公开课：基于Cadence IC 617的gm-id电路设计方法

在cadence获得gmid设计方法所需曲线

---------- 概述 ----------

00:35

• 传统手算方法在小尺寸不再精确：例如尺寸↓，Sah方程的精度↓，不再很好地遵守平方律（短沟道效应等问题）
• gm/Id方法：利用图表来进行手工计算

/感兴趣的参数：gm，Id，gm/Id，fT（管子特征频率），fT*(gm/Id)，gm/gds，Id/W（电流密度），vov(vth-vgs)

---------- y vs. vgs plot ----------

/y指的是所有关心的量，如gm、fT、gm/Id等

/要获得gmid设计方法需要的曲线(比如gm/Id vs. fT)，需要先获得所有这些量和vgs之间的关系(gm/Id vs. vgs和fT vs. vgs)，再以vgs作为中间量，获得gm/Id vs. fT曲线

gm over id (gmid) method part 2 MOSFET Characterization P2 - 00:11

• 需绘制的特性曲线：

gm vs. vgs

Id vs. vgs

gm/Id vs. vgs

fT vs. vgs

fT*(gm/Id) vs. vgs

vov vs. vgs

Id/W vs. vgs

1. 单个尺寸下的特性曲线（NMOS）

****图例都是自己跑的结果(smic18mmrf，n18，width=5u，length=300n)，和视频结果有差别

• Id vs. Vgs

/1.8V NMOS 设置变量L=length，W=width

/仿真设置：对vgs进行dc扫描

tip：在ADE中，Design variable窗口内右键，有部分快捷的操作

/Output选择管子漏端，run

gm over id (gmid) method part 2 MOSFET Characterization P2 - 06:28

• 从Results Browser获取部分参数(需添加一个.scs文件)

/cadence或者spectra只会存储DC operating point中很小一部分的数据（如下图），要写一个scs文件，让cadence能存储所有扫描的点的DC message

gm over id (gmid) method part 2 MOSFET Characterization P2 - 08:58

/在打开icbf的目录下，创建一个空的.scs文件(save_op.scs)

/编辑.scs文件，M0是原理图对应的管子

/将.scs文件添加到ADE的model library或Simulation FIle（都在Setup目录下），这里以Simulation FIle为例，点击Apply→OK

gm over id (gmid) method part 2 MOSFET Characterization P2 - 10:44

/再次运行仿真，ADE→Tools→Result Browser，在dc栏目中可以看到所有的参数都被保存，双击参数则会自动绘制曲线

/gm，Id，gm/Id等众多参数都可以直接绘制，经验证，这里绘制出的图像和在ADE的Output处绘图，结果是完全一致的

• fT vs. vgs(需要calculator, expression相关操作)

/特征频率fT是晶体管电流放大能力(β=id/ig)下降到1时的频率，这种性能的劣化主要由栅电容Cgg决定，fT=gm/(2*pi*Cgg)，cgg=-(cgs+cgd+cgb)

tip：可参考https://www.doc88.com/p-8788931950034.html?r=1

/Result Browser中没有提供fT，但提供了gm和Cgg，通过Calculator在ADE的Output中完成绘图

tip：16个电容参数可参考http://ee.mweda.com/ask/411926.html

gm over id (gmid) method part 2 MOSFET Characterization P2 - 17:14

/在Result Browser中右键Cgg→Calculator

/面板中是Cgg vs. vgs对应的expression，阔选→右键→Copy

/回到Result Browser中右键gm→Calculator，粘贴Cgg的表达式，获得gm/(2*pi*Cgg)

tip：觉得这样复制麻烦，可以把表达式添加到calculator的Stack

/回到ADE，Output→Setup→Get Expression将calculator的表达式导入，设置Name为fT，点击Add→OK

tip：如果要改表达式，在ADE的Output框中双击变量，Get Expression→Change

/添加了Output变量fT，不用重新Run，直接plot

/结果如下

• fT*(gm/Id) vs. vgs

/同上，从Result Browser中可以获取fT和gm/Id的表达式，设置Output变量fT*(gm/Id)

/结果如下

• vgs-vth vs. vgs

/同上，Result Browser中有vgs和vth，vov=vgs-vth

• gm/gds vs. vgs

/同上，Result Browser中有gm和gds(即ro)

• Id/W vs. vgs(获得width vs. vgs expression的技巧)

/width是Design Variable，需额外设法plot width vs. vgs，获得expression用于和前面相同的绘图方法

tip：比如getData("M0:id?"?result"dc")就是Id vs. vgs的expression，这里要设法获得v("/W"?result"dc")

/电路设置：增加一个不用的vdc器件，将电压设为width，输出端接wire，wire的另一头连接到basic的noConn器件，表示不连接到任何端口

/快捷键L(Add Name)，为这段wire设置名称W(只为了方便看)

/这样做的目的是让名为W的wire上拥有一个等于width的电压值，把width变为可以作为Output来绘图并获得expression的量，唯一的差别是单位从m(米)变成了V(伏特)

/ADE中Results→Direct Plot→DC

/原理图中选中导线W→ESC退出点选，得到W vs. vgs，右键曲线名称→Send To→Calculator，获得expression

/Result Browser中有Id，和前面相同的方法，获得Id/W vs. vgs

2.对L进行扫描，获得多个尺寸下的MOSFET特性曲线

gm over id (gmid) method part 2 MOSFET Characterization P2 - 29:57

对于gm/Id分析方法，几乎所有变量对W都是不敏感的，因此只对L扫描，固定W=5u

/在ADE的Outputs整理好所有要plot的曲线

/Tools→Parametric Analysis

/设置length从180n扫描到500n，线性间隔80n

/结果如下

/保存ADE的state，注意Parametric Analysis的state也可以保存

gm over id (gmid) method part 2 MOSFET Characterization P2 - 33:43

3.测试PMOS的特性曲线

/在前面的.scs文件中，保存的是M0管的参数，要保持待测管名称和.scs文件中的命令一致

/ADE中load state，有些参数是负的，在Id、gm/Id、vov、Id/W表达式加负号，把值都改成正的方便分析，

/Parametric Analysis获得曲线如下

---------- y vs. y plot(Cadence) ----------

gm over id (gmid) method part 3 plotting in cadence P3 - 00:22

/Lecture2中获得的曲线x轴为vgs，y轴为Id、gm、vov等，gmid方法需要这些y值之间的关系曲线，比如vov vs. gm/Id，即y vs. y plot

仅介绍在cadence中的实现方法

• 从ADE生成ocean script

/ocean全称Open Command Environment for Analysis，是一种SKILL语言，可以配置cadence中的仿真环境

tip：关于ocean script的介绍，参考https://zhuanlan.zhihu.com/p/27786161

/重新写一个ocean script比较费事，在ADE的Session→Save Ocean Script可生成当前的ocean script，是一个.ocn文件，我命名为n18_gmid.ocn

/打开.ocn文件，可以对应查看ADE中的仿真设置

/可以直接在icfb中运行.ocn文件，实现无GUI的仿真运行。将除icfb以外所有界面关闭（仅为说明无需GUI），在icfb中输入命令:

load("n18_gmid.ocn")

加载.ocn文件，在icfb日志中可以看到仿真过程，结束后与ADE中一样地完成plot

• 修改ocean script，实现y vs. y plot

/ocnYvsYplot是用于实现y vs. y plot的函数，vgs只是中间量

/结果如下(这4个曲线不一定有用，只是y vs. y plot的例子)

tip：去掉addSubwindow()函数，各曲线绘制在一张图内

tip：也可以直接在icbf命令框输入函数

gm over id (gmid) method part 3 plotting in cadence P3 - 15:33

• 对length进行扫描

/扫描功能是在ADE的Tools→Parametric Analysis中完成的，实际上Parametric Analysis也就是在ocean script中的一些函数，出于方便，直接从Parametric Analysis中生成ocean script

/把绘图的语句添加到Parametric Analysis生成的ocean script中：

/绘出4种很有用的曲线：gm/Id vs. vov；gm/gds vs. gm/Id；fT vs. gm/Id；Id/W vs. gm/Id；结果如下

/对pmos重复操作一次