关的分析），当然也可通过 gm/id 曲线来寻找合适的 Vov 电压（关于 gm/id 的设计方法的具体介绍可参见 Stanford 的 EE214 课程文档的说明），个人通常以 Gm/Id*ft 曲线的峰值对应的 Vov 作为一般电路设计中迭代优化的初始点。

关于 Gm/Id 系列曲线的具体仿真电路，考虑其与之前介绍过的 MOS 管本征增益和特征频率的仿真方法相类似，基本上也是直流扫描的方法来实现的.
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Simulation for new lib-4 MOSFET 输出电阻和厄利电压

继续前面关于新工艺下器件特性仿真的讨论…

对于晶体管输出阻抗的问题，由于 MOSFET 的输出电阻 rds 实际上与其电流 Ids 相关，在一阶模型中有 Rds=1/(lamda*Id)，因而在这里考虑以 Rds*Id 作为输出电阻的参考（实际上若 MOSFET 在饱和区，Rds*Id 就是其厄利电压 Early voltage）。

**需要注意的是，Gray 书中 Early 电压的定义与 Sansen 书中的不同，差别在于是否独立于沟长的影响，这里用的是 Gray 书中的定义，未将沟长影响去除。

下图所示为基本的仿真电路，通过对栅电压的直流扫描和对应的计算，可以得到 Early 电压与过驱动电压 Vov 的曲线，以及Early 电压和晶体管 L 尺寸的关系
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Simulation for new lib-3 本征增益和特征频率

在前面的文章里面，大致介绍了关于 MOS 管阈值电压的简单仿真，在此我们也可以通过一些简单的仿真来了解 MOSFET 的本征增益和特征频率的特性。

下图为所示的仿真电路，主要是通过对 Vgs 的直流扫描和简单的计算，以得到本征增益（Av）和特征频率（ft）对过驱动电压（Vov）的特性关系。

（注意，此处仿真得到的特征频率 ft 只是简单的由相应公式计算而来，如需进一步的仿真可以考虑其定义，即由电流的小信号增益曲线来得到，具体的仿真设置这里就不多谈了）

在下面的 spice 脚本中，通过加入 ’.option dccap=1’，使 spice 计算 dc 下节点电容（否则 DC 分析，电容认为开路），dccap 亦可换为 capdc 或者 CAPTAB，实际上若设定 dccap=2 或者 CAPTAB=2，spice 会在输出列表中打印所有节点的电容大小。
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