電子實驗(下) Lab 1 - 1 -
Lab 1：HSPICE 介紹 目的：
藉由基本操作認識HSPICE
一、 認識 HSPICE：
“SPICE” 是一套重要的工業級或研究級的電路分析程式，其意義是 ”Simulation Program with Integrates Circuit” ，是特別為解決積體電路 (IC) 內部電路的自動模擬 分析與驗證等設計問題而發展的程式。 “SPICE” 最早是由美國加州大學柏克萊分校 (University of California, Berkeley) 分校在 1970 年以一名為 “CANCER” 的電路模 擬程式為藍本發展出來的，至今已經超過 30 年了，幾乎是全世界公認的電路模擬標 準原型程式。隨產業環境及電路設計技術的拓展與升級，SPICE 也現了許多改良與演 進的版本，例如： ”SPICE2” 、 “SPICE2G.6” 、 “SPICE3” …等，但最重要的是
“SPICE2” 系列，如 H-SPICE、P-SPICE、IS-SPICE 等都是以 ”SPICE2” 為基礎加 以改進，而成為商業產品。P-SPICE 常見於 PCB-Level 的電路設計，也常用來作為 基本電子電路模擬與教學輔助軟體；而 IS-SPICE 則較適合電機與工業電子的應用設 計；H-SPICE 與 SBT-SPICE 則較常應用於業界研發 (IC 設計) 或學術研究，特別是 在積體電路設計方面使用，其在 Transistor Level 或 Cell-Based 的電路設計上是一套 非常優越的輔助工具，對於目前從事 IC 設計或相關研究的人員而言是一項必備的技 能。
雖然支援 SPICE 的軟體多，但它們基本的原理大同小異，都是以 SPICE 的演算 法為基礎的，而只有在考慮：模擬時序的控制，運算方式 (Equation Solver)、元件模 型 (Model) 的建立，收斂技巧 (Convergence Control) 等方法可能有些差異而已。
H-SPICE 常被用在 IC 設計中，這多電路受限於本身的複雜度及實際佈局後產生 的寄生效應 (一般是指寄生電容) 影響，而這些都無法在 PCB-Level 上得到驗證，而 在積體電路中這兩者的影響卻兼具且深遠。HSPICE 可將電路中的元件 (Element) 、 電 路 架 構 區 塊 (Block) 或 子 電 路 (Subcircuit) 等 ， 以 行 為 特 性 元 件 (Behavioral Element) 的方式來呈現，使用者可自由的定義及設定其內部的參數，並以數學函數的 方式來表示，最後交給 HSPICE 以電路理論基礎的演算法來自動分析。
圖 (一) MOS 寄生電容示意圖
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二、 HSPICE 計算方式：
SPICE 的計算方法是利用個節點連接之元件間電流值與節點之電壓組成陣列，對 於線性電路再以高斯消去法算出各節點的電壓值。對於非線性電路，則使用數值分析的 技巧求出逼近值。
線性電路：
⎛ ⎞
⎛ ⎞ ⎛ ⎞
⎜ ⎟
⎜ ⎟ ⎜ ⎟
⎜ ⎟
⎜ ⎟ ⎜ ⎟
⎜ ⎟
⎜ ⎟ ⎜ ⎟
⎜ ⎟
⎜ ⎟ ⎜ ⎟
⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠
⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞
⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟
⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟
⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟
⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠
0 1 2 3
1
2 0
3
V
0.2 0 -0.1 -0.1 -3
V
0 0.2 -0.2 0 3
V = -0.1 -0.2 0.5 -0.2 0
V
0 0 -0.2 0.3 0
0.2 -0.2 0 V 3
-0.2 0.5 -0.2 V 0 V is ground 0 -0.2 0.3 V 0
With Gaussian eliminatio
= ，
⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞
⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟
⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟
⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟
⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠
1 2 3
1 2 3
n
0.2 -0.2 0 V 3
0 0.3 -0.2 V 3
0 0 0.25 V 3
Results : V = 33V V =18V V =12V
=
， ，
非線性電路：
( )
( )
( )( )
×
×
⎡ ⎤
× ⎣ ⎦
⎡ ⎤
× ⎣ ⎦
d
d 40 V d
d
d 40 V
d
d+1 d
d
d+1 d
I =1pA e -1
5 =V +Id 2
5 =V +1pA e -1 2
V = V -F V F' V
Convergence criteria : Delta V = (V - V ) < 0.001
d d+1
V V Delta V
1 1 0.975001 0.02499 2 0.975001 0.950002 0.02499 3 0.950002 0.925005 0.02499 4 0.925005 0.900015 0.02499 5 0.900015 0.875041 0.02497 6 0.875041 0.850117 0.02493 7 0.850117 0.825309 0.02481 8 0.825309 0.800838 0.02447 9 0.800838 0.777250 0.02359 10 0.777250 0.755885 0.02136 11 0.755885 0.739447 0.01644 12 0.739447 0.730983 0.00846 13 0.730983 0.729186 0.00179 14 0.729186 0.729119 0.00007
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三、 HSPICE 主要分析模式：
HSPICE 的主要分析模式包含直流分析 (DC Analysis)、暫態分析 (Transient)和交流分 析 (AC Analysis)，以下將針對我們在實驗課中主要會用到的功能作介紹：
1. 操作點分析 (OP Analysis) 與直流分析 (DC Analysis)：其中直流分析也稱作穩態 分析 (Steady-State Analysis)，主要掃描變數有電壓、電流、元件參數或溫度等。
以掃描變數為電壓為例，固定MOS 的 VGS電壓，對VDS電壓做掃描觀察流過MOS 的電流ID即可得到MOS 的 I-V 特性曲線；對電路的輸入端掃描電壓後，以輸入電 壓對輸出電壓作曲線的描繪，即可得到此電路輸入對輸出的特性曲線。直流分析 對於認識一個新電路有很大的幫助，藉由直流分析，可以了解到各元件在電路中 的操作狀態，對於放大器電路設計當中，直流分析，更可讓設計者了解電路所適 合操作的工作點及輸入與輸出的範圍。而操作點分析主要是為了獲得電路本身的 工作點資訊，如節點電壓、支路電流、主動元件的小訊號參數及消耗功率等。
在直流分析中，HSPICE 提供四個基本的分析陳述 (Statements)，即操作點分析
“.OP”、直流分析 “.DC”、極點與零點分析 “.PZ” 及直流小訊號分析 “.TF”，分別 介紹如下：
I. 操作點分析 “.OP”：用以計算在指定得時間點之下，電路 (或網路) 的操作點 情況，因為常被用在求出電晶體放大電路的直流工作點，故也稱作工作點分析 或偏壓點分析。其輸出資訊包括節點電壓、支路電流及元件的小訊號參數等。
圖 (二) 當 G 端電壓與 D 端電壓為 1.8V、S 端電壓接地後使用 .op 所求得 之結果。
II. 直流掃描 “.DC”：對一定範圍內的電流 (電壓或電流)、模型參數 (如 MOSFET 的 W、L…等)、整體參數 (Global Parameter)、溫度 (周圍或接面溫度等) 等 變數進行遞增或遞減的掃描。舉例來說當 MOS 的 G 端與 S 端電壓固定，
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使用者可利用 D 端電壓的直流掃描求得 MOS 的 ID-VDS 特性曲線。
圖 (三) 當 NMOS 尺寸 L=0.18μM、W=1μM，G 端電壓為 1.8V，S 端與 B 端
接地後，對 D 端做直流掃描後的結果。
III. 極點與零點分析 “.PZ”：屬於小訊號分析的一種，主要是用來計算電路的頻率 響應的極點 (Pole) 和零點 (Zero)，常用於放大器、濾波器、網路或控制系統 的增益，頻率補償及穩定度等規格設計等。
圖 (四) 以一個 Fold Cascode 放大器為例，POLE 與 ZERO 的模擬結果。
IV. 直流小訊號分析 “.TF”：用來計算小訊號直流轉移函數 (即計算增益值)、輸入 阻抗和輸出阻抗。其原理是假設電路在直流的穩態情形下，在輸入端加入一微 小的擾動時，觀察指定輸出端的變化，計算 VOUT/VIN 後即為增益值。由於 工作點是設定在偏壓點附近，也就是將電路視為線性電路 (Linear Circuit)，電 路中所有非線性元件透過偏壓點的設定，便可當作一般的線性元件，使用其線 性模型。在此必須澄清， “.TF” 只考慮在 “直流” 的情況下進行，並不能在頻 率變化的情況下進行，所以要計算交流增益響應及等效輸入，輸出阻抗時必須
VDS
ID
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使用交流分析。
圖 (五) 以一個 Fold Cascode 放大器為例，直流小訊號模擬結果。
2. 暫態分析 (Transient Analysis)：也稱作時域分析 (Time Domain Analysis)，顧名 思義，它的主要掃描變數是時間。暫態分析底下還有包含許多的相關分析，如傅 立葉分析、FFT 等。在電子電路實驗中，最常用到可儀器可說是 “示波器” 了，
也就是用時間 (Time) 來表示橫軸或 X 方向；用變數的大小來表示縱軸或 Y 方 向，觀察到的結果即所謂的時域響應 (Time Domain Response)。在 HSPICE 中，
暫態分析 (Time Analysis) 主要的進行方式是在指定的時間範圍 (Time Interval) 內，以 “時間” 作為電路主要的掃描分析變數，並計算電路中電壓、電流和數位狀 態的相應波形軌跡。
HSPICE 可經由軟體產生各種與時間有關的電壓或電流源，例如：含指數衰減型 的弦波 (Sinusoidal)、脈衝波 (Pulse)、三角波 (Triangle)、指數上升或下降波形 (EXP)、片斷線性電壓源 (PWL) 以及調幅波 (AM) 和調頻波 (FM) 等訊號，使用 者可在時間或頻率領域內觀察電路各節點及元件對其響應的結果，這些訊號源就像 是來自真實實驗的訊號產生器，而所觀察的輸出結果就好像示波器的波形顯示一 樣。
有關暫態分析可應用的分析陳述有：暫態掃描 (使用 “.TRAN” 陳述)和傅立葉 分析 (使用 “.FOUR” 陳述)
I. 暫態掃描 “.TRAN”：在指定的時間範圍內，計算電路之輸出變數在各個時間 點下所得到的解，即所謂的時間掃描分析。HSPICE 內部提供了由軟體產生 的訊號源 (弦波 (Sinusoidal)、脈衝波 (Pulse)、三角波 (Triangle)…等) ，執 行分析時須搭配其中一種作為分析的來源時變訊號。
圖 (六) 以一個反向器為例，輸入方波暫態訊號模擬結果。
input output
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II. 傅立葉分析 “.FOUR”：屬於暫態分析的一部份，其分析方法是使用者必須指 定 一 定 的 “ 時 間 範 圍 ” ( 由 (TSTOP-TPERIOD) ~ TSTOP) 和 訊 號 的 基 頻 (Base-Band)，其中 TSTOP 是在 “.TRAN” 陳述中指定的，再由 HSPICE 自 動依照傅立葉轉換的公式計算各項 “傅立葉係數” (DC 和傅立葉單元值) 和訊 號的總諧波失真 (Total Harmonic Distortion)。因為掃描變數是時間，因此
“.FOUR” 陳述執行時仍須搭配 “.TRAN” 陳述，才能驅動掃描進行。
3. 交流分析 (AC Analysis)：也稱作頻域分析 (Frequency Domain Analysis)，顧名 思義，它的主要掃描變數是頻率。交流分析底下還包含許多相關分析，如雜訊分 析、失真分析、取樣分析及網路分析等。
做交流分析的目的是要獲得電路中指定的輸出變數對輸入訊號源頻率變化的響應 (Frequency Response)，因此主要的分析變數是各種不同的頻率變化，在執行時 須指定頻率分析的範圍。HSPICE 中與交析分析有關的分析陳述有交流頻率分析
“.AC”、失真分析 “.DISTO”、雜訊分析 “.NOISE”、取樣分析 “.SAMPLE” 和網路 分析 “.NET”，常應用於放大器或慮波器電路的設計。
與直流和暫態分析相同，交流分析的執行也是以操作點分析為基礎的，也就是做交 流分析時 HSPICE 會自動算出電路的直流操作點 (求出節點電壓、支路電流及主 動元件的交流小訊號參數)，再將電路中的非線性元件線性化 (例如：分析 OPA 時 取交流線性等效模型或電路)，最後才是作頻率領域的數值分析。
交流頻率掃描 “.AC”：主要的掃描變數是頻率，使用者可指定分析電路的一個 或多個輸出變數 (如節點電壓、支路電流等)、頻率的掃描範圍 (由 FSTART到FSTOP) 及掃描的取樣型態與紀錄點數。
圖 (七) 以一個 Fold Cascode 放大器為例，交流頻率掃描模擬結果。
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四、 HSPICE 模擬流程：
以上介紹了 HSPICE 的緣由與功能，現在開始要為使用者介紹 HSPICE 模擬流 程。以下要先介紹的是 HSPICE 的各種檔案及用途。
HSPICE 的輸入檔 (*.sp) 可接受及整合許多不同的來源與型式的輸入檔案，如：
電路串接型態 (Netlist)、模型或資料庫等，例如：”*.sp”、”Model” 以及 ”Libraries” 等 等，其中又以 <design>.sp 檔的撰寫最為重要。當輸入檔經過分析與執行後，HSPICE 會對應輸出一些形式簡易的檔案(如 *.lis 檔，屬於純文字的輸出檔)以供給使用者進一 步的檢視及解釋結果。
HSPICE 輸入檔的內容除了包含電路的串接型態 (Netlist) 和參數 (Parameter) 外，還有使用者指定 HSPICE 進行的分析方法與條件，而最後執行是由 HSPICE 的 核心程式予以計算。當分析與計算的程序完成後，HSPICE 便將結果儲存在輸出的文 字檔 (Output Listing File，*.lis) 或圖形資料檔 (Graph Data File，*.st0) 中。假如在輸 入檔中指定 .OPTIONS POST，則完整的分析結果 (如穩態、暫態或頻率響應等) 便會 儲存在圖形資料檔中。這些結果 (如某節點電壓或支路電流) 便可經由高解析度的圖形 輸出終端機、或是將它們列印出來。
透過圖 (八) 可以簡單了解以上的說明，當使用者將電路的串接形態及要模擬的功 能撰寫成 HSPICE 的輸入檔 (*.sp) 並因應不同的製程條件引入適當的 Model and Device Library (*.lib) 後，即可透過 HSPICE 進行模擬，模擬完成後 HSPICE 便將結 果輸出在文字檔 (*.lis) 中，透過這一個文字檔可以得知模擬的各種資訊，如模擬成功 或失敗及印出使用者在 HSPICE 輸入檔中下答各項指令之計算結果。除了文字檔外，
當模擬完成後，HSPICE 會另外產生一個 圖形資料檔 (*.st0)，再利用 HSPICE 之圖 形輸出軟體 Avanwaves 便可將模擬結果以圖形輸出，印在螢幕上。
圖 (八) HSPICE Data Flow
因此可以了解在模擬 HSPICE 的過程可以精簡的表示為，撰寫 HSPICE 輸入 檔，在輸入檔中引入適當的元件模型及資料庫，透過 HSPICE 軟體模擬，觀察模擬結 果。在此可以更深入介紹，一個完整的電路設計流程應是如圖 (九) 所示，當使用者選 定一個電路架構後，首先要做的事並不是將此電路的串接型態 (Netlist) 撰寫進入 HSPICE 輸入檔中，而是在電路圖上先訂定好此電路的工作條件，此電路應達成的效
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能及此電路使用的元件模型。其次是選擇要進行何種功能的模擬，因應不同功能的模擬 輸入訊號型態會有不同。最後再選擇要觀察的輸出點。這一些工作通常是在紙上先完 成，完成以上的準備工作後，即可著手將此電路的串接型態 (Netlist) 撰寫進入
HSPICE 輸入檔。完成 HSPICE 輸入檔之撰寫工作後，即可進行模擬，當模擬完成後，
首先要做的是檢查輸出的文字檔 (*.lis) 是否有錯誤，由文字檔中的說明可以發現程式 在哪出現語法上的錯誤或是模擬條件有問題，造成 HSPICE 模擬結果無法收斂產生錯 誤。使用者必需針對文字檔中所指出的錯誤修改 HSPICE 輸入檔的內容，直到模擬結 果無誤為止。
圖 (九) HSPICE 模擬流程
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但模擬結果無誤也不是代表使用者做的模擬完全正確。原因在於，模擬結果必需符合電 路的功能 (Function)，因此這時可透過圖型化輸出檢查電路模擬出的功能是否正確，若 功能不正確，則要回去檢查 HSPICE 輸入檔是否有誤。當更正完成電路的錯誤後，此 時要驗證電路的效能是否符合，若電路的效能未符合所訂定的規格，如增益不夠大、頻 寬不足、輸出擺幅太小…等，則要以先分析模擬結果找出原因，再回到 HSPICE 輸入 檔做修正，如調整元件尺寸、調整偏壓點、調整偏壓電流…等
五、 如何撰寫 HSPICE：
由前面的介紹可得知，模擬 HSPICE 最重要的工作就是撰寫 HSPICE 輸入檔 (*.sp)，在下面的內容中，將要為使用者介紹如何撰寫 HSPICE 輸入檔。撰寫 HSPICE 時要特別注意，在 HSPICE 中不分大小寫，也就是說任何語法與元件命名大小寫都是 代表同樣的東西。
在 HSPICE 輸入檔 <design>.sp 的組織項目中，除了其本身的檔名可以由使用 者自行訂定外，一般內容會建議能包含以下幾個項目：
1. 輸入檔的 Title：通常寫在輸入檔的第一行 (在 HSPICE 中第一行不被當做程式 碼，可不寫內容但必需空下來)。
2. 電路的串接型態 (Netlist)：如使用的元件、接點、參數描述、子電路或電源等等。
3. 陳述所使用的 Library 名稱。
4. 指定分析方法或型式 (如：直流分析 ”.DC”、交流分析 ”.AC”、暫態分析 ”.Tran” 等 等)。
5. 指定輸出的敘述 (如：”.Probe”、”.Print”、”.Plot” 等) 6. 結束指令 (即 ”.End” 陳述)
7. 註解 (每列陳述以 “*” 號做為開頭)
圖 (十) HSPICE 建議撰寫格式
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HSPICE 輸入檔中所包含的陳述 (Statements) 並沒有數量上的限制，除了上述六 個主要及常用的部分以外，可能還包含其他項目。例如：”.Alter” 次模組 (Submodule) 應用。不管 HSPICE 輸入檔的內容包含哪些項目，一定要包含 ”.END” 陳述，即所有 的陳述都應現在 ”.END” 之前才視為有效，出現在之後的則不被執行。
六、 HSPICE 基本語法介紹：
在以下內容中將會介紹 HSPICE 的基本語法，首先介紹的是 HSPICE 的命名原 則，由於 HSPICE 是一種描述電路圖的程式，為了區分各個不同的元件，各個元件有 不同描述。基本原則在於描述不同的元件，是以元件名稱的開頭字母來做區分，在後面 的內容會有說明。了解元件的命名原則後，由於描述電路圖上各個元件連接情形的需要 利用電路圖上的節點，為了方便表示各個不同的節點，因此要為每一個節點命名。了解 元件與節點的命名後，將要介紹的是輸入訊號的描述方式，在此將會為使用者介紹如何 串接元件與描述獨立電壓源、獨立電流源、脈衝電源…等。當了解以上的基本語法後，
使用者即具備有撰寫電路串接狀態 (Netlist) 與輸入正確輸入訊號的能力，再配合後面 所要介紹的 HSPICE 常用語法與各種分析方式後，便可做出一些基礎模擬。
1. 名稱、分隔、節點、數字、參數與公式的表示規則
有關 HSPICE 輸入檔中名稱 (Name) 與分隔符號 (Delimiters) 的使用原則 如下：
I. 名稱必須是以英文字母為開頭的字元 (Alphabetic Character)，但之後可緊接 著阿拉伯數字 (如：V1、V22) 及以下字元：
! # $ % * + - < > [ ] _ II. 名稱最多可達 1024 個字元長度。
III. 在輸入列中，可使用的分隔項目如：一個 Tab 鍵距離和空白 (Blank)。
IV. 輸入列中，檔案名稱 (Filenames) 或公式 (Expressions) 須以單引號 ( ‘ ‘ ) 或雙引號 ( “ “ ) 與其他項目區隔。
V. 在電路串接型態的描述中，用來表示元件名稱的開頭字母，如：R 表示電阻 (R1、R2、…)、M 表示 MOSFET (M1、M2、…)、D 表示二極體 (D1、D2、…) 等
表 (一) HSPICE 常用元件名稱對照表 開頭字母 所代表的元件名稱
C 電容
D 二極體
I 獨立電源：電流源
L 電感
M MOSFET Q BJT
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R 電阻
V 獨立電源：電壓源
X 子電路
VI. 子電路 (Subcircuit) 也稱為次電路、巨集或 Modules 等，其名稱前面必須加 上 ”X”，例如：XA1、XA2、XA3…表示子電路 A1、A2、A3。
2. 有關HSPICE 輸入檔中節點 (Node) 的表示原則如下：
I. 電路的節點名稱一般習慣以英文字母或數字表示，最多可使用到 1024 個字 元。除了零參考點 (Ground) 以外，其餘可由使用者自訂。
II. 節點名稱中，0、GND、GND!及 GROUND，在 HSPICE 中都是整體性的表 示 “地” 或是 “零參考電位點” 的意思。
III. 通常在撰寫 MOS 電路時，會使用 VDD 代表最高電位，Supply Voltage。
3. 串接元件與電源：
元件 (Element) 與電源 (Source) 是形成串接電路 (Netlist) 的要件，目的是告訴 HSPICE 串接這些元件與電源的型式，串接型態、值的大小或變化條件，其使用方式 與指令語法說明如下：
I. 元件陳述主要的描述 HSPICE 中，使用者所使用的原元件名稱、串接型式 (接腳 與節點的連接)、模型名稱 (Model Name)、值 (Value) 大小、參數值 (Parameter) 大小與並聯同型元件個數。在元件陳述中，電路中的節點名稱可自訂，但節點的表 示順序依使用元件不同而不同，例如：MOSFET 的節點表示依序為 D、G、S、B，
電容 (C) 依序為正極與負極，而一般電阻 (R) 則無限制。
範例1：M1 VD VG GND GND NCH L=1uM W=10uM NCH 代表所使用的模型名稱
M1 L 與 W 尺寸分別為 1μM 與 10μM 範例2：RD 3 4 10K
電阻RD 的接點分別為 3 和 4，阻值大小是 10K 範例3：R1 A B 10K TC1=0.01 TC2=0.02
電阻R1 的接點分別是 A 與 B ，阻值大小是 10K TC1 與 TC2 為電阻溫度係數
範例4：M1 VD VG GND GND NCH L=1uM W=10uM M=2 M1 的並聯個數為 2 也就是說 M1 的 W 加倍
M1 VD VG GND GND NCH L=1uM W=10uM M=2 尺寸上意義同等於 M1 VD VG GND GND NCH L=1uM W=20uM 但因在製程上考慮的電容 效應不同，兩個只有在尺寸上等效，效能上不等效。
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Scale Factors：
表 (二) Scale Factor 符號 值
F 10-15 P 10-12 N 10-9 U 10-6 M 10-3 K 103 Meg or X 106 G 109 T 1012 DB 20log10
注意：在 HSPICE 中所有長度與寬度尺寸的單位都是公尺 (M)。
範例：1pF、1nH、10MegHz or 10XHz、VDB(V3)、10uM
II. 電源的種類主要可兩分為獨立電源 (Independent Source) 與相依電源 (或稱受控 (Dependent Source)) 兩種，其中獨立電源如：單純的直流電壓源與電流源，其語 法與元件陳述的基本形式相同。
i. 在基本獨立電源中，最常用的是直流電源，如以下的範例所示。
範例1：VD 1 2 DC 10V
電壓源 VD 正端節點為 1，負端為 2，電壓值為 10V 範例2：VD VD GND -10V
電壓源 VD 正端節點為 VD，負端為 GND，電壓值為 -10V 範例3：IREF VREF GND 1mA
電流源 IREF 正端節點為 VREF，負端為 GND，電流值為 1mA ii. 除了直流電壓與電流源外，HSPICE 還提供許多可由使用者自行規劃的電
源，如可指定弦波的振幅大小、頻率、相位；方波的頻率、周期及延遲時間；
片斷線性波形等。
a. 脈衝電源，PULSE：脈衝電源的變化類似 “梯型”，波形有一個高位準和 一個低位準。例如：當 t = 0 時的脈衝波形位於低準位，經過一個延遲時 間 (TD) 後便以直線上升，到高準位經歷的時間為 (TR) 且維持在高準 位，維持時間為波寬 (PW)，當波形由高準位下降到低準位經歷的時間為 (TF)，整個過程經歷的時間即波形的週期 (PER)。
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語法：
V/I 電壓源名稱/電流源名稱 正節點 負節點 PULSE ( 位準 1 位準 2 TD TR TF PW PER )
其中：
V 電源名稱、I 電源名稱 → 分別為獨立電壓及電流源的電源名稱。
PULSE → 指定為脈衝電源的關鍵字。
準位 1、準位 2 → 為脈衝電源的兩個準位，單位為 Volts 或 Amps。
TD、TR、TF、PW、PER → 依序為脈衝電源的延遲、上升、下降、波 寬及週期，單位為 Sec。
範例 1：VIN1 VIN GND PULSE ( 0V 1.8V 1NS 0.5nS 0.5nS 4.5nS 10nS )
脈衝電源 VIN1 連接正節點 VIN 及負節點 GND，具有 0V 及 1.8V 兩種準位。當 t=0 時波形為 0V，當 t=1ns 時波形開始上 升，上升時間為 0.5ns，且繼續維持 4.5ns 後開始下降，下降 時間為 0.5ns 整個波形週期為 10ns 且重複產生，此波形為一 個 100MHz 方波。
b. 阻 尼 式 弦 波 電 源 ， SIN ： 阻 尼 式 弦 波 電 源 是 弦 波 函 數 再 乘 以 一 個 Exponential 的指數項，同樣的時間變化的函數。使用此電源時須指定弦 波的物理頻率 (ω)、Exponential 衰減常數 (Decay Constant)、波形的 起始相角及起始 (延遲) 時間等。
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語法：V/I 電壓源名稱/電流源名稱 正節點 負節點 SIN ( 直流偏移 交流 有效值 頻率 <延遲時間> <阻尼係數> <相角> )
其中：
V 電源名稱、I 電源名稱 → 分別為獨立電壓及電流源的電源名稱。
SIN → 指定為阻尼式弦波電源的關鍵字。
直流偏移、交流有效值 → 指定弦波的直流偏移 (DC offset) 及交流有效 值 (振幅)，單位：Volts 或 Amps。
頻率 → 指定弦波電源變化的頻率 (ω)，單位：Hz。
延遲時間 → 為由暫態掃描起始時間到弦波變化開始的時間，單位為 sec 預設值為 0.0 sec。
阻尼係數 → 弦波電源的阻尼因數 (σ)，單位為 1/sec，預設值為 0。
相角 → 延遲相角 (Phase Delay)，單位：度 (Degress)，預設值為 0 度。
範例 1：VIN1 VIN GND SIN ( 0.9 0.9 100Meg 1n )
弦波電源 VIN1 連接正節點 VIN 及負節點 GND，DC 位準在 0.9V，交流大小為 0.9V 當 t=0 時波形為 0V，當 t=1ns 時波形 開始上升產生頻率100MHz 的 SIN 波。
範例 2：VIN1 VIN GND SIN ( 0.9 0.9 100Meg 0n 0 90 )
弦波電源 VIN1 連接正節點 VIN 及負節點 GND，DC 位準在 0.9V，交流大小為 0.9V 當 t=0 時波形開始下降升產生頻率 100MHz 的相位延遲 90 度的 SIN 波。
c. 片斷線性電源，PWL：可用來指定某時間點到另一時間點間呈直線變化 的電壓，如三角波即是片斷線性電源的一種，其時間點與電壓值是成對的。
語法：V/I 電壓源名稱/電流源名稱 正節點 負節點 PWL ( T1 V1 <T2 V2>
<T3 V3> … ) 其中：
V 電源名稱、I 電源名稱 → 分別為獨立電壓及電流源的電源名稱。
電子實驗(下) Lab 1 - 15 -
PWL → 指定為片斷線性電源的關鍵字。
V1、V2、V3…VN → 指定電源在不同時間點時的電壓或電流值。
T1、T2、T3…TN → 對應上述電壓或電流值大小時的時間點。
範例：
VIN VIN GND PWL (0n 0v 5n 0v 5.1n 3.3v 8n 3.3v 8.3n 1.5v 9.2n 1.5v 9.4n 3.3v)
七、 HSPICE 常用語法介紹：
“.LIB” 呼叫 Library：使用者可利用 “.LIB” 陳述在目前所在的 Library 檔中呼叫其他已 建立的 Library，只須指定要呼叫的 Library 檔路徑，檔名。
語法：.LIB ‘<檔案路徑> 檔名’
範例：.LIB ‘mm018.l’ tt
引入 mm018.l 這一個 Library。
在此特別說明一點，引入 mm018.l 這一個 Library 時後面加上 TT 代表的意 義為，在此 Library 引入的元件皆在常溫下操作 (25℃)，TT 就同義為 Typical P Typical N，也就是 PMOS 與 NMOS 皆在常溫下操作。因為在 MOS 操作電壓與操作溫度的變動可能會造成電路無法正常操作，為了使電路 更加強健，電路在設計完成後必需通過 Corner Verification 以確保電路在各 種的極端環境仍可正常操作。除了 TT 外，還有 FF、SS、SF 和 FS 這幾 種製程上漂移，其中 FF 代表這一個電路在 Best Case 下操作，SS 代表這 一個電路在 Worst Case 下操作。一般電路在完成設計後最少要經過 FF 和 SS，的測試後才可算設計完成。
“.OPTION” 陳述：”.OPTION” 可允許重設各項之軟體參數及其它功能設定。”.OPTION”
可控制 HSPICE 在模擬時輸出檔列印的格式、改變計算收斂條件、模擬速度、Model 的 解析度、演算法與精確值。通常會在輸入檔中加入一行 “.OPTION POST” 代表將模擬 結果的圖檔轉成 Binary 檔，以便使用 Aavnwaves 時可讀取結果。
電子實驗(下) Lab 1 - 16 -
“.PROBE” 陳述：”.PROBE” 陳述是用來將指定的輸出變數儲存到 HSPICE 的介面圖 形資料檔中，每個陳述中可指定的輸出變數個數最多 32 個，如果超過時，則需要撰 寫另一個 “.PROBE” 陳述。”.PROBE” 陳述語法如下。
語法：.PROBE 型式 變數 …<型式 變數 32>
範例1：.PROBE V(OUT) I(M1) VdB(VOUT2)
“.ALTER” 陳述：”.ALTER” 陳述可讓使用者訂定次模組 (Submodule)，其中次模組的 使用是由一個 “.ALTER” 指令為開頭的陳述，HSPICE 可根據 “.ALTER” 命令內容自 動改變輸入檔的內容，而回傳不同自訂選項 (Option)、串接型態 (Netlist)、分析方法 (Analysis)、測試向量 (Test Vector) 時的模擬結果。當輸入檔東包含 “.ALTER” 陳述 時，第一次會執行 .ALTER 以前的內容，第二次執行時會將 .ALTER 後的參數內容 與 .ALTER 前的輸入檔內容替換，再次執行模擬。一般在撰寫 ”.ALTER” 陳述時都會 撰寫在輸入檔內容的最後 .END 之前。
“.GLOBAL” 陳述
在整個 HSPICE 的輸入檔中， “.GLOBAL” 用以整體性的指定某個節點的參考名 稱，即在 “.GLOBAL” 陳述中被指定的節點名稱在整個輸入檔中 (包合任何層次的子電 路或巨集) 具有唯一的名稱使用，任何被指定連接到該名稱的節點都是指到同一處的意 思。因此 “.GLOBAL” 陳述常用於輸入檔中包含多個或多層子電路，需要有共用的某些 節點名稱時，最常用的地方如：共用一個系統的地 (GND) 或電源 (VDD) 等。
範例：.GLOBAL VDD GND
指定兩個全域節點名稱，VDD 與 GND。
子電路的語法與描述：
子電路 (Subcircuit) 經常被用於某些經常出現或重複性較高、差異性較低的電路呼 叫，可節省許多撰寫輸入檔的時間、使用輸入檔更加的簡單化、結構化及將電路模組或 元件以特性化、參數化，以便將來進行各式的電路分析時能更有效率更具彈性。
1. 子電路的建立
I. “.SUBCKT” 陳述：子電路的描述可以使用 “.SUBCKT” 為開頭，陳述中必須 包含電路的參考名稱。描述子電路的語法如下：
語法：.SUBCKT 子電路名稱 節點 1 節點 2 … 節點 n 其中：
子電路名稱 → 是將來子電路被呼叫時必須以此名稱為識別的參考名稱。
節點名稱 → 表示整個子電路模組於外部的節點參考名稱。
II. “.ENDS” 陳述：可用來結束一個子電路，但必須安排在所有子電路串接陳述 的最後一列，表示該子電路的定義已經終止。
電子實驗(下) Lab 1 - 17 -
2. 呼叫子電路
呼叫子電路的陳述與一般元件陳述所用的語法十分接近，但必須是以 “X” 為開頭 元件名稱，例如：X1、X2 或 XOP1、XAMP2…等。
語法：X 子電路名稱 節點 1 <節點 2 … 節點 n> 子電路模型參考名稱 其中：
X 子電路名稱 → 子電路元件封包於外部參考名稱，命名時以不超過 15 個字元 為限，且必須以 “X” 為開頭以供識別。
節點名稱 → 子電路於外部節點參考名稱。
子電路模型參考名稱 → 子電路元件陳述必須與其對應的子電路模型參考名稱相 同。
範例：
.GLOBAL VDD GND
*指定兩個全域節點名稱，VDD 與 GND。
.SUBCKT INV VIN VOUT
*指定一個子電路，名稱為 INV，有兩個輸入輸出的節點 VIN 與 VOUT MP1 VOUT VIN VDD VDD PCH L=1uM W=3uM
MN1 VOUT VIN GND GND NCH L=1uM W=1uM .ENDS
*結束子電路敘述 XINV1 V1 V2 INV
*呼叫子電路 INV ，將呼叫出來的電路命名為 XINV1，V1 與 V2 分別接到 子電路的 VIN 與 VOUT
八、 直流分析：
當 HSPICE 進行電路分析時，不管是直流、交流或暫態分析，首要工作便是設定串接 電路中各電源及節點的直流工作點 (或稱偏壓點、工作點) ( DC Operating Point)，通常 在模擬時會使用 “.OP” 陳述由 HSPICE 直接執行工作點分析。
1. 直流工作點分析陳述 “.OP”：用以計算電路各點的工作點。除了直流分析外，執行 其他分析也可加入此陳述。假如分析方法本身即需要電路的工作點時，則執行時會 自動做工作點分析。
在輸入檔中加入 “.OP” 陳述後，在輸出檔 (“.lis”) 中會印出以下資訊：
subckt
element 0:mn1 *元件名稱
model 0:nch.9 *使用元件的Model
電子實驗(下) Lab 1 - 18 -
region Saturati *MOS 的工作區域
id 615.8100u *流經 MOS 的 Drain 端之電流大小 ibs -1.5443a *MOS Bulk 到 Source 端之電流大小 ibd -56.0460n *MOS Bulk 到 Drain 端之電流大小 vgs 1.8000 *MOS之Gate至Source DC工作電壓 vds 1.8000 *MOS 之 Drain 至 Source DC 工作電壓 vbs 0. *MOS 之 Bulk 至 Source DC 工作電壓 vth 530.7747m *MOS 之 VTH值的大小
vdsat 481.5692m *MOS操作在飽和區之Vds值大小 beta 2.4101m *MOS電流公式中的β參數
gam eff 987.3837m *MOS元件中，V 值之公式中Y的參數 TH gm 512.4819u *MN1 small signal model之gm值
gds 27.3363u *其倒數便是中MN1 small signal model之ro值 gmb 147.1579u *MN1 small signal model之gmb值
cdtot 1.0846f *MN1之Drain端看到的total電容值 cgtot 1.6806f *MN1之Gate端看到的total電容值 cstot 2.6627f *MN1之Source端看到的total電容值 cbtot 2.3163f *MN1之Bulk端看到的total電容值 cgs 1.1826f *MN1 small signal model之CGS值 cgd 359.1700a *MN1 small signal model之CGD值 PS：V = V + γt to ( 2Φ + V - 2Φ f SB f)
V ：to V =0 時之SB V 值。 t
γ ：Body Effect Coefficient，一般介於 0.3~0.4V1/2。 2Φf：元件的Fermi Level 形成之參數，一般約等於 0.6。
電子實驗(下) Lab 1 - 19 -
MOS完整小訊號模型
無論是類比電路或數位電路以上資訊對設計者在做電路分析上的幫助非常的 大。”.OP” 計算出的電流、電壓、電容與轉導值，經常用於分析類比電路上。在數 位電路上則常用電容值幫助設計者分析與解釋各種現象。
HSPICE 輸入檔 (.sp) 文字輸出檔 (.lis)
2. “.DC” 直流掃描：所謂的直流掃描分析，是電路中的一項變數 (如電源或元件參數 等) 在一定的掃描變化範圍內，以遞增或是遞減方式計算對於電路中某輸出點電 壓、電流或狀態產生的影響。直流掃描可以掃描的變數有：電壓源、電流源、元件 或電路整體參數、模型參數或溫度。要做直流分析必須掌握的項目有：要輸出的變 數、執行掃描的變數及掃描方式 (遞增或遞減)。
電子實驗(下) Lab 1 - 20 -
基本變數掃描：給定電路中某電源或元件參數，並指定掃描變數的起始、結束及遞 增值。
語法：.DC 變數 起始點 結束點 遞增值 其中：
遞增 → 指定掃描所指定的資料遞增量。
起始點 → 指定要掃描變數的初始值，其值可為電呀、電流、元件值、電流、元件 值、模型參數大小或溫度等。
結束點 → 指定掃描變數的結束值，為執行直流掃描時的最後變數，意指直流掃描 到此為止。
範例1：.DC VIN 0V 1.8V 0.01V
掃描 VIN 由 0V ~ 1.8V，遞增值為 0.01V 範例2：.DC TEMP 50 100 5
掃描變數為溫度，範圍由 50℃ ~ 100℃，每次遞增 5℃
HSPICE 輸入檔 (.sp) 文字輸出檔 (.lis)
圖形輸出結果 VIN
IMN1
電子實驗(下) Lab 1 - 21 -
3. 小訊號轉移函數分析陳述 “.TF”：用以計算直流小訊號分析中，某特定輸出變數比 上輸入變數的結果 (Output/Input)，而由輸入、輸出變數所得的等效輸入及輸出阻 抗也會一並計算，常用於計算放大器的小訊號增益時使用。
“.TF” 計算之結果會印在輸出檔 (.lis) 中，如下所示
語法：.TF 輸出變數 輸入訊號源 範例：.TF V(VOUT) VIN
計算輸出電壓 (V(VOUT)) 比上輸入訊號 (VIN) 的增益，所得的結果為電 壓增益。
電路圖 HSPICE 輸入檔 (.sp)
文字輸出檔 (.lis)
4. 零極點分析陳述 “.PZ”：常用於計算電路 (如放大器或濾波器) 的零點 (ZERO) 和 極點 (POLE)。“.PZ” 計算之結果會印在輸出檔 (.lis) 中，如下所示
電子實驗(下) Lab 1 - 22 -
語法：.PZ 輸出變數 輸入訊號源 範例：.PZ V(VOUT) VIN
計算輸出電壓 (V(VOUT)) 比上輸入訊號 (VIN) 的所有的零、極點。
電路圖 HSPICE 輸入檔 (.sp)
文字輸出檔 (.lis)
電子實驗(下) Lab 1 - 23 -
九、 暫態分析：
暫態掃描的陳述與範例：
以 “時間” 為主要的掃描變數的分析方法，稱為 “暫態掃描”。暫態掃描用於觀察電路對 時間的響應情形，例如：反相器的操作速度、運算放大器的迴轉率、時變訊號對特定節 點的響應…等。
暫態掃描的主要變數是時間，起始點由 T=0.0s 開始進行。簡單的暫態掃描只要給定時 間範圍 (TSTOP) 和增量 (TSTEP) 即可，例如掃描 0 ms 至 1 ms。暫態掃描的結果 可利用 Avanwaves 軟體顯示出來。
語法：.TRAN 時間增量 停止時間 範例：.TRAN 0.1ms 100ms
執行 0 ~ 100 ms 的暫態掃描，記錄間隔為 0.1 ms。
HSPICE 輸入檔 (.sp)
電子實驗(下) Lab 1 - 24 -
圖形輸出結果
十、 交流分析：
“交流掃描” 主要的掃描變數是頻率 (Frequency)，因此掃描的電路中一定要包含至少一 個或一個以上的電源 (含 AC 成份)。交流掃描的陳述 (簡稱交流掃描陳述) 是以 “.AC”
為開頭，並按適當情況指定要掃描的頻率範圍及解析度 (掃描或記錄的點數)。
語法：.AC 型式 記錄點數 起始頻率 結束頻率 範例：.AC DEC 50 10K 100Meg
從10K Hz 至 100Meg Hz 做頻率掃描，一共記錄 50 個點。掃描時是以每 10 倍 頻記錄一次。
HSPICE 輸入檔 (.sp) VIN
VOUT
電子實驗(下) Lab 1 - 25 -
圖形輸出結果
參考資料：
1. 蕭培墉、吳孟賢， HSpice 積體電路設計分析與模擬導論，東華書局。
2. 鐘文耀、鄭美珠，CMOS 電路模擬與設計─使用 Hspice，全華科技圖書。
3. 國科會晶片設計製作中心 (2001)，Spice Overview，新竹：行政院院國家科學委 員會晶片設計製作中心。
4. Star-Hspice Manual, Release 2001.4, December 2001, Avant! Corporation and Avant! subsidiary.
5. 台北大學 黃弘一副教授，類比積體電路設計實習。
6. 台北大學 黃弘一副教授，Analog VLSI Design。
7. Adel S. Sedra, and Kenneth Carless Smith, Microelectronic Circuits, 5th ed., Oxford University, 2003.
8. Behzad Razavi, Fundamentals of Microelectronics, John Wiley, 2006.
9. Behzad Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits, McGraw-Hill, 2001.
電子實驗(下) Lab 1 - 26 -
實驗步驟：
圖 (A) 圖 (B)
1. 請 利 用 前 面 說 明 試 撰 寫 圖 (A) 的 HSPICE 程 式 碼 。 使 用 的 Library 檔 為 ”mm018.l”，MOS 之 L 為 0.18 μm，W 為 1μM， VG 電壓為 0.7V，VD 電壓 為0.6V，並使用 ”.OP” 觀察 MOS 的操作狀態。
2. 尋找 ”.lis” 檔，檢查 HSPICE 程式碼是否有誤，無誤後觀察 NMOS 的各項參數。
3. VD 分別以 0V、0.6V、1.2 和 1.8V 觀察 ”.lis”檔中 MOS 的操作區域，並完成表 (一)。
表 (一)
VD 0V 0.6V 1.2V 1.8V
預估操作區域 實際操作區域
4. 同步驟 4 ，將 VD固定在0.8V，VG分別以 0V、0.6V、1.2 和 1.8V 觀察 ”.lis” 檔 中 MOS 的操作區域，並完成表 (二)。
表 (二)
VG 0V 0.6V 1.2V 1.8V
預估操作區域 實際操作區域
5. 使用直流掃描 “.DC” 掃描 VD，掃描範圍為 0 ~ 1.8V，遞增量為 0.01V。
6. 輸出流過 MOS 的電流之圖形在 Avanwaves 軟體上。
7. 若將此行 MN1 nd ng gnd gnd nch L=0.18uM W=1uM 改為 MN1 nd ng gnd gnd nch L=0.18uM W=2uM，比較兩者差異時，可以利用 ”.alter” 指令，例如：
.alter
MN1 nd ng gnd gnd nch L=0.18u W=2u
8. 觀察步驟 7. ID 值的變化，並將結果利用 Ananwaves 顯示在螢幕上。
9. 以 VD=1.8V 、VG=1.8V 觀察 .OP 內 ID 值並將飽和區電流記錄下來，製作成表格 並且繪成曲線，並完成表 (三)。(Hint：可利用 “.OP” 求得 MOS 之 VGS、 VTH 、 β 與所學過之公式計算電流值，其中 β = μ C W L ) n ox
電子實驗(下) Lab 1 - 27 -
表 (三)
Width (μm) 1 μm 2 μm 3 μm 4 μm 5 μm 6 μm ID (mA) (手算)
ID (mA) (實際)
1 2 3 4 5
0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 3.0
μm mA
0 3.3 3.6 3.9 4.2 4.5 4.8
6
10. 圖 (B)中，使用的 Library 檔為 ”mm018.l”，MOS 之 L 為 0.18μM，W 為 1 μm， VG 電壓為 0.7V，VD 電壓為 0.6V，VB 電壓為 -0.5V，並使用 ”.OP”
觀察 MOS 的操作狀態。
11. 重複步驟 1 ~ 9 比較圖 (A) 與圖 (B) ，VTH 與 ID 結果有何不同，並完成 表 (四)。
表 (四)
VD 0V 0.6V 1.2V 1.8V
圖 (A) VTH
(V) 圖 (B) 圖 (A) ID
(mA) 圖 (B)
VG 0V 0.6V 1.2V 1.8V
圖 (A) VTH
(V) 圖 (B) 圖 (A) ID
(mA) 圖 (B)
電子實驗(下) Lab 1 28
Width (μm) 1 μm 2 μm 3 μm 4 μm 5 μm 6 μm 圖 (A)
ID (mA)
(手算) 圖 (B) 圖 (A) ID (mA)
(實際) 圖 (B)
1 2 3 4 5
0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 3.0
μm mA
0 3.3 3.6 3.9 4.2 4.5 4.8
6
問題與討論：
1. 在步驟 6 的時候，請以所學過之公式解釋為什麼圖形幾乎成一條直線？
2. 請以所學過之公式解釋圖 (A) 與圖 (B) 結果不同之原因。VTH 上升、ID 下 降與何謂 Body Effect？
3. 請解釋表 (三) 與表 (四) 手算結果為何與模擬結果差異這麼大？(在短通 道的情況下，所學公式是否還適用？何謂短通道效應？)
4. 同步驟 8，若只有改變 L 的大小時，ID又會如何改變？試著作成表格並且 繪成曲線，並且解釋圖形的原因。
5. 請說明 MOS 操作原理 (物理結構、物理原理與公式)。
電子實驗(下) Lab 1 29
Lab 1 參考程式碼：
NMOS
.lib ‘mm018.l’ TT $指定引用 mm018.l 作為 Library MN1 nd ng gnd gnd nch L=0.18u W=1u
Vnd nd gnd 1.8v Vng ng gnd 1.8v .dc vnd 0v 1.8v 0.01v .probe I1(MN1) .op
.option post .end
電子實驗(下) Lab 2 - 1 -
Lab 2：MOSFET I-V Curve 目的：
利用HSPICE 了解 MOSFET 的特性 MOS 物理結構與電路符號：
NMOS
NMOS 物理結構 NMOS 電路符號
PMOS
PMOS 物理結構 PMOS 電路符號
電子實驗(下) Lab 2 - 2 -
MOS 操作特性：
MOS 操作可分為以下三種區域，截止區 (Cut Off region)、線性區 (Linear region) 又稱三極體區 (Triode region) 與飽和區 (Saturation region) 又稱夾止區 (Pinch Off region)，操作條件如下所示：
1. 截止區 (Cut Off region)：
NMOS：
GS TH
DS
V < V I = 0
PMOS：(V , V , V , and are negative ) TH t0 A λ γ
GS TH
DS
V < V I = 0
2. 線性區 (Linear region) / 三極體區 (Triode region)：
NMOS：
( )
,
≥ ≥
⎡ ⎤
⎢ ⎥
⎣ ⎦
GS TH GD TH
2
DS n ox GS TH DS DS
V V V V
W 1
I = μ C V - V V - V
L 2
PMOS：(V , V , V , and are negative ) TH t0 A λ γ
( )
,
≤ ≤
⎡ ⎤
⎢ ⎥
⎣ ⎦
GS TH GD TH
2
DS p ox SG TH DS DS
V V V V
W 1
I = μ C V - V V - V
L 2
3. 飽和區 (Saturation region) / 稱夾止區 (Pinch Off region)：
NMOS：
( )
( ) ( )
2
2
,
1 λ
≥ ≤
+ 理想
GS TH GD TH
DS n ox GS TH
DS n ox GS TH DS
V V V V
1 W
I = μ C V - V ( )
2 L
1 W
I = μ C V - V V (Channel Length Modulation)
2 L
PMOS：(V , V , V , and are negative ) TH t0 A λ γ
( )
( ) ( )
2
2
,
1 λ
≤ ≥
+ 理想
GS TH GD TH
DS p ox SG TH
DS p ox SG TH DS
V V V V
1 W
I = μ C V - V ( )
2 L
1 W
I = μ C V - V V (Channel Length Modulation)
2 L
Threshold voltage (PMOS，V , V , V , and are negative )： TH t0 A λ γ
( )
γ φ φ
TH TH0 f SB f
V = V + 2 + V - 2
電子實驗(下) Lab 2 - 3 -
實驗步驟：
1. Diode Connected D G
S
VG
D G
S
VG - +
圖 (一) L=0.18μm W=1μm 圖 (二) L=0.18μm W=3μm
I. 試著利用 HSPICE 將圖 (一) 的電路描述出來，讓 Length = 0.18μm，Width
= 1μm。試著對 V 做直流掃描從 0 V 到 1.8 V 每次增加 0.01V，觀察 G I 。即為模擬圖 (一) 中的 DS I - V Characteristic Curve，觀察 DS GS I 。如下DS 圖所示。
II. 試著利用 HSPICE 將圖 (二) 的電路描述出來，讓 Length = 0.18μm，Width
= 3μm。試著對 V 做直流掃描從 -1.8 V 到 0 V 每次增加 0.01V，觀察 G I 。即為模擬圖 (一) 中的 DS I - V Characteristic Curve，觀察 DS GS I 。如下DS 圖所示。
圖 (一) IDS-VGS
電子實驗(下) Lab 2 - 4 -
III. 分別改變 NMOS 與 PMOS 的 Width，例如把 Width 放大兩倍，放大三倍，
模擬 I - V Characteristic Curve 觀察 DS GS V 與 TH I 的變化。如下圖所示。 DS
圖 (一) IDS-VGS
W 放大兩倍 W 放大兩倍
圖 (二) IDS-VGS
W 放大兩倍
W 放大兩倍
圖 (二) IDS-VGS
電子實驗(下) Lab 2 - 5 -
並將 Saturation 最大電流與 V 記錄後完成下表 TH
NMOS PMOS Width (μm)
1μm 2μm 3μm 3μm 6μm 9μm ID (mA) (手算)
ID (mA) (實際)
VTH (V)
2. MOS IDS- V Characteristic Curve DS D
G
S
VD VG
圖 (三) L=0.18μm W=1μm 圖 (四) L=0.18μm W=3μm
I. 圖 (三)中由 Gate 端輸入偏壓 V = 0.6V，接著對 GS V 做直流掃瞄，從 0 DS V 到 4 V 每次增加 0.01 V，觀察圖 (三) I - V Characteristic Curve。如DS GS 下圖所示。
II. 圖 (四)中由 Gate 端輸入偏壓 V = -0.6 V，接著對 GS V 做直流掃瞄，從 DS -4 V 到 0 V 每次增加 0.01 V，觀察圖 (四) I - V Characteristic Curve。DS GS 如下圖所示。
圖 (三) IDS-VGS
電子實驗(下) Lab 2 - 6 -
III. 重複步驟 I 與步驟 II，分別改變 NMOS 與 PMOS 的 V ，例如把 GS V 改GS 為 0 V、0.6 V、1.2 V 和 1.8 V，模擬 I - V Characteristic Curve 觀察 DS GS
DS GS
I - V Characteristic Curve 的變化。如下圖所示。
圖 (四) IDS-VGS
Saturation Linear
Break Down
VGS=1.8V
VGS=1.2V
VGS=0.6V VGS=0V
VGS=0V
Saturation
Break Down Linear
VGS=-0.6V
VGS=-1.2V VGS=-1.8V
