适用于PSPICE图形化输入的四端口 MOSFET模型的创建

霍明旭，丁扣宝
（浙江大学信息与电子工程学系微电子所，杭州310027）

1 引言

MOSFET现已成为微处理器与半导体存储器等先进集成电路(IC)中主要的器件单元，它尺寸小、功耗低、并与数字电路的主流工艺兼容。近年来，使用MOSFET的模拟IC逐渐成为主流，改变了以往主要使用双极型器件的局面。

在进行电路设计时电路模拟占有非常重要的位置。常用的电路模拟程序有Cadence的Spectre和PSPICE，Synopsys的HS pice，Mentor的Eldo，Agilent的ADS等。国际上模拟电路模拟软件的事实标准是SPICE程序，由美国加州大学伯克莱分校首先推出。PSPICE则是以SPICE为的商用电路模拟工具，现为Cadence的OrCAD工具中的一员，可用于PCB，IC/ASIC，PLD等设计。PSPICE收敛性好，适于做系统及电路级模拟，可在微机上使用，应用非常广泛。

OrCAD PSPICE进行电路图的输入有两种方式：文本输入方式和图形化输入方式。在文本输入方式中，首先需要对电路的节点进行编号，然后使用PSPICE规定的一系列输入输出控制语句，对电路模拟的标题、电路连接方式及其元器件的名称、参数、模型等进行描述，建立起一个文本文件。显然，这种方式不直观，且对于规模较大的电路就非常麻烦。而图形化输入方式大大减少了手工输入数据量，操作简单，使用方便，可以自动查错并在此基础上生成输入用的网表，可直接调用PSPICE 程序进行电路模拟。目前主流的EDA工具均支持图形化输入方式。

PSPICE提供大量的元器件库，但未提供针对模拟IC设计所需要的四端口MOSFET。而在模拟IC的设计中，为了实现晶体管之间更好地隔离、减少pn结漏电流及闩锁效应等，往往要把阱和衬底之间的pn结反偏，即将n阱或n衬底接电位，将p衬底或p阱接电位。这样MOSFET的体端（B）和源端（S）就不是短接的，此时的MOSFET 为四端口器件，在模拟时要考虑体偏效应。另外，在模拟IC设计中用到的MOSFET针对不同的生产工艺需要不同的器件模型，因此为了图形化输入电路的需要，必须创建相应的适用于PSPICE图形化输入的四端口MOSFET模型。

2 器件模型的创建

本文建立的四端口MOSFET模型的依据是MOSIS的TSMC 0.18μm CMOS工艺条件下的Spice模型及参数。它采用的是适用于数字和模拟电路设计的深亚微米BSIM3V3模型。该模型对短沟道效应和高电场效应等都进行了建模，现已成为工业界的MOSFET模型标准。

首先根据所给的参数，使用PSPICE Model Editor程序，利用.MODEL 语法来定义模型。不同的MOSFET取不同的模型名称，多个模型可以保存在一个模型库文件(*.LIB)中。然后使用PSPICEModel Editor程序创建不同模型对应的元器件（Part）的图形符号和模板，根据上文创建的模型库来建立元器件库。OrCAD内置的MOSFET图形符号都是体(B)源(S)连接，对外只有栅、漏和源三个端口的三端器件，如图1(a)所示，无法直接使用。在三端口的NMOS图形符号上进行修改，将体源管脚断开，添加一个体端管脚B，然后再修改PSPICEtemplate模版，即可创建出四端器件，其 NMOS图形符号如图1(b)所示。

3 模型验证

3.1 NMOS晶体管特性模拟

模拟NMOS晶体管特性的电路图如图2所示，其中M1采用以上述方法创建的NMOS模型。令栅压V GS=3.3V，体偏电压VBS分别为0.1V, 0.3V和0.5V时，IDS随漏源电压V DS的变化如图3所示。显然，NMOS管输出特性随体偏电压 VBS的变化而变化，因而不能简单地采用OrCAD内置的三端口 MOS器件模型进行电路模拟。

3.2 在实际电路中的测试

图4是应用TSMC 0.18 CMOS工艺设计的无缓冲运放（OTA）电路，具有折叠共源共栅结构的自偏置的特点，其典型的MOSFET尺寸如表1所示。电路中M1, M2, M6, M7的B端接VDD，而M1a, M2a, M8, M9的B端接GND，它们在电路模拟时都要考虑体偏效应，必须采用四端口MOSFET 模型。电路的输入采用了图形化输入方式，其中的MOSFET模型使用本文建立的四端口模型。

图5是该电路在OrCAD PSPICE下的交流分析结果，表示其增益的幅频特性和相频特性。图6是使用相同的MOSFET模型的同一个电路在Sun UltraIIi工作站的Cadence Spectre软件下模拟的结果。表2是电路在两个软件中的低频增益、单位增 益带宽和相位裕度的结果对比，两者一致。因此，使用本文建立的四端口MOSFET模型做图形化输入的OrCAD PSPICE对电路的模拟的结果与在的EDA工具下模拟具有相同的效果。

4 结论

在模拟IC设计中，电路模拟的工作是必不可少的。而众多的EDA软件早期大都源于SPICE程序。OrCAD PSPICE是在PC机上流行的电路模拟工具。本文创建的四端口的MOS管SPICE模型具有正确的器件特性，而且在IC模拟的结果也是正确的，适用于四端口MOS器件的图形化输入，因而在没有的EDA软件时，也可以在PC机上应用OrCAD PSPICE软件进行含四端口MOS器件的电路的图形化输入工作。