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文檔簡介

1、集成電路課程設(shè)計電路設(shè)計部分實(shí)驗(yàn)文檔微電子中心王永生工欲善其事,必先利其器。孔子一、簡介當(dāng)前,典型的集成電路電路設(shè)計基于SPICE(Simulation Program With Integrated Circuit Emphasis)的仿真模擬,本部分講授電路模擬的方法和spice仿真工具的使用。SPICE仿真器有很多版本,比如商用的PSPICE、HSPICE、SPECTRE、ELDO,免費(fèi)版本的WinSPICE,Spice OPUS等等,其中HSPICE和SPECTRE功能更為強(qiáng)大,在集成電路設(shè)計中使用得更為廣泛。因此本課程設(shè)計以SPECTRE作為主要的仿真工具,進(jìn)行電路模擬方法和技巧的訓(xùn)

2、練。參加本課程設(shè)計的人員應(yīng)具備集成電路設(shè)計基礎(chǔ)、器件模型等相關(guān)知識。二、Spice基本知識 (1)無論哪種spice仿真器,使用的spice語法或語句是一致的或相似的,差別只是在于形式上的不同而已,基本的原理和框架是一致的。因此這里簡單介紹一下spice的基本框架,詳細(xì)的spice語法可參照相關(guān)的spice教材或相應(yīng)仿真器的說明文檔。首先看一個簡單的例子,采用spice模擬MOS管的輸出特性,對一個NMOS管進(jìn)行輸入輸出特性直流掃描。VGS從1V變化到3V,步長為0.5V;VDS從0V變化到5V,步長為0.2V;輸出以VGS為參量、ID與VDS之間關(guān)系波形圖。*Output Character

3、istics for NMOSM1 2 1 0 0 MNMOS w=5u l=1.0uVGS 1 0 1.0VDS 2 0 5.op.dc vds 0 5 .2 Vgs 1 3 0.5 .plot dc -I(vds).probe*model.MODEL MNMOS NMOS VTO=0.7 KP=110U+LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7.end描述的仿真電路如下圖,圖2-1 MOS管輸入輸入特性仿真電路圖得到的仿真波形圖如下圖。從這個簡單的spice程序中可以知道spice電路描述的主要組成部分。(1) 標(biāo)題和電路結(jié)束語句在輸入的電路描述語句中輸入的第一條語句必須

4、是標(biāo)題語句,最后一條必須是結(jié)束語句。在本例中,*Output Characteristics for NMOS標(biāo)題 . .end結(jié)束語句(2) 電路描述語句電路描述語句描述電路的組成和連接關(guān)系,包括元器件、激勵源、器件模型等描述,另外,如果電路是層次化的,即包含子電路,電路描述部分還包括子電路描述(.subckt)。在描述元器件時,要根據(jù)類型,采用不同的關(guān)鍵字作為元件名的第一個字母,元器件關(guān)鍵字見下表。如本例中,NMOS管的描述為:M1 2 1 0 0 MNMOS w=5u l=1.0u表示的意思為:元器件關(guān)鍵字x D G S B 模型名 寬=xx 長=xx其中D:漏結(jié)點(diǎn);G:柵結(jié)點(diǎn);S:源結(jié)

5、點(diǎn);B:襯底結(jié)點(diǎn)。器件模型描述電路中所使用的器件的spice模型參數(shù),語句為.model。如在本例中,.MODEL MNMOS NMOS VTO=0.7 KP=110U+LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7其中MNMOS為模型名,以便在元器件調(diào)用時使用,NMOS為模型的關(guān)鍵字。元器件類型元器件關(guān)鍵字電阻R電容C電感L二極管DNPN或PNP雙極型晶體管QN溝或P溝結(jié)型場效應(yīng)晶體管JN型或P型MOS場效應(yīng)晶體管MGaAs場效應(yīng)晶體管B電壓控制開關(guān)S電流控制開關(guān)W互感K激勵源說明供激勵用的獨(dú)立源和受控源,比如:V: 獨(dú)立電壓源; I: 獨(dú)立電流源;E: 電壓控制電壓源; F:

6、電流控制電流源;G: 電壓控制電流源; H: 電流控制電壓源,等等。(3) 分析類型描述語句分析類型描述語句說明對電路進(jìn)行何種分析。比如,直流工作點(diǎn)(.op),直流掃描分析(.dc),交流分析(.ac),噪聲分析(.noise),瞬態(tài)分析(.tran)等等。(4) 控制選項(xiàng)描述語句控制選項(xiàng)用于描述spice仿真時的相關(guān)控制選項(xiàng),一般在.option內(nèi)進(jìn)行設(shè)置,另外還有打印及輸出控制選項(xiàng)(.print、.plot、.probe)等等現(xiàn)將整個spice程序例子標(biāo)注如下:*Output Characteristics for NMOS標(biāo)題M1 2 1 0 0 MNMOS w=5u l=1.0u元器件

7、描述(模型名為MNMOS的場效應(yīng)MOS管M1,漏結(jié)點(diǎn)2、柵結(jié)點(diǎn)1、源結(jié)點(diǎn)0、襯底結(jié)點(diǎn)0,柵寬5um,柵長1um)VGS 1 0 1.0激勵源描述(連接在1和0結(jié)點(diǎn)之間的1V獨(dú)立電壓源)VDS 2 0 5激勵源描述(連接在2和0結(jié)點(diǎn)之間的5V獨(dú)立電壓源).op分析類型描述,直流工作點(diǎn)分析.dc vds 0 5 .2 Vgs 1 3 0.5 分析類型描述,直流掃描分析(VGS從1V變化到3V,步長為0.5V;VDS從0V變化到5V,步長為0.2V).plot dc -I(vds)控制選項(xiàng)描述,打印聲明.probe控制選項(xiàng)描述,打印輸出*model.MODEL MNMOS NMOS VTO=0.7

8、KP=110U器件模型描述,定義模型名為MNMOS+LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7的NMOS類型的模型.end結(jié)束語句三、Spectre電路仿真 (2)Cadence公司的Spectre仿真器的實(shí)質(zhì)和HSPICE等spice仿真軟件是一樣的,但由于集成了cadence的ADE仿真集成環(huán)境,可以在圖形界面下操作,使用更為方便和直觀一些,比如,不用寫spice的網(wǎng)表程序,可以在schematic view中繪制電路圖。這里以一個基本的共源級電路作為例子,講解工具的使用和基本電路分析的方法。1、工具的使用1.1 編輯電路圖(schematic)(見附錄1做數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作)進(jìn)

9、入/training/ic/spice_labs$目錄,啟動cadence的設(shè)計環(huán)境平臺,在命令行提示符($)下執(zhí)行, $ icfb &首先建立一個設(shè)計庫,tools -> library manager, File -> New -> Library,在Name內(nèi)添上lab1,ok后,選擇Dont need a techfile,然后ok。這樣就建立了一個設(shè)計庫。這里之所以不選擇編譯techfile,是因?yàn)槲覀冎贿M(jìn)行電路的設(shè)計和仿真,如果還有設(shè)計電路的版圖,則根據(jù)選擇的工藝廠家的techfile來進(jìn)行編譯。然后,在設(shè)計庫里建立一個schemtic view,在Lib

10、rary Manager菜單 New-> cell view,填入amp1,view name選schematic,然后ok,則會出現(xiàn)電路圖的編輯界面。插入元器件,選擇analogLib中的nmos4 、pmos4、res、cap等器件。形成如下電路圖,然后check and save,如下圖。下面做這個放大器的symbol,Design->Create Cellview -> From Cellview,在彈出的界面,按ok后出現(xiàn)symbol Generation options,選擇端口排放順序和外觀,然后按ok出現(xiàn)symbol編輯界面。按照需要編輯成想要的符號外觀,如下

11、圖。保存退出。下面建立仿真的電路圖cut_amp1。方法和前面的“建立schemtic view”的方法一樣,但在調(diào)用單元時除了調(diào)用analogLib庫中的電壓源、(正弦)信號源等之外,將此放大器(lab1中的amp1)調(diào)用到電路圖中,如下圖。下圖是添加輸入激勵源的設(shè)置。1.2 啟動仿真環(huán)境(ADE)在schematic編輯界面,選擇Tools-> Analog Environment,出現(xiàn)Virtuoso Analog Design Environment (ADE),如下圖在ADE中,設(shè)置仿真器、仿真數(shù)據(jù)存放路徑和工藝庫,具體地,setup->Simulator/Directo

12、ry/Host 中選擇simulator為spectre,project Directory改為./simulation。 Setup->Model Libraries中Model Library File 找到sm046005-1j.scs文件填入,section部分填typical,如下圖,按add,然后ok。Variables->copy from cellview, 則電路中的變量出現(xiàn)在ADE中Design Variable一欄中,如下圖,至此工具的初步使用已經(jīng)進(jìn)行了簡單的介紹,下面結(jié)合具體的基本電路仿真進(jìn)行介紹。2、基本電路分析2.1直流仿真結(jié)合上面例子,首先設(shè)計仿真電路

13、中的變量,vpower=3,vbias=1,va=2,f0=100K。然后選擇Analyses->choose,在analysis一欄中選dc,在DC Analysis中選中Save DC operating Point;在sweep Variable中選中Design Variable,variable Name填vbias,在sweep Range, start選0, stop選3,然后ok。然后,simulation->Netlist and Run,運(yùn)行仿真。再后觀察仿真波形,這里有兩種波形查看工具,一種是WaveScan,一種是AWD。在session->optio

14、ns中進(jìn)行設(shè)置。這里選擇AWD。在tools中選擇calculator。如下圖,按vs按鈕,在schematic 中選擇需要輸出波形的節(jié)點(diǎn),如out,然后按plot,得到如下波形,可見輸入偏置在772.5mv903.7mv的范圍內(nèi)存在一個高增益區(qū),因此輸入偏置應(yīng)設(shè)置在這個區(qū)域內(nèi),改vias從1v到0.86v。由于在做直流仿真時也選擇了Save DC operating Point,因此可以查看電路的工作點(diǎn),在calculator中按vdc,同時選中Evaluate buffer,比如查看out的電壓工作點(diǎn)。也可以查看器件的工作狀態(tài),按op,然后在電路中選擇需要查看的器件,如I0/M1的vth。

15、2.2交流仿真后選擇Analyses->choose,在analysis一欄中選ac,注意此時vbias已經(jīng)選擇到了0.82v。 Sweep Variable選Frequency,Sweep Range 選1100M,按ok。然后,simulation->Netlist and Run,運(yùn)行仿真。仿真運(yùn)行結(jié)束后,仍可以采用calculator打印結(jié)果。這里采用另外一種方法,在Results-> Direct Plot選中AC Magnitude & Phase,然后在schematic view中點(diǎn)中out,則AC的結(jié)果打印如下圖。2.3瞬態(tài)仿真后選擇Analyses

16、->choose,在analysis一欄中選tran,大信號1V時,小信號0.1mV時,2.4 練習(xí)修改偏置電流,即修改R0,對上述電路的上述分析分別重新進(jìn)行仿真,并總結(jié)出仿真結(jié)果。注意:由于改變了偏置條件,因此電路的性能參數(shù)發(fā)生了變化,特別要注意的是輸入偏置的設(shè)置。四、實(shí)例:放大器的仿真及分析 (4)下面以一個放大器作為實(shí)例討論一些電路設(shè)計分析方法。圖1比較器電路比較器采用單級運(yùn)放后加一反相器構(gòu)成,如圖1所示。其中Ibias為自偏置電路如圖2A所示(注:自偏置電路原理見Razavi書310頁,實(shí)際工作時要加上啟動電路,解釋啟動電路的原理。),comp_amp為一級運(yùn)放如圖2B所示,in

17、v為反向器。 圖2A自偏置電路 圖2B運(yùn)算放大器電路運(yùn)算放大器為雙端輸入單端輸出的結(jié)構(gòu),可以在滿足輸入和輸出擺幅的情況下實(shí)現(xiàn)一定的電壓增益(考慮其值是多少時滿足性能要求)。首先確定所采用管子的寬度(所有晶體管的溝道長度不必為同一值),手工設(shè)計:根據(jù)擬定的設(shè)計指標(biāo),確定滿足指標(biāo)的運(yùn)算放大器各元件的尺寸和所需要的偏置電流的大?。赡苄枰辉O(shè)計偏置電路:采用自偏置電流源技術(shù)a)選定電路結(jié)構(gòu);b)手工設(shè)計:確定各元件的尺寸;c)Spectre仿真(采用TT Corner模型),驗(yàn)證電流源的性能;將偏置電路和運(yùn)算放大器電路合在一起仿真(采用TT Corner模型,27o),確定運(yùn)放的最終性能參數(shù):

18、a) 開環(huán)增益的幅頻和相頻響應(yīng);b) CMRR的頻率響應(yīng);c) PSRR的頻率響應(yīng);d) 共模輸入范圍;e) 輸出電壓擺幅;f) 壓擺率;g) 建立時間;h) 噪聲;i) 功耗;采用SS Corner模型,0o仿真溫度,重新仿真以上參數(shù)。采用FF Corner模型,80o仿真溫度,重新仿真以上參數(shù)。圖3所示的仿真電路可仿真放大器的交流特性和瞬態(tài)特性。采用閉環(huán)電路仿開環(huán)的方法,通過R0形成負(fù)反饋通路從而確定輸出共模電平(此時的共模電平實(shí)際是V1的直流值),并穩(wěn)定直流偏置。在這個電路中選擇RC時間常數(shù)的倒數(shù)與Av的乘積小于運(yùn)放預(yù)期的主極點(diǎn)是必須的,即選擇大電阻和大電容值(本實(shí)驗(yàn)選擇1G歐姆電阻和1

19、mf電容,具體見allen的運(yùn)算放大器仿真)。由于反饋電阻的大阻值,輸入的共模會自動調(diào)整到和輸入V1相等。圖3 AC特性仿真圖中輸入為正弦波形對其進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置來滿足功能,主要包括直流電壓值提供輸入端的直流偏置、交流AC幅值和相位(通常為1V,相位默認(rèn)為0)、瞬態(tài)電壓幅值頻率和相位值。具體設(shè)置如下圖所示:同理設(shè)置電阻電容值和直流電源值(直流電壓),后在菜單欄toolsAnalog Environment調(diào)用仿真工具進(jìn)行電路仿真。選取仿真工具,添加模型文件并進(jìn)行仿真設(shè)置,下面主要介紹一下仿真的設(shè)置,包括交流瞬態(tài)tran、交流ac、直流dc、噪聲noise,具體如下所示:大家應(yīng)該注意到了,在電源的設(shè)

20、置中直流電壓和瞬態(tài)偏置電壓(即DC voltage和offsetvoltage)都設(shè)置了變量vin。在仿真之前需要在variable中選擇edit設(shè)置變量值。另一種方法如下圖。在 tools項(xiàng)中選擇選擇parametric analysis選項(xiàng),合理設(shè)置rang type和step control。然后選擇analysis中start就可以了。在設(shè)置一個電壓源時最主要會用到三類參數(shù):交流仿真參數(shù)(ac magnitude是交流信號擺幅,一般設(shè)為1;ac phase一般用在雙端放大器仿真,一端為0另一端為180)、直流仿真參數(shù)(dc voltage)和瞬態(tài)仿真參數(shù)等。仿真器仿真時,這幾個狀態(tài)仿真

21、是分開仿的,各參數(shù)互不影響。下邊兩圖仿真結(jié)果就是參數(shù)掃描的結(jié)果,直流dc仿真可以計算出直流偏置點(diǎn),從而可以看各點(diǎn)的靜態(tài)電壓和直路的靜態(tài)電流。交流仿真可以仿真靜態(tài)工作點(diǎn)的交流特性,主要是直流增益和頻率特性,隨輸入的正弦激勵的直流偏置結(jié)果如下,上圖為幅頻圖,下圖為相頻圖:當(dāng)輸入的直流偏置為1.2V時的交流相應(yīng)如下,從圖中可以看出其直流增益為47dB,相位裕度為63o滿足穩(wěn)定性要求(相位裕度為180度減去增益0dB時的相移。另外在比較器應(yīng)用中并不一定滿足相位裕度的要求,因?yàn)楸容^器工作在開環(huán)狀態(tài))。瞬態(tài)結(jié)果如下(瞬態(tài)電壓幅值為50mV,頻率為1K),從圖中可以看出輸出低電平不能達(dá)到0,且與輸入的直流電

22、平有關(guān),在不同的直流輸入下,輸出高電平基本一樣。試分析這些影響并解釋原因。 噪聲分析主要包括閃爍噪聲和熱燥聲,其輸入等效噪聲如下:圖4 輸入共模范圍仿真無論運(yùn)放的開環(huán)還是閉環(huán)模式都可以定義輸入輸出共模范圍,因?yàn)檫\(yùn)放常工作在閉環(huán)狀態(tài),這種測量使輸入輸出CMR更敏感。單位增益結(jié)構(gòu)對于測量和仿真輸入CMR是有用的,如圖4所示為運(yùn)算放大器的輸入CMR仿真。其中對輸入v1從0到VDD進(jìn)行參數(shù)掃描,觀測輸出結(jié)構(gòu),傳輸曲線的線性部分對應(yīng)于輸入共模電壓范圍的斜率是1。仿真設(shè)置和結(jié)果如下:(這里,大家思考一下,為什么仿真得到輸入共模范圍看似比電路分析的結(jié)果要大一些?)圖5輸出共模范圍仿真在單位增益結(jié)構(gòu)中,傳輸曲

23、線的線性受到ICMR的限制。若采用高增益結(jié)構(gòu),傳輸曲線的線性部分與輸出電壓擺幅一致。圖5為反相增益為10 的結(jié)構(gòu)可用來測試輸出CMR。設(shè)置同上,結(jié)果如下:圖6共模抑制比仿真圖6所示為運(yùn)放共模抑制比的仿真電路結(jié)構(gòu),兩個相同的電壓源Vcm,與單位增益結(jié)構(gòu)的運(yùn)放的兩輸入端連接,V1提供輸入共模電平。對輸出的結(jié)果取倒數(shù)可以得出CMRR,這可以用計算器完成原理見Allen運(yùn)算放大器仿真。仿真設(shè)置如上,結(jié)果如下:輸入直流電壓為1V時共模抑制比掃描輸入直流電壓時得到的CMRR圖7 PSRR電源抑制比仿真圖7所示為運(yùn)放的正電源抑制比的仿真電路結(jié)構(gòu),運(yùn)放為單位增益結(jié)構(gòu),交流輸入與電源串聯(lián),對其進(jìn)行AC仿真后取倒

24、數(shù)得出PSRR(思考仿真方法的原理,具體見Allen第6.6節(jié))。仿真結(jié)果如下:輸入直流電壓為1.2V時電源抑制比輸入直流電壓變化時電源抑制比圖8 運(yùn)放建立時間圖8為運(yùn)放建立時間的仿真電路結(jié)構(gòu),輸出加大擺幅的方波,觀測輸出的瞬態(tài)波形測量建立時間,方波輸入信號分別從0V,3.3V變?yōu)?.65V。仿真結(jié)果如下圖: 方波輸入從0到1.65V的建立時間 方波輸入從3.3V到1.65V的建立時間圖9運(yùn)放壓擺率的仿真電路結(jié)構(gòu)圖9為運(yùn)放壓擺率的仿真電路結(jié)構(gòu),輸入加大擺幅的方波,在這種情況下,輸出受電路擺率的影響,而不是輸出節(jié)點(diǎn)時間常數(shù)的影響。觀測輸出的瞬態(tài)波形測量壓擺率,運(yùn)放正輸入端是0V到3.3V的方波信

25、號。仿真結(jié)果如下輸出波形放大圖正壓擺率練習(xí)利用提供的0.35微米的PDK庫構(gòu)建電路,完成上述電路分析的仿真(提示:在layout_labs目錄下啟動軟件,見集成電路課程設(shè)計版圖部分(layout design and verification labs.doc)文檔),然后考慮改變放大器結(jié)構(gòu),比如電流源做負(fù)載的放大器、或者二級放大器結(jié)構(gòu),對電路的上述分析分別重新進(jìn)行仿真,并總結(jié)出仿真結(jié)果。注意:如果采用二級放大器,需要特別注意相位裕度,如果相位裕度不夠需要考慮相位補(bǔ)償,如米勒補(bǔ)償。備選參考題目(第一題滿分90分,其它題目滿分100分):1、 采用電容做miller補(bǔ)償?shù)亩夁\(yùn)算放大器設(shè)計 (R

26、azavi教材10.5節(jié);英文版Allen教材6.3節(jié))完成電路設(shè)計、電路仿真、版圖設(shè)計、版圖驗(yàn)證、版圖后仿真。詳細(xì)討論采用電容做miller補(bǔ)償?shù)亩夁\(yùn)算放大器設(shè)計過程,注意由miller電容引入的零點(diǎn)的處理。得到開環(huán)增益的幅頻和相頻響應(yīng)、CMRR、PSRR、共模輸入范圍、輸出電壓擺幅、壓擺率(slew rate)、建立時間、噪聲、功耗等特性。2、 采用電阻電容做miller補(bǔ)償?shù)亩夁\(yùn)算放大器設(shè)計(Razavi教材10.5節(jié);英文版Allen教材6.3節(jié))完成電路設(shè)計、電路仿真、版圖設(shè)計、版圖驗(yàn)證、版圖后仿真。詳細(xì)討論采用電阻電容做miller補(bǔ)償?shù)亩夁\(yùn)算放大器設(shè)計過程,注意與僅采用電容

27、做miller補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器的區(qū)別。得到開環(huán)增益的幅頻和相頻響應(yīng)、CMRR、PSRR、共模輸入范圍、輸出電壓擺幅、壓擺率(slew rate)、建立時間、噪聲、功耗等特性。3、 采用跟隨器和電容做miller補(bǔ)償?shù)亩夁\(yùn)算放大器設(shè)計(Razavi教材10.6節(jié);英文版Allen教材6.2節(jié))完成電路設(shè)計、電路仿真、版圖設(shè)計、版圖驗(yàn)證、版圖后仿真。詳細(xì)討論采用跟隨器和電容做miller補(bǔ)償?shù)亩夁\(yùn)算放大器設(shè)計過程,注意與其它miller補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器的區(qū)別,并且注意對slew rate的影響。得到開環(huán)增益的幅頻和相頻響應(yīng)、CMRR、PSRR、共模輸入范圍、輸出電壓擺幅、壓擺率(slew ra

28、te)、建立時間、噪聲、功耗等特性。4、 大輸入擺幅的運(yùn)算放大器設(shè)計 (Razavi教材9.7節(jié))完成電路設(shè)計、電路仿真、版圖設(shè)計、版圖驗(yàn)證、版圖后仿真。詳細(xì)討論如何得到大輸入擺幅的運(yùn)算放大器,說明設(shè)計過程,注意討論運(yùn)放增益在整個輸入CM范圍內(nèi)的變化情況。得到如開環(huán)增益的幅頻和相頻響應(yīng)、CMRR、PSRR、共模輸入范圍、輸出電壓擺幅、壓擺率(slew rate)、建立時間、噪聲、功耗、增益隨CM電壓變化情況等特性。5、 一階補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)電路設(shè)計 (Razavi教材11.3節(jié); 英文版Allen教材4.6節(jié))完成電路設(shè)計、電路仿真、版圖設(shè)計、版圖驗(yàn)證、版圖后仿真。理解一階補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)電路的工作原理。采用運(yùn)算放大器,完成一階補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)電路設(shè)計。得到帶隙基準(zhǔn)電路的溫度特性、PSR、上電等特性,同時對其中的運(yùn)算放大器的特性也進(jìn)行仿真,得到如開環(huán)增益的幅頻和相頻響應(yīng)等主要特性。6、 與溫度無關(guān)的電流基準(zhǔn)電路設(shè)計(英文版Allen教材4.6節(jié))完成電路設(shè)計、電路仿真、版圖設(shè)計、版圖驗(yàn)證、版圖后仿真。理解與溫度無關(guān)的電流基準(zhǔn)電路的工作原理。特別注意考慮電阻溫度特性和不考慮電阻溫度特性對電路性能的影響,完成一階補(bǔ)償?shù)碾娏骰鶞?zhǔn)電路設(shè)計。得到電流基準(zhǔn)電路的溫度特性、PSR、上

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