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[转贴] 如何仿真MOS电容的电压-电容曲线?

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发表于 2022-8-24 14:47:24 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 单眼皮的乖女孩 于 2022-9-5 20:05 编辑

转载——原文链接如下
如何仿真MOS电容的电压-电容曲线?
来源:IC技能搬运工
今天和大家一起学习如何仿真MOS电容的电压-电容曲线。
原理介绍
今天介绍的MOS电容仿真原理基于下面的公式,通过仿真两端口网络的阻抗值,然后间接计算出电容值。
电容的阻 抗为:
由此可以看 到,电容的阻抗值与其工作的频率有关,而且对于一个理想电容,其阻抗为一个负虚数,将上面式子变换成频率 表达式:
上式 中 为虚数符号, 为频率,如果可以得出电容在某一频率下的阻抗值,便可以根据上面的公式推算出具体的电容值。
假设在电容两端施加频率为 的小信号电压 ,电容上流过的小信号电流为 ,那么三者有如下 关系:
假设施加的小信号电压或者电 流已知,那么便可以求 得电容值:
恰巧,上面式中小信 号值可以通过ac仿真得到,于是利用上式,结合小信号仿真,便可以得出MOS电容的电压-电容曲线,这里介绍两种方法。
ac仿真分析方法
首先介绍在电容两端施加交流电压,通过ac仿真得到交流电流,然后利用公式计算出电容值,原理图如下所示。

?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2021%2F0317%2F4782893ap00qq3jwb000cd200p0007ng00id005l.jpg

左边为待仿真的MOS电容器,右边为理想电容,用来做对比验证仿真结果的正确性,电压源dc值设置为变量「VB」,ac值设置为1.

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ADE L中的设置如下,使用ac仿真,在固定频率下扫描电容的偏压「VB」,其中频率固定为 ,根据表达式可知,仿真结果中流过电容的小信号电流值在数值上与电容值相等。

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仿真结果输出如上图所示,下面的绿色曲线为理想电容,接近1pF,其中误差值来源于固定频率使用了近似数。
上面红色曲线为MOS电容的电压-电容曲线,曲线形状与课本中内容一致,该工艺下单位面积的容值约为 .
S参数仿真求阻抗
S参数仿真在模拟电路中使用的频率并不高,主要在高频电路中会用到,S参数仿真的具体内容小目同学也不甚了解,利用S参数仿真可以直接得到两端器件的阻抗信息。

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S参数的仿真电路图如上所示,需要利用analogLib库中的port器件,并设置其source type参数为dc,DC voltage设置为变量「VB」。

?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2021%2F0317%2F4ac9956fp00qq3jwc001vd200dj00fpg00id00la.jpg

按照上面内容设置完port源之后,在ADE L中选择sp仿真,在Ports一栏选择原理图中的port器件,然后在固定频率下扫描电容的偏压「VB」,其中频率固定为 .

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按照上面内容设置完仿真器之后,直接运行仿真即可,sp仿真可以直接得到port器件两端的阻抗值。

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仿真结束之后,在ADE L窗口,通过选择:Results->Direct Plot->Main Form,然后在对话框中按照下图所示选择仿真结果。

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需要注意的是sp仿真得到的是阻抗值,按照上面公式所述,由于仿真时取频率为 ,所以得到的阻抗值在数值上与电容值的倒数一样,那么对仿真结果取倒数即可得到电容值。
注意:在选择输出仿真结果时,可以选择Magnitude或者Imaginary两种(两种结果差异可以忽略),不过Imaginary结果其值为负数,这与最开始的理论也是一致的,即:对于理想电容,其阻抗为一个负虚数
下图为处理后的sp仿真结果,黄色曲线为理想电容,接近1pF,其中误 差值来源于固定频率的值使用了近似数,红色曲线为MOS电容的电压-电容曲线。

?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2021%2F0317%2Fe5cc83b4p00qq3jwe001dd200p000f0g00id00b0.jpg

细心的同学会发现以上两种方法的仿真结果略有差异,对于存在的差异小目同学暂时没有搞清楚,由于两种仿真的差异很小,所以实际工作中只需要选择其中一种方法即可。
以上两种方法不仅适用于MOS电容的电压-电容曲线仿真,而且适用于所有类型电容的电压-电容曲线仿真。

image.png
发表于 2022-9-6 21:52:33 | 显示全部楼层
有个问题:仿真一下DC参数,就能得到这个MOS管的阻抗和电容,需要这样做吗?
发表于 2022-9-7 10:26:15 | 显示全部楼层
abslutely agree.....
发表于 2022-9-7 16:02:04 | 显示全部楼层


jonkey_xu 发表于 2022-9-6 21:52
有个问题:仿真一下DC参数,就能得到这个MOS管的阻抗和电容,需要这样做吗? ...


很多设计需要知道电容的CV曲线, 例如CTLE等等, 所以有些设计非常有必要.
发表于 2023-8-24 17:40:36 | 显示全部楼层
学习了
发表于 2023-8-24 17:59:12 | 显示全部楼层
dc , sweep vgate . cap(m1) or lx(m1)  ,
vgate 不是一样能得到vgs – Cap 值吗?

发表于 2023-10-26 16:36:32 | 显示全部楼层
ac,sp仿真电容值方法,mark一下
发表于 2024-1-4 13:46:45 | 显示全部楼层


RFIC从零开始 发表于 2023-10-26 16:36
ac,sp仿真电容值方法,mark一下


你好,请问你知道calculate的公式如何输出吗?

发表于 2024-1-5 10:49:31 | 显示全部楼层


835841281 发表于 2024-1-4 13:46
你好,请问你知道calculate的公式如何输出吗?


calculate表达式的上面一行的clip右边的一个就行了
发表于 2024-1-5 17:21:28 | 显示全部楼层
学习一哈
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