付録1: MOSFETからの回路設計

  1. MOSFETの寸法

    MOSFETの寸法(LとW)の決定方法について講義を行ったが、マスタースライス方式では、メーカが用意したサイズのMOSFETを使用するため、MOSFET単体の寸法は変更できない。このため、電気的特性は、MOSFETの直列接続または並列接続の数により調整される。並列接続数については、MOSFETのProperty(デバイスパラメータ)の Mulitplier に設定することができる。MOSFETをN個並列接続すると、どの領域でも、IDSは正確に N 倍になる。直列接続の場合は、飽和領域に限って、電流が大体 1/N 倍になる。通常、n-ch MOSFETとp-ch MOSFETは、コンプリメンタリになるように調整されているため、インバータの場合は、n-ch MOSFET 1個とp-ch MOSFET 1個(並列、直列接続なし)で実現できる。

    Fig.8.1

  2. 回路図入力

    Library Managerのメニューから、[File] → [New] → [Cell View...]で、下記のセルを作成し、回路図エディタでINV01とNANDの回路を入力する。Mは、Multiplier(並列接続数)を表す。

    Libraryic1ic1
    CellINV01NAND2
    Viewschematicschematic
    Typeschematicschematic
    Open withSchematics XLSchematics XL
    Always use this application for this type of fileCheckを入れるCheckを入れる

    Fig.8.2

    MOSFETのシンボルは、下記のものをインスタンス(iキー)して使用する。

    n-ch MOSFETp-ch MOSFET
    LibraryGAMASTERGAMASTER
    Cellnnmos4ppmos4
    Viewsymbolsymbol

    回路図編集画面に呼び出したMOSFETシンボルを選択してから、下記のProperty(qキー)を設定する。具体的な値は、Library = MeRL, Cell = INV01, View = schematic を呼び出して、MOSFETのPropertyを調べよう。SI接頭辞(p, n, u など)をつけ忘れないこと。

    設定の必要があるProperty説明
    Model namen-ch → N, p-ch → Pとすること
    Multiplier並列接続数(上記回路図参照)
    Widthゲート幅
    Lengthゲート長
    Drain diffusion areドレイン面積
    Source diffusion areソース面積
    Drain diffusion peripheryドレイン外側3辺の長さ
    Source diffusion peripheryソース外側3辺の長さ

    [参考] MOSFETのProperty値は、Multiplier以外は一定なので、Synbolを呼び出してProperty値を設定してから、コピーでMOSFETを増やしたほうが能率的である。入出力ピン(pキー)も作成しておく。

    回路図の作成に使用するインスタンス
    LibraryCellView
    GAMASTERnnmos4symbol
    GAMASTERppmos4symbol
    analogLibvddsymbol
    analogLibvsssymbol

    他の回路に呼び出して使用できるようにsymbol viewも作成しておく。

    1. 回路図エディタのメニューより、[Create] → [Cellview] → [From Cellview...] を選ぶ
    2. Cellview From Cellviewフォームで、Library = ic1, Cell Name = INV01, From View Name = schematic, To View Name = symbol となっていることを確認して、OKをクリック
    3. Symbol Generation Options フォームが起動するので、Left Pins = A B, Right Pins = X となっていることを確認して、OKをクリック
    4. シンボルエディタに四角いシンボルが表示されるが、形が気に入らなければ編集する
    5. 保存してシンボルエディタと回路図エディタを終了する。
    6. 同様にして NAND のシンボルも作成しておく

  3. テストベンチの作成

    Library Managerにより、テストベンチ tb_INV01 のセルを作成する。配線が完了したら、INV01の入力と出力に配線に、それぞれ IN, OUT の配線名(ラベル)を付けておくこと。

    Libraryic1
    Celltb_INV01
    Viewschematic
    Typeschematic
    Open withSchematics XL
    Always use this application for this type of fileCheckを入れる

    Fig.8.3
    INV01のテストベンチ

    使用するインスタンス
    LibraryCellViewProperty
    ic1INV01symbolなし
    analogLibcapsymbolCapacitance = 10f
    analogLibvddsymbolなし
    analogLibvsssymbolなし
    analogLibgndsymbolなし
    MeRLSUPPLYsymbolVDD = 5
    VSS = 0
    analogLibvpulsesymbolDC voltage = 0
    Voltage 1=0
    Voltage 2 = 5
    Period = 20n
    Delay time = 10n
    Rise time = 50p
    Fall time = 50p
    Pulse width = 10n

  4. シミュレーション条件の設定と実行

    1. 回路図エディタのメニューより、[Launch] → [ADE XL]を選ぶ
    2. Launch ADE XLフォームが表示されるので、Create New View にチェックを入れて、OKボタンをクリック
    3. Create new ADE XL viewフォームが起動するので、View 欄が adexl となっていることを確認してOKボタンをクリック
    4. ADE XL (Analog Design Environment XL)が起動し、Library Managerにadexl viewが作成される
    5. ADE XLのツールバーより、Create Test(歯車アイコン)または adexlタブの中に表示されている click here の文字をクリック
    6. Choosing Designフォームが表示されたら、tb_INV01の文字色が反転しているのを確認して、OKボタンをクリック
    7. ADE XL Test Editor が起動するので、下記のように設定を行う。

      1. Setupメニュー
        • [Setup] → [Simulator...] を選択し、Simulator欄に hspiceD が表示されているのを確認してOKボタンをクリック
        • [Setup] → [Model Libraries...]を選ぶと、Model Library Setupフォームが表示されるので、<Click here to add model file>という文字の右側の...ボタンをクリック
        • ファイルの選択画面が表示されるので、spicepar.sp というファイルを選んでOPENボタンをクリックし、Model Library SetupフォームのOKボタンをクリックする
      2. Choose Analyses...ボタン
        ADE XL Test Editorの右側 Choose Analysesボタンをクリックし、Choosing Analyses フォームで、下記の設定を行う。この設定により、INV01の直流伝達特性と過渡応答特性のシミュレーションができる。

        Analysisdc
        Sweep VariableSourceラジオボタンをクリック。
        Select Sourceボタンをクリック
        回路図エディタで、入力に接続された電圧源をクリック。
        Sweep Range TypeStart = 0, Stop = 5, Step = 0.01
        EnabledCheckを入れる

        再度、Choose Analysesボタンをクリックし、Choosing Analyses フォームを表示させ、以下の設定を行う。

        Analysistran
        Transient AnalysisStart = 0, Stop = 40n, Step = 10n
        EnabledCheckを入れる

      3. Setup Outputs...ボタン
        ADE XL Test Editorの右側 Setup Outputs ボタンをクリックし、Setting Outputsフォームで、グラフ表示する箇所を選択する。
        • From Schematic ボタンをクリック
        • 回路図エディタが表示されるので、INV01の入力と出力に繋がる配線を順次クリックしていく。青色の配線部分をクリックするように注意すること
        • 選択し終わったら、ESCキーで、選択モードを解除
        • Setting OutputsフォームのOKボタンをクリックして終了
    8. シミュレーションの実行
      シミュレーションを実行し、回路が正しく動作することを確認する。シミュレーションの実行は、ADE XLのシミュレーション実行ボタン(緑の三角マークのアイコン)をクリックすると開始される。


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