3.9 工艺角仿真和波形显示方法

CMOS工艺存在各种偏差，这些偏差可能来自掺杂浓度、栅氧层厚度或扩散深度等很多因素，造成不同晶圆之间、同一晶圆不同芯片之间、同一芯片不同区域之间器件特性会有所不同，在极限情况下工艺偏差的综合效果可能会造成MOS管最快（F，Fast）或最慢（S，Slow），当然在大多数工艺情况下MOS管还是表现出典型（T，Typical）特性。

为了说明工艺角的概念，这里暂且把造成MOS管偏快或偏慢的原因理解为载流子迁移率 μ 的大小。如果把NMOS管载流子迁移率 μ _n 当作横坐标、PMOS管载流子迁移率 μ _p 当作纵坐标，可以得到如图3.57所示的方块图形，FF、FS、SS和SF被称为CMOS的工艺角（process corner）。

在图3.57中，从原点SS出发沿四边形顺时针转，依次得到SS、SF、FF和FS 4个转角，第一个字母代表NMOS管的快慢，第二个字母代表PMOS管的快慢，四边形中心是TT，表示NMOS管和PMOS管都是典型情况。通常情况下，电路设计之初先按照TT仿真，当基本功能仿真调试通过后，再对电路进行4个工艺角的仿真，即进行SS、SF、FF和FS仿真，完成了这4个工艺角的仿真（corner simulation）才算仿真通过。

能通过TT仿真的电路不一定能通过所有的工艺角仿真，如果工艺角仿真没通过，芯片的成品率就会大打折扣，所以工艺角仿真在模拟集成电路设计中非常重要。有时候一个电路看似很简单，TT仿真很容易就通过了，但是工艺角仿真却通过不了，这时候就必须对电路进行调整或修改，直到所有的工艺角仿真都能通过为止。

工艺角仿真不是什么特殊的仿真，它是通过加载库文件时选择不同的工艺角实现的。例如在表3.3的模型文件语句

这个语句加载的tt就对应图3.57中的TT，它是对典型工艺情况进行的仿真，只要把语句中的tt改成ss、sf、ff或fs，仿真就变成了对不同工艺角的仿真。注意，tt、ss、sf、ff和fs不是Spice语法选择工艺角的关键字，虽然这种表示方式最直观，且符合人们的认知习惯，但并非所有的库文件都按这种方法命名工艺角，在面对具体模型文件时，需要查阅模型文件的说明，确认不同工艺角的名称。如前所述，使用617版选择工艺角不用查阅模型文件，模型库文件调入完成后，所有的工艺角都可以通过下拉菜单显示出来，直接单击即可。

图3.58中的文字描述了MOS管、电阻和MIM电容的工艺角名称，可以看出MOS管的TT、SS和FF都符合认知习惯，但是SNFP和FNSP却不是通常的SF和FS。另外，电阻和MIM电容只给出了TT、SS和FF三种情况，为了表示与MOS管的区分，电阻和MIM电容的工艺角名称前面分别增加了RES_和MIM_。

在Spice的模型文件中有很多工艺参数，基于这些参数可以建立数学模型，虽然不同的工艺角使用相同的数学模型，但它们的工艺参数值是不同的。Spice模型以典型工艺参数为基础，把工艺角参数与典型工艺参数的偏差定义成不同的section，并为每个section取了个名字。如图3.59所示，图a为1.8V NMOS管（n18）的section tt，由于是典型工艺，所以偏差都为0；图b为section mim_tt、section mim_ff和section mim_ss，可以看出，section mim_tt的工艺偏差参数dmin为0，而section mim_ff和section mim_ss的分别为-2e-4和2e-4。

用Cadence工具进行工艺角仿真有两种方法，一种是section替换法，另一种是专用工具法，下面分别进行介绍。

（1）section替换法 直接在Model Library Setup对话框中修改section，把tt换成ss或ff等不同的工艺角。如图3.60所示，在Model Library Setup对话框中双击t t，在Model Library File栏和Section（opt.）栏中就会出现模型库文件名和t t，将t t改为ss和f f，然后单击Add。选中f f和t t工艺角，将它们disable掉（＃号表示disable），只保留ss，单击OK按钮后，这样再仿真就是对工艺角ss的仿真了，类似地，还可以进行f f、fnsp和snfp等工艺角的仿真。如果使用Cadence 617版，可以直接单击section的下拉箭头来选择不同的工艺角。

section替换法的最大优点是简单和直观，缺点是不能一次完成所有的工艺角仿真，而且每次只能与一种电源电压和温度组合，也不能同时输出不同工艺角的仿真结果，不便比较，而专用工具法就可以解决这些问题。

（2）专用工具法 Cadence提供了工艺角仿真专用工具Analog Corners Analysis，它不仅可以一次完成不同工艺角的仿真，而且还能将工艺角、电源电压、温度和电路中的参数进行任意组合，在同一个波形窗口输出所有结果，便于分析和比较，适合电路设计后期对电路进行全面而系统的仿真验证，下面以Cadence 5141为例介绍这种方法的具体流程，Cadence 617的流程可以仿照此流程。

使用Cadence 5141专用工具的工艺角仿真流程可以分成4个步骤，即添加工艺角（add process）、添加显示信号（add measurement）、启动仿真（run）和显示波形曲线（plot），这些步骤都是在Analog Corners Analysis窗口中进行的。下面以CS_stage为例具体介绍一下这种方法。在使用Analog Corners Analysis工具进行工艺角仿真之前，应该先完成tt仿真，以确保基本仿真环境正确。

1）添加工艺角（add process）：单击ADE窗口菜单Tools→Corners...弹出Analog Corners Analysis窗口（见图3.61），单击窗口菜单Setup→Add Process...弹出Add Process对话框（见图3.62）用于添加工艺和工艺角。单击图3.62中的Process，先在Process Name栏中为添加的工艺任意取一个名字，比如本例为smic18。然后在Model Style栏中选择Single Model Library（现在只需要一个Library）。在Base Directory栏中填写Model文件的路径，在Model File栏中填写Model文件的名字，如果不记得Model文件的路径，可以在ADE窗口中打开Model Library Setup对话框（见图3.62中下面的窗口），在这里可以查到tt仿真时填写的Model文件路径和名字。

单击图3.62中的Groups/Variants，得到如图3.63所示的Group/Variants对话框，为需要仿真的MOS管工艺角建一个组。在Group Names栏中填写MOS（这里MOS不是关键字），表示将要建一个MOS管的工艺角组；在Variants栏中填写MOS管的工艺角名称，根据图3.58可知，MOS管的工艺角分别为ss、tt、ff、fnsp和snfp，填写时用逗号隔开，完成后单击OK按钮，这样就建成了MOS管的工艺角组，在Analog Corners Analysis窗口中，Corner Definitions栏中的Variables列表里增加了MOS组（见图3.64）。

单击图3.64中的Add Corner按钮，弹出如图3.65所示的Enter Corner name对话框，填写SS，然后单击OK按钮，按照相同方法再填写TT、FF、FNSP和SNFP，在MOS行选择对应的工艺角。Variables列表中的temp代表温度，填写室温27℃，最终设置结果如图3.66所示。单击菜单File→Save Setup As...，输入文件名为smic18.cor并保存供以后调用。

2）添加显示信号（add measurement）：单击Analog Corners Analysis窗口中的Add Measurement按钮，弹出Enter Measurement name对话框（见图3.67），输入vout_sch_db20，然后单击OK按钮，vout_sch_db20信号就加入到了Measurement栏中。单击Analog Corners Analysis窗口中的Calculator...按钮弹出计算器，并在计算器中选择ac和vf，此时原理图处于Select nets for the VF expression...状态，然后在原理图中单击vout_sch，再单击计算器中的dB20，得到如图3.68所示的波形计算表达式。选中Measurement栏中的vout_sch_db20，并单击Get Expression按钮，则计算器中的波形表达式就传给了vout_sch_db20。用类似的方法再添加vout_sch_phase，然后选择计算器中的phase得到vout_sch的相位信号，完成后选中两个信号的Plot选项，操作结果如图3.69所示，保存设置到smic18.cor。

3）启动仿真（run）：本例是对CS_stage进行ac的工艺角仿真，所以在ADE窗口中调出前面保存过的状态state_ac_db20，单击红绿灯图标先运行一下，如果一切正常则可单击Analog Corners Analysis窗口中的Run按钮，此时就启动了ac的工艺角仿真，仿真结束后列在Performance Measurements栏中的波形曲线就会自动显示出来，结果如图3.70所示。

从图3.70可以看出，tt工艺角的增益大于30dB，比其他工艺角的增益高很多，所以从增益的角度看，这个电路不能单独使用，因为工艺角对电路性能的影响太大，这个问题出在恒流源负载的偏置上，在实际电路中恒流源负载用电流镜偏置。在第8章的运算放大器设计实例中，将会用到电流镜偏置电路。

4）显示波形曲线（plot）：工艺角仿真结束后，可以用多种方法显示波形曲线，下面以本节的工艺角仿真为例，把显示波形曲线的方法进行一下总结。

①直接显示：工艺角仿真结束后，列在Performance Measurements栏中的信号会自动显示，这需要提前进行Add Measurement操作，并勾选Plot，图3.70就是这样显示的。与此相同，列在ADE窗口中Outputs栏中的信号也会自动显示，如图3.55中的vout_sch_db20和vout_sch_phase。

②计算器显示：通过计算器和仿真原理图可以获得波形表达式，这些表达式既可以通过Get Expression送到ADE窗口和工艺角仿真窗口，也可以直接显示出来，显示的方法就是单击计算器上的Plot按钮（带曲线的小按钮）或Eval按钮。

③ADE窗口显示：无论是普通仿真还是工艺角仿真，都可单击ADE窗口中右下角的Plot Outputs图标（带曲线的图标），随时显示ADE窗口中Outputs栏中的信号。

④Results菜单显示：单击ADE窗口菜单Results→Plot Outputs会列出已完成的仿真类型，选择其中的一种仿真类型，则该类型的仿真信号波形会显示出来，显示的波形信号应列在Outputs栏中，这种方法适合单独显示指定仿真类型信号波形。

单击ADE窗口菜单Results→Direct Plot也可以显示所有波形，不受限于Outputs栏的列表信号，它的功能更加强大，灵活度更高。该菜单可以提供如图3.71所示的两组菜单选项用于波形显示，其中第一项Main Form...是一组，剩余的其他项是另外一组，每个组都能独立完成所有节点信号的显示，其最主要区别是第二组需要按Esc键才能结束选择，否则将一直处于选择状态。

第一组的操作从单击Main Form...开始，得到如图3.72所示的Direct Plot Form对话框，在Analysis栏中选择仿真类型，例如tran、dc或ac等，这是最后一次仿真所包括的仿真类型。在Function栏中选择Voltage或Current指定显示电压或电流，在Select栏中选择相应的节点或端口，例如左图选择ac仿真的电压信号Voltage，所以对应节点Net，而右图选择电流信号Current，所以对应端口Terminal。根据对话框中最下面的提示，可以到原理图中选择想要显示的节点或端口，每单击一次就显示一个。如果想显示电路模块内部的信号，可以选中电路模块，按E键再按回车键，就可以进入到下一层选择节点或端口，按Ctrl+E键可返回。

第二组的操作更加直观，各种仿真类型的结果种类都直接列在菜单里，单击其中之一，然后就可以到原理图中选择节点，选择完成后按Esc键即可显示，这是与第一组操作的最主要区别。注意，第二组操作必须按Esc键，否则不显示。 b3Wcoi9IaEa5HN9pu7SDaIEke49EWPMpilWad2YShmIrQSwMIP2sWB/UeEJhlYP0