cmos电路模拟与设计lab4.doc

CMOS電路設計與模擬
Lab4 Ring-Oscillator

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Lab4-Analysis of Ring-Oscillator
1.Ring oscillator - 完成SPICE仿真，觀察5,31,101級的振盪頻率;
2.以101級Ring oscillator為基礎，探究電壓（4.5V 5V 5.5V）和溫度（0deg.C 25deg.C 100deg.C）對振盪頻率fosc的影響.
1.程序如下（VDD=5V,5級環形振蕩器，無溫度條件)：
* F:\在台作业\COMS\lab4.sp
.MODEL MN NMOS (LEVEL=2 LD=0.250U TOX=365E-10
+ NSUB=2.13818E+16 VTO=0.84898 KP=5.7790E-05
+ GAMMA=0.8905 PHI=0.6 U0=610.8 UEXP=0.244555
+ UCRIT=128615 DELTA=2.0298 VMAX=92227.9 XJ=0.250U
+ LAMBDA=1.956049E-02 NFS=2.307838E+12 NEFF=1
+ NSS=1.0E+12 TPG=1.0 RSH=22.730 CGDO=3.54775E-10
+ CGSO=3.54775E-10 CGBO=6.354506E-10 CJ=3.7740E-04
+ MJ=0.45890 CJSW=5.1360E-10 MJSW=0.36620 PB=0.800)
*********************************************************************
.MODEL MP PMOS (level=2 LD=0.250U TOX=365E-10
+ NSUB=6.193910E+15 VTO=-0.826989 KP=2.2870E-05
+ GAMMA=0.4793 PHI=0.6 U0=241.796 UEXP=0.214214
+ UCRIT=19100.4 DELTA=0.859687 VMAX=47972.9 XJ=0.250U
+ LAMBDA=5.403347E-02 NFS=2.351269E+11 NEFF=1.001
+ NSS=1.0E+12 TPG=-1.0 RSH=76.020 CGDO=3.54775E-10
+ CGSO=3.54775E-10 CGBO=6.981174E-10 CJ=2.2624E-04
+ MJ=0.46650 CJSW=2.3825E-10 MJSW=0.24660 PB=0.700)
*********************************************************************
.subckt INV in out
M1 out in 0 0 mn w=10u l=2u
M2 out in vdd vdd mp w=20u l=2u
.ends
*********************************************************************
.global vdd
vdd vdd 0 5
.IC v(osc)=5
x1 osc N1 INV
x2 N1 N2 INV
x3 N2 N3 INV
x4 N3 N4 INV
x5 N4 osc INV
*********************************************************************
.tran 30n
.meas tran tosc trig v(osc)=2.5 rise=2 trag v(osc)=2.5 rise=3
.meas tran fosc param='1/tosc'
.print tran v(osc) v(N1) v(N4)
.end
LTspice模拟结果:

結論：
Tosc =2.58877e-008 FROM 4.11235e-009 TO 3e-008
fosc: (1/tosc)=3.86285e+007

2.程序如下（VDD=5V,31級環形振蕩器，無溫度條件)：
* F:\在台作业\COMS\lab4-2.sp
.global vdd
.MODEL MN NMOS (LEVEL=2 LD=0.250U TOX=365E-10
+ NSUB=2.13818E+16 VTO=0.84898 KP=5.7790E-05
+ GAMMA=0.8905 PHI=0.6 U0=610.8 UEXP=0.244555
+ UCRIT=128615 DELTA=2.0298 VMAX=92227.9 XJ=0.250U
+ LAMBDA=1.956049E-02 NFS=2.307838E+12 NEFF=1
+ NSS=1.0E+12 TPG=1.0 RSH=22.730 CGDO=3.54775E-10
+ CGSO=3.54775E-10 CGBO=6.354506E-10 CJ=3.7740E-04
+ MJ=0.45890 CJSW=5.1360E-10 MJSW=0.36620 PB=0.800)
*********************************************************************
.MODEL MP PMOS (level=2 LD=0.250U TOX=365E-10
+ NSUB=6.193910E+15 VTO=-0.826989 KP=2.2870E-05
+ GAMMA=0.4793 PHI=0.6 U0=241.796 UEXP=0.214214
+ UCRIT=19100.4 DELTA=0.859687 VMAX=47972.9 XJ=0.250U
+ LAMBDA=5.403347E-02 NFS=2.351269E+11 NEFF=1.001
+ NSS=1.0E+12 TPG=-1.0 RSH=76.020 CGDO=3.54775E-10
+ CGSO=3.54775E-10 CGBO=6.981174E-10 CJ=2.2624E-04
+ MJ=0.46650 CJSW=2.3825E-10 MJSW=0.24660 PB=0.700)
*********************************************************************
.subckt INV in out
M1 out in 0 0 mn w=10u l=2u
M2 out in vdd vdd mp w=20u l=2u
.ends
*********************************************************************
.subckt INV5 in out
x1 in N1 INV
x2 N1 N2 INV
x3 N2 N3 INV
x4 N3 N4 INV
x5 N4 out INV
.ends
*********************************************************************
vdd vdd 0 5
.IC v(osc)=5
x1 osc N1 INV5
x2 N1 N2 INV5
x3 N2 N3 INV5
x4 N3 N4 INV5
x5 N4 N5 INV5
x6 N5 N6 INV5
x7 N6 osc INV
*********************************************************************
.tran 120n
.meas tran tosc trig v(osc)=2.5 rise=2 trag v(osc)=2.5 rise=3
.meas tran fosc param='1/tosc'
.print tran v(osc) v(N1) v(N6)
.end

LTspice模拟结果:

結論：
Tosc =9.49177e-008 FROM 2.50823e-008 TO 1.2e-007
fosc: (1/tosc)=1.05354e+007

3.程序如下（VDD=5V,101級環形振蕩器，無溫度條件)：
* F:\在台作业\COMS\lab4-3.sp.global vdd
.MODEL MN NMOS (LEVEL=2 LD=0.250U TOX=365E-10
+ NSUB=2.13818E+16 VTO=0.84898 KP=5.7790E-05
+ GAMMA=0.8905 PHI=0.6 U0=610.8 UEXP=0.244555
+ UCRIT=128615 DELTA=2.0298 VMAX=92227.9 XJ=0.250U
+ LAMBDA=1.956049E-02 NFS=2.307838E+12 NEFF=1
+ NSS=1.0E+12 TPG=1.0 RSH=22.730 CGDO=3.54775E-10
+ CGSO=3.54775E-10 CGBO=6.354506E-10 CJ=3.7740E-04
+ MJ=0.45890 CJSW=5.1360E-10 MJSW=0.36620 PB=0.800)
*********************************************************************
.MODEL MP PMOS (level=2 LD=0.250U TOX=365E-10
+ NSUB=6.193910E+15 VTO=-0.826989 KP=2.2870E-05
+ GAMMA=0.4793 PHI=0.6 U0=241.796 UEXP=0.214214
+ UCRIT=19100.4 DELTA=0.859687 VMAX=47972.9 XJ=0.250U
+ LAMBDA=5.403347E-02 NFS=2.351269E+11 NEFF=1.001
+ NSS=1.0E+12 TPG=-1.0 RSH=76.020 CGDO=3.54775E-10
+ CGSO=3.54775E-10 CGBO=6.981174E-10 CJ=2.2624E-04
+ MJ=0.46650 CJSW=2.3825E-10 MJSW=0.24660 PB=0.700)
*********************************************************************
.subckt INV in out
M1 out in 0 0 mn w=10u l=2u
M2 out in vdd vdd mp w=20u l=2u
.ends
*********************************************************************
.subckt INV5 in out
x1 in N1 INV
x2 N1 N2 INV
x3 N2 N3 INV
x4 N3 N4 INV
x5 N4 out INV
.ends
*********************************************************************
.subckt INV20 in out
x1 in N1 INV5
x2 N1 N2 INV5
x3 N2 N3 INV5
x4 N3 out INV5
.ends
*********************************************************************
vdd vdd 0 5
.IC v(osc)=5
x1 osc N1 INV20
x2 N1 N2 INV20
x3 N2 N3 INV20
x4 N3 N4 INV20
x5 N4 N5 INV20
x6 N5 osc INV
.tran 400n
.meas tran tosc trig v(osc)=2.5 rise=2 trag v(osc)=2.5 rise=3
.meas tran fosc param='1/tosc'
.print tran v(osc) v(N1) v(N5)
.end
LTspice模拟结果:

結論：
Tosc =3.18523e-007 FROM 8.14767e-008 TO 4e-007
fosc: (1/tosc)=3.13949e+006

Answer_Part2:
4.程序如下（101級環形振蕩器，分別在不同電壓（4.5V 5V 5.5V）和不同溫度（0deg.C 25deg.C 100deg.C）條件下的情況)：
* F:\在台作业\COMS\lab4-4.sp.global vdd
.MODEL MN NMOS (LEVEL=2 LD=0.250U TOX=365E-10
+ NSUB=2.13818E+16 VTO=0.84898 KP=5.7790E-05
+ GAMMA=0.8905 PHI=0.6 U0=610.8 UEXP=0.244555
+ UCRIT=128615 DELTA=2.0298 VMAX=92227.9 XJ=0.250U
+ LAMBDA=1.956049E-02 NFS=2.307838E+12 NEFF=1
+ NSS=1.0E+12 TPG=1.0 RSH=22.730 CGDO=3.54775E-10
+ CGSO=3.54775E-10 CGBO=6.354506E-10 CJ=3.7740E-04
+ MJ=0.45890 CJSW=5.1360E-10 MJSW=0.36620 PB=0.800)
*********************************************************************
.MODEL MP PMOS (level=2 LD=0.250U TOX=365E-10
+ NSUB=6.193910E+15 VTO=-0.826989 KP=2.2870E-05
+ GAMMA=0.4793 PHI=0.6 U0=241.796 UEXP=0.214214
+ UCRIT=19100.4 DELTA=0.859687 VMAX=47972.9 XJ=0.250U
+ LAMBDA=5.403347E-02 NFS=2.351269E+11 NEFF=1.001
+ NSS=1.0E+12 TPG=-1.0 RSH=76.020 CGDO=3.54775E-10
+ CGSO=3.54775E-10 CGBO=6.981174E-10 CJ=2.2624E-04
+ MJ=0.46650 CJSW=2.3825E-10 MJSW=0.24660 PB=0.700)
*********************************************************************
.subckt INV in out
M1 out in 0 0 mn w=10u l=2u
M2 out in vdd vdd mp w=20u l=2u
.ends
*********************************************************************
.subckt INV5 in out
x1 in N1 INV
x2 N1 N2 INV
x3 N2 N3 INV
x4 N3 N4 INV
x5 N4 out INV
.ends
*********************************************************************
.subckt INV20 in out
x1 in N1 INV5
x2 N1 N2 INV5
x3 N2 N3 INV5
x4 N3 out INV5
.ends
*********************************************************************
vdd vdd 0 {vddr}
.param vddr=5
.IC v(osc)=vddr
.step param vddr 4.5 5.5 0.5
.temp 0 25 100
x1 osc N1 INV20
x2 N1 N2 INV20
x3 N2 N3 INV20
x4 N3 N4 INV20
x5 N4 N5 INV20
x6 N5 osc INV
*********************************************************************
.tran 200n
.meas tran tosc trig v(osc)=2.5 rise=2 trag v(osc)=2.5 rise=3
.meas tran fosc param='1/tosc'
.print tran v(osc) v(N1) v(N5)
.end
LTspice模拟结果:

結論：
.step vddr=4.5 temp=0°C fosc=8.46645e+006
.step vddr=5 temp=0°C fosc=7.79535e+006
① .step vddr=5.5 temp=0°C fosc=7.3519e+006
.step vddr=4.5 temp=25°C fosc=9.25346e+006
.step vddr=5 temp=25°C fosc=8.38617e+006
.step vddr=5.5 temp=25°C fosc=7.82734e+006
② .step vddr=4.5 temp=100°C fosc=1.29625e+007
.step vddr=5 temp=100°C fosc=1.09642e+007
.step vddr=5.5 temp=100°C fosc=9.787e+006
我們選取頻率最大fosc=7.3519e+006和頻率最小fosc=1.29625e+007

結論：
當vddr=5.5 temp=0°C時，fosc取得最小值7.3519e+006
當vddr=4.5 temp=0°C時，fosc取得最大值1.29625e+007

參數分析：
1.在電壓固定為5V且不考慮溫度的情況下，探究不同級數的環形振蕩器對dosc的影響
級數
fosc
5
3.86285e+007
31
1.05354e+007
101
3.13949e+006

2.在101級环形振荡器的前提下，探究不同溫度（）和電壓（）對fosc的影響
溫度（deg.C）
電壓(V)
fosc
0
4.5
8.46645e+006
5
7.79535e+006
5.5
7.3519e+006
25
4.5
9.25346e+006
5
8.38617e+006
5.5
7.82734e+006
100
4.5
1.29625e+007
5
1.09642e+007
5.5
9.787e+006
通過參數之間的比較，我們可以得到三個結論：
1.環形振蕩器的級數越多，其振蕩的頻率就越小；從波形上來看，環形振蕩器的級數越多，振蕩的波形會從正弦波逐漸變成方波；
2.同一級環形振蕩器，在相同溫度的條件下，電壓越高其振蕩的頻率就越小；
3.同一級環形振蕩器，在相同電壓的條件下，溫度越高其振蕩的頻率就越大。

實驗心得與結論：
實驗目的：不同級數的環形振蕩器的效果對比。
實驗結論：振蕩頻率隨著振蕩器計數增加而降低，隨著電壓升高而降低，隨著溫度上升而上升。在級數多的反相器中，由於在很長的時間裡會處在最大值或最小值上，反向的瞬間會相對於總時間來說較短，故隨著級數的增加，振蕩的波形會從正弦波逐漸變成方波。
實驗心得：通过这次实验我明白了反相器的原理，我学会了怎样去书写变化的电压，学习了反相器的原理在以后的实验中可以让我更好去使用它，让我的电路更完美。目 录
第一章 总 论 1
1.1项目概况 1
1.2研究依据及范围 2
1.3结论 3
1.4建议 4
第二章 项目建设的背景和必要性 5
2.1项目建设的背景 6
2.2项目建设的必要性 7
第三章 项目服务需求分析 9
第四章 项目选址与建设条件 11
4.1选址原则 11
4.2项目选址 11
4.3建设条件 12
第五章 建设方案与设计 12
5.1建设规模与内容 12
5.2总体规划设计 13
5.3结构方案 18
5.4主要配套设备 19
5.5给水工程 20
5.6排水工程 22
5.7电气设计 23
5.8节能设计 26
第六章 项目实施进度和招投标管理 29
6.1 项目实施进度 29
6.2招投标管理 31
第七章 环境影响分析 31
7.1项目主要污染源分析 32
7.2 环境保护措施及治理效果 35
第八章 消防、安全与卫生防护 37
8.1 消防 37
8.2  劳动安全 38
8.3  卫生防护 39
第九章 组织机构、运作方式与项目实施进度 39
9.1  项目建设组织机构 39
9.2项目运营组织机构 41
9.3劳动定员 42
第十章 投资估算和资金筹措 42
10.1投资估算 43
10.2 项目所需流动资金 49
10.3资金筹措 49
第十一章  经济和社会效益评价 50
11.1 经济效益评价 50
11.2 社会效益评价 50
第十二章 结 论 50
12.1 主要结论 50
12.2 建 议 51

附录：1、****发改局《关于*******迁建工程项目建议书的批复》
2、****村镇建设管理所《*******迁建项目用地红线》