集成电路CAD上机完成版.doc

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1、精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除实验指导书教学单位：电子工程系课程名称：集成电路CAD面向专业：电子科学与技术电子科技大学中山学院2011年09月19日【精品文档】第 11 页实验指导书实验名称：实验一 用PSPICE软件工具提取原理图网表 学时安排：2学时实验类别：验证性 实验要求：必做 一、实验目的和任务随着IT产业的迅猛发展，微电子集成电路在通讯、计算机及其他消费类电子产品中的重要地位日益突出，而IC的生产和设计技术水平是决定IC芯片性能的两大要素。目前，IC设计主要沿正向和逆向设计两条技术路线继续发展，该实验是正向设计中的必须环节，通过本实验使学生能基本掌握IC正向设计

2、的初步知识。本实验是基于微电子技术应用背景和集成电路CAD课程及其特点而设置的。其目的在于： 学会使用PSPICE软件工具提取电路原理图网表。 学习并掌握国际流行的EDA仿真软件PSPICE的使用方法。通过该实验，使学生掌握电路网表的提取方法，加深对课程知识的感性认识，增强学生的设计与综合分析能力，进而为下一步HSPICE高精度仿真打下良好基础。二、实验原理介绍电路的特性是通过计算机软件仿真在PSPICE工具的基础上得到的，借助于软件仿真工具可以节省电路的制作实验成本，可以提高设计电路成功的时间，从而提高电路制作的效率。通常对电路的仿真可采用原理图仿真或使用电路网表仿真。提取网表文件的方法有多

3、种：可以通过电路的网络结构及参数特点，初步设定电路中的各个节点及参考点，应用元件语句手工直接编写；还可以借助于计算机工具，应用相应的工具软件来提取SPICE网表文件（如采用PSPICE，MODELSIM等）。电路图仿真的本质是对电路网表文件的节点参数进行数学运算（如：电流、电压和功耗的值），节点之间的电子元器件特性是由该器件的模型所表征的，模型的准确将有利于使用该模型进行电路仿真的正确性，在计算机上所进行的电路仿真本质就是将所得到的电路设计指标值与实际数值相比较，并不断调整各个元器件值的大小，满足电路的性能指标要求，从而帮助设计人员选择元器件合适的参数和电路结构。通常采用手工书写语句的方式来描

4、述电路的结构，这是对应于电路的元器件个数较少且节点不多的情况。如果元器件个数较多，相应的节点数目也就较多，手工书写将会带来繁杂、易出错误和时间长的缺点。因此，对于复杂的电路提倡采用计算机软件工具PSPICE来提取电路图网表文件。三、实验设备介绍1. 工作站或微机终端 一台2. 局域网3. EDA PSPICE仿真软件 1套四、实验内容和步骤了解PSPICE仿真工具软件的安装，熟悉该软件工具栏的菜单功能及使用方法。试以一般的电路为例，调用元件库中的元器件画电路图（如电源部分的桥式整流电路、低通滤波电路、高通滤波电路等）。用画好的电路原理图生成对应的网表，比较新生成的网表文件与所写出的该文件差异。

5、1. 在个人计算机上安装PSPICE仿真软件：先双击setup.exe文件图标，或单击，然后选择确定按钮。2. 运行程序后会出现如下图中的桌面，在图中的Schematics中打勾，并点击next方框即可。3. 依据电脑给出的提示，再点击nextnextnext即可完成安装PSPICE软件。4. 现准备运行该软件，先从计算机屏幕的左下角点击“开始”“所有程序”“pspice student” “schematics”，此时会出现该软件运行后的原理图对话框，在此桌面上即可对原理图进行编辑。5. 点击工具栏Draw中的下拉菜单Get New Part，便会得到所有PSPICE中的元件库，依据元器件的

6、大写字母来决定所要调用的元器件符号。6. 如需要分别调入无源元器件时，可分别在Part Name中输入L、C、R，它们分别代表电感、电容和电阻，调入的元件有一个标称值，但实际情况的大小可能与之不一致，这是可按照实际需要双击该元器件改变其中的标称值。（注意该值后面的单位是否与所选的单位一致，如果不一致，则需修改。）7. 根据设计要求首先创建电路拓扑图 (其中直流电源VDC，接地端GND_ANALOG)。8. 对刚画好的电路图先保存，记住保存在英文的目录下，防止软件无法进行汇编运行而报错，然后按工具栏Analysis中的Create Netlist菜单即可。五、注意事项和要求1. 网表中必须有接地

7、点，也就是电路的零点(参考电位点)。2. 注意网表的第一行第一个字符应为星号，后面为电路名称的注释语句，并且一定要有此行。3. 连线中应注意预防短路现象，可通过拖动元器件来发现。六、作业及预习要求1. 按照实验报告格式书写；2. 分析调试过程中出现的问题与解决方案；3. 仿真流程与心得体会；4. 反复练习PSPICE软件中的操作，熟悉菜单的使用方式。七、参考书目1. 超大规模集成电路设计方法学导论（第二版），杨之廉，申明编著，清华大学出版社2. PSpice电路设计实用教程李永平，国防工业出版社，20043. PSPICE与电子器件模型赵雅兴，北京邮电大学出版社，2004年9月实验指导书实验名

8、称：实验二 运用电路描述文件来仿真电路 学时安排：3学时实验类别：验证性 实验要求：必做 一、实验目的和任务SPICE网表文件仿真既是集成电路设计的基础， 也是大规模及超大规模集成电路系统设计的前提，因此，IC工程师必须掌握应用网表文件来仿真电路。本实验的教学目的是使学生掌握描述语句的写法及实际电路中的应用。二、实验原理介绍在电路设计中，电路性能仿真及电路版图设计都是通过电路网表来实现的。网表语句不仅可以在IC设计软件Cadence上运行，而且可以在其它公司生产的电路仿真软件上运行，它们之间通用的内核SPICE语句是统一的。PSPICE软件工具采用画原理图并设置分析语句的方法来仿真，操作相对简

9、单，但与HSPICE软件相比，其仿真精度不高，所以更多高精度的仿真选用HSPICE软件工具。然而，由于HSPICE是采用网表语句来仿真，所以编写网表语句就成为非常重要的环节。编写时要注意语句的正确写法，同时也要注意整个电路网表语句的系统性，从而确保所写的语句正确且满足电路仿真的需要。电路仿真的本质在于运用元器件模型参数及节点，通过数学方法来计算电路的电学特性（如：电流、电压和功率等等）。三、实验设备介绍1. 工作站或微机终端 一台2. 局域网3. EDA PSPICE仿真软件 1套四、实验内容和步骤根据所给出的电路图写出描述文件（注意电路中元器件的标称值、电源及信号特点、模型的正确调用等）。用

10、PSpice AD Student 调用描述文件进行电路仿真，观看直流电压扫描（直流传输特性）及瞬态扫描（时域响应特性）的电流电压波形，分析电路波形与电路参数的关系。思考并解决仿真中出现的各种问题。1. 应用SPICE语句写出TTL反相器电路结构图，电路原理图如下所示。图中的输入脉冲信号、直流电压源及NPN双极三极管模型如下：VCC 6 0 DC 5VVIN 1 0 PULSE(0 5 1NS 1NS 1NS 38NS 60NS).MODEL QN NPN(BF=50 RB=70 RC=40 CCS=2PF TF=0.1NS TR=10NS VJC=0.8S) 2. 要求仿真直流特性及瞬时特性

11、，注意各个节点电压和电流的波形曲线。.DC VIN 0 2 0.01.TRAN 1NS 80NS.PLOT TRAN V(4) V(1).PROBE.END3. 将描述文件写于记事本中，修改文件属性为.cir，并保存。4. 用PSpice AD Student模块打开上述文件即可运行描述语句命令。5. 任意设定相应的电压信号进行仿真。五、注意事项和要求1. 仔细书写电路网表节点语句和元器件单位，注意不可漏写元件的个数。2. 功能仿真语句必须在每个语句前的左下角加小点，同时注意语句的正确使用。3. 语句完成后要以END命令结束。六、作业及预习要求1. 画出电路原理图及电路的仿真曲线，并分析仿真图

12、形与理论图形的不同。 2. 写出描述语句（注意此语句必须在计算机上仿真通过）。3. 分析调试过程中出现的问题与解决方案。七、参考书目1. 超大规模集成电路设计方法学导论（第二版），杨之廉，申明编著，清华大学出版社2. PSpice电路设计实用教程李永平，国防工业出版社，2004实验指导书实验名称：实验三 用简单的桥式整流电路验证电路 学时安排：3学时实验类别：验证性 实验要求：必做 一、实验目的和任务电路的设计是通过理论的公式计算，了解实际使用的元器件及数值大小，然后将各种型号的元器件焊接到电路板（PCB）上，再利用专门的测试仪器边检测边调试的方式来完成。这种方式的缺点是周期长、成本高，不利于

13、大规模的产品设计及生产。本实验的教学目的是使学生了解电路仿真设计的特点和优点，采用简单的桥式整流电路来完整的设计电路，熟悉电路设计的过程和方法。二、实验原理介绍在PSPICE运行环境下，先依据电路原理图的特点调用相应的元器件画电路图，然后修改电阻、电感、电容等元器件的数值，如果需要可以在编辑菜单里重新修改元器件的电路模型，最后保存电路。仿真时注意选择设置DC、AC、Transient等分析方式，当选择好扫描方式后，通过仿真观察及分析电路的特点及特性。桥式整流电路是电源部分常用的输入电路，也是进行电源设计时首先要解决的部分。电路的工作原理是通过变压器的转换作用，将220V、50Hz的交流电转化为

14、负载所需的交流电压，并借助于桥式二极管的整流变换，形成直流输出，供特定要求的负载使用。图中D5、D6、D7和D8为桥式整流电路，可将脉动交流电转变为脉动直流电；TX为负载变压器，主要完成从源端到负载端的电压变换，这里是将高电压变换为低电压。桥式整流电路图三、实验设备介绍1. 工作站或微机终端 一台2. 局域网3. EDA PSPICE仿真软件 一套四、实验内容和步骤在Schematics的环境下，画桥式整流电路原理图（注意电路中元器件的标称值、电源及信号设置、模型的正确调用等）。用Analysis下的仿真控件Simulate电路，观看瞬态扫描的电流电压波形，分析电路波形与电路参数的关系。思考并

15、解决仿真中出现的各种问题。1. 从元件库中调用二极管器件D1N4002。2. 画变压器元件，在PartName中输入XFRM，设置初级和次级线圈的匝数。3. 使用VSIN正弦交流电源，电压为10V，频率为1KHz。4. 其他元器件如前面的实验所示，画出完整的桥式整流电路图，并保存。5. 设置分析条件（用Setup框按钮），并进行仿真波形分析。五、注意事项和要求1. 电路的电源部分必须定义接地点，并同时要有一定的阻值，从而保证电源能够提供有效电流。2. 变压器的调用要注意防止使用模型符号来仿真，最终导致仿真失败。3. 整流二极管使用的过程中，可根据电流的设计选择适当容量的二极管，如考虑反向击穿电

16、压和正向电流等。六、作业及预习要求1. 画出电路原理图及电路的仿真曲线，并分析仿真图形曲线与理论图形曲线的不同。 2. 分析调试过程中出现的问题与解决方案。3. 总结，按实验报告格式完成报告。七、参考书目1. PSpice电路设计实用教程李永平，国防工业出版社，20042. 超大规模集成电路设计方法学导论（第二版），杨之廉，申明编著，清华大学出版社实验指导书实验名称：实验四 设计常用的单级放大电路 学时安排：2学时实验类别：设计性 实验要求：必做 一、实验目的和任务在模拟电路中，设计的放大器由多级或者单级放大电路组成，这主要是依据其增益大小来决定的。要设计满足性能指标的放大器首先必须设计好单级

17、放大电路。本实验教学目的是使学生了解单级放大电路设计的过程，熟悉电路的直流工作的选择、电路的动态性能指标、频域特性等。二、实验原理介绍要使得放大器处于放大状态，必须初步计算三极管的工作点并选用适当的接法（共射、共基和共集），然后选择特定要求的偏置电路及耦合电容。在理论上满足电路处于放大状态的基础上，运用PSPICE软件仿真所提供的电路，找到电路实际工作点，并通过时域及频域扫描寻找器件的最好工作状态，如果特定状态不能满足系统指标要求，可重新选择新型号器件来代替。在PSPICE运行环境下，先依据电路原理图的特点调用相应的元器件画电路图，然后修改电阻、电感、电容等元器件的参数值，如果特殊需要也可以在

18、编辑菜单里重新修改元器件的电路模型参数，最后保存电路。仿真时注意选择设置DC、AC、Transient等命令分析方式，当选择好扫描方式后，通过仿真观察及分析电路的特点及特性。该实验选用共射接法单管放大的方式，具体电路如下：在输入端加入一定幅值的交流正弦信号，经过晶体管Q2N2222A的电压放大作用，达到信号放大的目的，所得到的信号可以推动负载R3。其中的C1、C2为隔直电容，量值大小根据信号的频率来决定。电阻值的大小是在电路的外部指标的要求下，如所接负载的功率对放大器电压要求的限制，管子静态工作状态要求等，通过电流电压的电学特性计算，即可得到所需的量值。三、实验设备介绍1. 工作站或微机终端

19、一台2. 局域网3. EDA PSPICE仿真软件 1套四、实验内容和步骤设计单级放大器，并计算电路中的相关阻值及电容的大小。在Schematics的环境下，画单级放大电路原理图（注意电路中元器件的标称值、电源及信号特点、模型的正确调用等）。用Analysis下的仿真控件Simulate电路，观看AC扫描、瞬态扫描的电压波形，分析电路波形与电路参数的关系。并可重新改变电路中的相关参数值（如阻抗、电容等）。思考并解决仿真中出现的各种问题。1. 从元件库中调用电阻器件，注意对于兆欧电阻应写为MEG。2. 选用Q2N2222A器件，其模型参数见工具栏EDIT中。3. 使用VSIN正弦交流电源，电压为

20、1mV，频率为20KHz。4. 其他元器件如前面的实验所示，画出完整的单级放大电路图，并保存。5. 设置分析条件（用setup框按钮），并进行仿真波形分析。仿真AC分析时，要改变输入电压源为VAC，并设置其参数，其他条件不变。6. 先进行工作点的仿真设置，然后对频域AC仿真，最后对时域Transient进行仿真，并保存仿真图形。五、注意事项和要求1. 在PSPICE软件中，应注意正确的单位书写方式，如微米、兆欧的字母表示方式分别为um、MEG，同时也要考虑其写法，在此软件下无大小写的变化。2. 由于输入信号的幅值为毫伏级，即小信号输入，设计时考虑小信号放大电路，与大信号功率放大有所区别。3.

21、电路放大的工作状态在管子的静态工作点附近，并且其放大的最大值是小于电源电压的幅值的。所以要学会选择A类、B类或AB类放大器。六、作业及预习要求1. 画出电路原理图及电路的仿真曲线，并分析仿真图形与理论图形的不同。 2. 分析调试过程中出现的问题与解决方案。3. 总结，按实验报告格式完成报告。七、参考书目1. PSpice电路设计实用教程李永平，国防工业出版社，20042. 超大规模集成电路设计方法学导论（第二版），杨之廉，申明编著，清华大学出版社实验指导书实验名称：实验五 设计和仿真带有反馈的放大器 学时安排：3学时实验类别：设计性 实验要求：必做 一、实验目的和任务带有反馈功能的放大器可以保

22、证电路动态性能稳定和提高带宽等功能。在工程上设计电路放大器时，通常是设计成具有稳定增益及优良带宽的反馈放大器。本实验教学目的是使学生熟练掌握反馈放大器电路的设计和仿真方法。熟悉电路的电压放大倍数、输入阻抗、输出阻抗和频带的仿真。 二、实验原理介绍单级共发射极的放大电路，如在放大三极管的发射极与地端之间加上一定量的反馈电阻，可以保证输出端的电流及电压的稳定性；同理，在该三极管基极与集电极两端也接上适当值的反馈电阻，则可以有效的保持输出端相位的恒定并增加放大器的通频带。因此，通过这些反馈方法保证放大器电路的稳定性，并满足该放大器设计的特性指标。要使得放大器处于放大状态，必须初步计算三极管的工作点并

23、选用适当的接法（共射、共基和共集），然后选择特定要求的偏置电路及耦合电容。在理论计算上满足电路处于放大状态的基础上，运用PSPICE软件仿真该电路，找到电路实际工作点（直流电流和电压），并通过时域扫描确定器件能满足放大电路的要求，如果特定状态不能满足，则可重新选择新三极管器件来代替。 在PSPICE运行环境下，首先依据电路原理图的特点调用相应的元器件画电路图，然后修改电阻、电感、电容等元器件的数值，如果需要，可以在编辑菜单里重新修改元器件的电路模型，最后保存电路。仿真时注意选择设置DC、AC、Transient等控件的分析方式，当选择某种扫描方式后，运行菜单analysis中的simulate

24、仿真，通过仿真观察输出特性波形，并分析电路的功能。该实验的具体电路如上图所示：在左边输入端加入交流小信号V4，经过晶体管Q2N2222A的电压放大作用，达到信号放大的目的，所得到的信号可以推动负载R5。其中R2、R4为偏置电路电阻起分压器作用，为基极提供电压和电流；R3为发射极反馈电阻，能保证输出端电流的恒定；C1、C2为输出和输入端的隔直电容，C3为高频旁路电容（交流小信号接地），其量值大小由放大信号的频率来确定。电流的放大增益和输入、输出电阻由小信号等效电路图来计算，其值的大小可以有效的帮助设计电路，从而满足电路的性能。三、实验设备介绍1. 工作站或微机终端 一台2. 局域网3. EDA

25、PSPICE仿真软件 1套四、实验内容和步骤设计反馈放大器，并计算电路中的相关阻值及电容的大小。在Schematics的环境下，画单级放大电路原理图（注意电路中元器件的标称值、电源及信号特点、模型的正确调用等）。在Schematics原理图条件下仿真电路，得到输出波形及数据。如：输出静态工作点、中频电压放大倍数、输入和输出电阻。依据电路原理图，写出文件语句（即网表）重新仿真以上内容。思考并解决仿真中出现的各种问题。1. 根据要求选用Q2N2222A器件，其模型参数见工具栏EDIT中。2. 从元件库中调用电阻器件，注意兆欧级的电阻应写为MEG。旋转按钮为CTRL+R，阻值大小的修改可以直接双击元

26、件或者双击元件上的数值即可。3. 按照同样的方式，在Part Name中输入C即可调入电容元件C1、C2、C3。4. 分别调入VDC和VAC电源，并按照调试要求连接电路图及元器件参数设置（图中的直流电压为15V，交流电压的幅值为1mV）。5. 首先进行直流工作点的仿真设置，然后对频域AC仿真，最后对时域Transient进行仿真，并保存仿真图形。6. 电路图仿真完成后，写出电路网表语句并用PSpice AD Student对以上功能重新仿真。五、注意事项和要求1. 该电路仿真是电路的反馈仿真，注意电容C3加入对电路的影响。2. 认真观察电路频域仿真（AC）和时域仿真(Tran)不同的波形曲线，

27、并分析其代表的物理意义。3. 如果电路采用网表语句仿真，注意将网表文件的后缀改为.cir文件。六、作业及预习要求1. 画出电路原理图及电路的仿真曲线，并分析仿真图形与理论图形的不同。 2. 写出电路的网表语句及分析语句（要求自己笔写）。3. 分析调试过程中出现的问题与解决方案。4. 总结，按实验报告格式完成报告。七、参考书目1. PSpice电路设计实用教程李永平，国防工业出版社，20042. 超大规模集成电路设计方法学导论（第二版），杨之廉，申明编著，清华大学出版社实验指导书实验名称：实验六 设计二级BJT放大电路 学时安排：3学时实验类别：设计性 实验要求：必做 一、实验目的和任务实际使用

28、的放大电路由多级放大部分组成，这主要是满足电路放大高增益指标的要求，设计时需要考虑级间耦合、各个放大器增益以及相位偏移等。设计时加上前后级之间的反馈网络，可以保证了放大器的稳定性，提高电路的通频带。两级放大是多级放大的基础，解决好该种放大器设计过程中的问题，可以帮助我们设计多级放大电路。本实验教学目的是使学生熟练掌握二级BJT放大电路的设计方法，熟悉电路的增益、相位等仿真。 二、实验原理介绍放大器的设计是从简单的单级放大器开始的。在每级设计时必须保证晶体管处于正常的工作状态，也就是设计静态工作点；同时，选择满足设计性能要求的器件（三极管）来设计合适的放大器频率和增益。二级BJT放大器的设计，首

29、先满足每个单级放大器处于正常工作状态的基础上，再进行级与级之间的联调（确保前一级的输出阻抗与后一级的输入阻抗匹配），最后要进行相位设计，即选择适当的反馈网络，以满足输出特性要求。在PSPICE运行环境下，首先根据电路原理图的特点调用相应的元器件画电路图，然后修改电阻、电容等元器件的数值大小和单位，如果需要可以在编辑菜单里重新修改元器件的电路模型，最后保存电路。为了确保电路拓扑和元器件参数正确，必须对电路进行静态工作点的仿真（Pspice默认Bias Point Detail）观察电路各条支路的电流、电压的方向和大小是否与器件的工作状态一致，保证电路处于正常工作状态，才能进行其它仿真。仿真时注意

30、选择设置DC、AC、Transient等分析方式，当选择好扫描方式后，注意观察仿真波形及分析两级放大器电路的特性。该实验的具体电路如下：在输入端加入交流小信号Vi，经过晶体管Q1、Q2两级的放大，级间之间采用电容C2耦合，所得到的信号可以推动负载RL。其中R1、R2、R3、R4为基极偏置电路；RF、CF为反馈网络；C1、C3为隔直电容，Rs为信号源内阻。三、实验设备介绍1. 工作站或微机终端 一台2. 局域网3. EDA PSPICE仿真软件 1套四、实验内容和步骤设计二级BJT放大器，并计算电路中的相关阻值及电容的大小。在Schematics的环境下，画该电路原理图（注意电路中元器件的标称值

31、、电源及信号特点、模型的正确调用等）。在Schematics原理图条件下进行电路仿真，并用图像及数据输出静态工作点、增益、输入和输出相位。用电路原理图，写出文件语句（即网表）重新仿真以上内容。思考并解决仿真中出现的各种问题。1. 根据要求选用Q2N2222A器件，其模型参数见工具栏EDIT中。2. 从元件库中调用电阻器件，注意兆欧级的电阻应写为MEG。旋转按钮为CTRL+R，阻值大小的修改可以直接双击元件或者双击元件上的数值即可。3. 按照同样的方式，在Part Name中输入C即可调入电容元件C1、C2、C3。4. 分别调入VDC和VAC电源，并按照调试要求连接电路图及元器件参数设置（图中的

32、直流电压为15V，交流电压的幅值为10mV）。5. 进行直流工作点的仿真设置，频域AC仿真，并保存仿真图形。6. 选择需要观测的电压或电流点，注意电流观测点为元器件的端点。7. 在仿真图形工具栏中，选择Trace菜单下的Add Traces内部的电流、电压等。8. 输出相位应在Trace Expression框中加入P即可。图中可看出对于不同的频率其波形相位不同，如对于频率为100KHz，其输入和输出相位几乎相同，而频率发生改变时相位有较大的变化。9. 电路图仿真完成后，写出电路网表语句并用PSpice AD Student对以上功能重新仿真。五、注意事项和要求1. 注意电路中级间耦合的方式，并思考这种耦合的特点。2. 电路中由于采用两级放大，请注意输出端的反馈的方式及没有反馈时的波形变化。六、作业及预习要求1. 画出电路原理图及电路的仿真曲线，并分析仿真图形与理论图形的不同。 2. 写出电路的网表语句及分析语句（要求自己笔写）。3. 分析调试过程中出现的问题与解决方案。4. 总结，按实验报告格式完成报告。七、参考书目1. PSpice电路设计实用教程李永平，国防工业出版社，20042. 超大规模集成电路设计方法学导论（第二版），杨之廉，申明编著，清华大学出版社