微电子电路——反相器级联

任务1：

对两级串联反相器，调整其宽度或长度得到最小传递延迟时间（min TD1）。TD1定义为输入信号为vdd/2时计算到输出信号为vdd/2的总时间。其中宽度可调整的范围是4-100um，栅长可调整的范围是2-10um：
SPICE网表：宽度可调

*Inverter change L for TF=TR
.options post=2 list
.param wi=4uM1 3 1 2 2 MP L=2u W=wi
M2 3 1 0 0 MN L=40u W=4u
M3 4 3 2 2 MP L=2u W=wi
M4 4 3 0 0 MN L=40u W=4u
VDD 2 0 DC 5V
VIN 1 0 pulse 0 5 0n 10n 10n 90n 200n
C1 3 0 0.1pF
C2 4 0 0.1pF.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=0.7000)
.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=0.8000)
.TRAN 1n 1u sweep wi 4u 100u 0.5u.MEASURE TRAN TDelay TRIG V(1) val=2.5 TD=150ns RISE=1 TARG V(4) val=2.5 RISE=1
.END

任务2：

对两级串联反相器，调整其宽度或长度得到最小传递延迟时间（min TD1）。TD1定义为输入信号为vdd/2时计算到输出信号为vdd/2的总时间。其中宽度可调整的范围是4-100um，栅长可调整的范围是2-10um：
SPICE网表：长度可调

*Inverter change L for TF=TR
.options post=2 list
.param length=2uM1 3 1 2 2 MP L=length W=4u
M2 3 1 0 0 MN L=2u W=4u
M3 4 3 2 2 MP L=length W=4u
M4 4 3 0 0 MN L=2u W=4u
VDD 2 0 DC 5V
VIN 1 0 pulse 0 5 0n 10n 10n 90n 200n
C1 3 0 0.1pF
C2 4 0 0.1pF.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=0.7000)
.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=0.8000)
.TRAN 1n 1u sweep length 2u 10u 0.5u.MEASURE TRAN TDelay TRIG V(1) val=2.5 TD=150ns RISE=1 TARG V(4) val=2.5 RISE=1
.END

任务3：

环形振荡器，使用环形振荡器测量电路的工作频率及延迟时间
SPICE网表：5个反相器&测量周期

*AC Analysis for Ring Oscillator (RO)
.TEMP    25.0000
.option abstol=1e-6 reltol=1e-6 post ingold
.lib 'gd018.l' TT
* --- Voltage Sources ---
vdd   VDD  0 dc=1.8*************************************************
* We don't need input voltage this time
*vin   vi 0 PULSE(0 1.8 0ns 0.5ns 0.5ns 5ns 10ns)
************************************************** --- Inverter Subcircuit ---
Mpmos1 vo1 vi1 VDD VDD PCH W=30U L=6U
Mnmos1 vo1 vi1 GND GND NCH W=30U L=6U* --- Inverter Subcircuit ---
Mpmos2 vo2 vo1 VDD VDD PCH W=30U L=6U
Mnmos2 vo2 vo1 GND GND NCH W=30U L=6U* --- Inverter Subcircuit ---
Mpmos3 vo3 vo2 VDD VDD PCH W=30U L=6U
Mnmos3 vo3 vo2 GND GND NCH W=30U L=6U* --- Inverter Subcircuit ---
Mpmos4 vo4 vo3 VDD VDD PCH W=30U L=6U
Mnmos4 vo4 vo3 GND GND NCH W=30U L=6U* --- Inverter Subcircuit ---
Mpmos5 vi1 vo4 VDD VDD PCH W=30U L=6U
Mnmos5 vi1 vo4 GND GND NCH W=30U L=6U
* --- Transient Analysis ---
.OPTIONS    POST
.ic v(vi1)=0
.tran       0.01ns  1000ns.MEASURE TRAN vmax1 MAX V(vi1) FROM 150n TO 250n
.MEASURE TRAN vmin1 MIN V(vi1) FROM 150n TO 250n
.MEASURE TRAN zhouqi TRIG V(vi1) val='0.5*(vmax1-vmin1)+vmin1' TD=150ns RISE=1 TARG V(vi1) val='0.5*(vmax1-vmin1)+vmin1' RISE=2 .end

2.电路仿真结果-基础部分

任务1：

此为改变pmos管宽度的时候，所得到的对两级串联反相器的最小传递延迟时间（min TD1）。TD1定义为输入信号为vdd/2时计算到输出信号为vdd/2的总时间。
可以看到很杂乱无章，这与我们的计算公式有关系
任务2：

此为改变pmos管宽度的时候，所得到的对两级串联反相器的最小传递延迟时间（min TD1）。TD1定义为输入信号为vdd/2时计算到输出信号为vdd/2的总时间。
可以看到基本上是一条正比例的斜线，因为我们得到的公式告诉我们，两极反相器的最小传递延迟与L成正比

3.电路仿真结果-探索部分

任务3：
周期：

可以看到，周期为122.14ns左右，图像如下

可以看到我们的图像是比较规整的周期信号，而且近似于正弦稳定信号，这是因为我们的环形振荡器将会产生一个规整的在高电平与低电平之间来回往复的输出信号。
根据我们得到的节点，可以计算出时间周期约为120ns，符合我们的测试计算值，计算频率为8.33Mhz

4.实验结果分析

对于单个反相器，可以得到其平均延迟时间为：

对两级串联反相器，调整其宽度或长度得到最小传递延迟时间。
tdelay= tPHL+ tPLH= CLVDD/ ( 1/ (KP(VDD+VTP)2) )+ 1/ (KN*(VDD-VTN)2) )。
随着L的增加，tdelay逐渐增大。
我们通过代码绘制了这么一幅图

实现了两个反相器的级联。
而在我们的代码中，我们通过这一句代码：

意思是以输入端1上升到1/2VDD的时候为起始计时点，以输出端上升到1/2VDD的时候为终止计时点，计算这一段所用的时间，就是我们想要求的传递延迟时间。

可以看到，我们计算出来的结果应该是与沟道长度成正比，与沟道宽度成反比。但为什么我们的宽度图像有点问题呢？
我经过思考的出来两个可能性：
1、在宽度达到某个极限情况的时候（相等），再进行增大，将会对寄生电容产生较大的改变，而影响到CL负载电容，而此时L/W已经足够小，小到不能够影响整体时间的时候，将会有一定的正比例上升
2、当宽度太小，将会产生失真的情况
而对于环形振荡器，我通过代码画出了这样的图像：

通过图像我们得到了我们的周期时间为120ns
代入公式

这里我们的6应该换成10
所以可以计算出来，反相器的平均延迟时间为12ns，而频率应该为8.33Mhz