gmId学习

绘制出MOS管的gmId的相关曲线

  1. 搭建原理图
    以NMOS为例,将Vdc设置为VDD/2,也就是0.6V,MOS管的栅极电压设置为变量VGS,MOS管的长度设置为变量L
    在这里插入图片描述
  2. 设置 ADE
    添加变量,设置变量值L为200n,VGS为300mV
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    设置DC仿真,如下所示
    在这里插入图片描述
    运行之后,可以从Results——Annotate——DC Operating Points查看直流工作状态,
    在这里插入图片描述
    从Results——Print——DC Operating Points显示所有参数,
    从Tools——Results Browser查看器件参数值:
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    以上看到的均是在VGS=300mV,L=200n下的参数
  3. 绘制VGS在不同电压时MOS管的参数
    在工作路径下新建一个scs文件,例如save.scs,在该文件中写入:save 器件名:all
    在这里插入图片描述
    在ADE中添加该文件:
    在这里插入图片描述在这里插入图片描述
    重新仿真,即可保留所有的直流工作参数。
    在Tools——Results Browser中可以看到:
    在这里插入图片描述
  4. 设置需要输出的变量
    1> 建立gmid的值:
    在这里插入图片描述
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    在打开的计算器中选择:
    在这里插入图片描述
    选择需要的数据NM0:gmoverid,右键——Calculator调入到Setting Outputs里边
    在这里插入图片描述
    在Setting Outputs对话框里选择“Get Expression”,点击OK,实现gmid的添加:
    在这里插入图片描述
    2> 添加截止频率ft的表达式 ft=gm/(cgg*2pi)
    先清除计算器的表达式
    在这里插入图片描述
    先选中gm,右键——calculator,在选中cgg——右键——calculator,此时计算器里显示的是cgg,先让cgg乘以2Π,也就是6.28:
    在这里插入图片描述

再用鼠标点击“/”,就变成了gm/(6.28*cgg):
在这里插入图片描述
同样在Setting Outputs里点击“Get Expression”,然后点击“Add”,完成ft的添加:
在这里插入图片描述
3> 添加本征增益gmro
表达式为gm/gds,添加步骤同上
4> 同理,添加电流密度IdoverW=Id/W
注意,W在“instance——NM0”里边
在这里插入图片描述
此时ADE的output里会出现自己定义的四个参数:
在这里插入图片描述
5. 绘制ft随gmid变化的曲线
1> 先单独plot出gmid和ft的曲线:
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
2> 修改横纵坐标,使得gmid为横坐标:右击横坐标,选择“Y vs Y”,选择gmid为横坐标,得到ft随gmid变化的曲线:
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
同理得到gmro随gmid的变化曲线,IdoverW随gmid的变化曲线,以上得到的只是L为固定值时的曲线
6. 绘制L变化时的曲线
打开参数扫描,设置L为变量
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将其保存在ocean脚本中:
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将名称修改为gmid.ocn,点击ok:
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将脚本进行更改:把自带的四个plot删除掉
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添加以下语句:
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保存:Shift+:,wq!,回车:
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在CIW里输入load(“gmid.ocn”),回车运行:
在这里插入图片描述
即可得到想要的曲线:
在这里插入图片描述

在电子工程领域,特别是模拟电路设计中,GMID(通常指的是 $ gm/ID $ 或者 $ g_{m}/I_{D} $)是一个重要的参数,用于描述晶体管(如MOSFET)的增益效率。它代表了晶体管跨导 $ gm $ 与其漏极电流 $ I_{D} $ 的比值,是衡量晶体管在特定偏置条件下增益能力的一个关键指标[^2]。 ### GMID 的意义 - **跨导与电流的比值**:$ gm/ID $ 表示了单位漏极电流下晶体管的跨导能力。跨导 $ gm $ 是晶体管在小信号模型中的一个重要参数,反映了栅极电压变化对漏极电流的影响程度。 - **工作区域的判断**:通过分析 $ gm/ID $ 的值,可以判断MOSFET的工作区域(例如线性区、饱和区)。不同工作区域中,$ gm/ID $ 的行为会有所不同,这有助于设计者优化电路性能[^2]。 - **设计指导**:在模拟电路设计中,$ gm/ID $ 曲线常用于指导晶体管尺寸的选择和偏置点的设定,以达到最佳的增益、带宽和功耗平衡。 ### GMID 的应用 - **电路优化**:$ gm/ID $ 可以作为电路优化的一个参考指标,特别是在低功耗设计中,较高的 $ gm/ID $ 值意味着在较小的漏极电流下仍能保持较高的增益。 - **参数扫描与仿真**:在EDA工具中(如Cadence Virtuoso),可以通过参数扫描(如改变晶体管的长度 $ L $ 或宽度 $ W $)来研究 $ gm/ID $ 随这些参数变化的趋势,从而选择最优的设计方案[^1]。 ### GMID 的计算 在MOSFET的BSIM3V3模型中,$ gm/ID $ 的计算通常涉及以下步骤: 1. **提取跨导 $ gm $**:跨导 $ gm $ 是指栅极电压变化引起的漏极电流变化率,即 $ gm = \frac{\partial I_D}{\partial V_{GS}} $。 2. **提取漏极电流 $ I_D $**:漏极电流 $ I_D $ 是MOSFET在特定偏置条件下的工作电流。 3. **计算 $ gm/ID $**:将 $ gm $ 除以 $ I_D $,得到 $ gm/ID $ 的值。 ### GMID 曲线分析 在实际仿真中,$ gm/ID $ 曲线可以帮助设计者理解晶体管在不同偏置条件下的行为。例如: - **线性区**:当 $ V_{DS} $ 较小时,晶体管处于线性区,此时 $ gm/ID $ 值较低。 - **饱和区**:当 $ V_{DS} $ 较大时,晶体管进入饱和区,此时 $ gm/ID $ 值较高且趋于稳定。 ### 示例代码 以下是一个简单的Python代码示例,用于绘制 $ gm/ID $ 曲线: ```python import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt # 模拟数据 VGS = np.linspace(0.5, 2.0, 100) # 栅极电压范围 ID = 1e-3 * (VGS - 0.7)**2 # 漏极电流(简化模型) gm = 2 * 1e-3 * (VGS - 0.7) # 跨导(简化模型) # 计算 gm/ID gm_over_ID = gm / ID # 绘制 gm/ID 曲线 plt.figure(figsize=(8, 6)) plt.plot(VGS, gm_over_ID, label='gm/ID') plt.xlabel('栅极电压 $ V_{GS} $ (V)') plt.ylabel('gm/ID') plt.title('gm/ID 随栅极电压变化的曲线') plt.legend() plt.grid(True) plt.show() ``` ### 相关问题 1. 如何在Cadence Virtuoso中添加 $ gm/ID $ 表达式并绘制其随 $ gmid $ 变化的曲线? 2. $ gm/ID $ 曲线在MOSFET工作区域判断中的作用是什么? 3. 如何通过参数扫描研究 $ gm/ID $ 随晶体管长度 $ L $ 和宽度 $ W $ 的变化趋势? 4. 在低功耗模拟电路设计中,$ gm/ID $ 指标如何影响电路性能? 5. BSIM3V3模型中 $ gm/ID $ 的计算公式及其物理意义是什么?
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