【摘要】：基于这些学习内容，本节主要以一个低压差线性稳压器为例，介绍利用Spectre进行CMOS模拟集成电路设计的流程和方法。低压差线性稳压器作为基本供电模块，在模拟集成电路中具有非常重要的作用。因此LDO作为线性稳压器件，经常用于对性能要求比较高的系统中。图2.37 设置“stb”仿真参数图
Cadence Spectre是一个图形化的模拟集成电路设计工具，在上一节中我们介绍了Spectre环境下各个设计窗口的基本功能和菜单选项。基于这些学习内容，本节主要以一个低压差线性稳压器（Low-DropOut regulator，LDO）为例，介绍利用Spectre进行CMOS模拟集成电路设计的流程和方法。
低压差线性稳压器作为基本供电模块，在模拟集成电路中具有非常重要的作用。电路输出负载变化、电源电压本身的波动对集成电路系统性能的影响非常大。因此LDO作为线性稳压器件，经常用于对性能要求比较高的系统中。
进行仿真的LDO电路如图2.26所示，主要分为4个部分，从左至右依次为误差放大器、缓冲器、反馈和补偿网络和调整晶体管。LDO电路设计时采用0.13μm CMOS工艺，电源电压Vdd为3.3V，输出端Vout产生3V电压。仿真内容包括稳定性仿真和电源抑制比仿真两部分。
确定设计使用的工艺和电路目标后，就可以进行电路设计和仿真了。
1）在命令行输入“icfb&”，运行Cadence Spectre，弹出命令行窗口，如图2.27所示。
图2.26 采用的LDO电路图
图2.27 弹出命令行窗口
图2.28 建立设计库并关联至工艺库文件
2）接着建立设计库，在命令行窗口的工具栏中选择File→New→Library命令，弹出“New Library”对话框，如图2.28所示，输入“LDO_EDA”，并选择“At-tach to an existing techfile”，单击“OK”按钮；在弹出的“Attach Design Library To Technology File”对话框中，选择并关联至SMIC13工艺库文件。
3）选择File→New→Cell-view命令，弹出“Creat New File”对话框，输入“LDO EDA”，如图2.29所示，单击“OK”按钮，此时原理图设计窗口自动打开。
图2.29 建立原理图单元
4）在电路图编辑器窗口中，选择左侧工具栏中的“Instance”从工艺库“simc13mmrf”中调用NMOS n33、PMOS p33、电 容“MIM”和电阻“rhrpo”，按键盘“Q”键在属性对话框为各个元件设置宽长比，再选择“Pin”和“Wire（narrow）”按键将元件连接起来，如图2.30所示，建立LDO电路。为了方便地进行稳定性仿真，我们先将LDO的反馈回路断开，分别设置为节点fb和outfb。在实际工作的电路中，这两个节点需要连接起来才能保证LDO正常工作。
图2.30 LDO电路
5）为方便对运放进行调用，还需要为LDO建立一个Symbol，从工具栏中选择Design→Create Cellview→From Cellview命令，弹出“Cellview From Cellview”对话框，单击“OK”按钮，如图2.31所示；跳出“Symbol Generation Options”对话框如图2.32所示，在各栏中分配端口后，单击“OK”按钮，完成Symbol的建立，如图2.33所示。这样就完成了LDO的电路图建立，下面就可以调用该电路进行相应的电路仿真。
图2.31 建立“Symbol”
图2.32 分配“Symbol”端口
1.稳定性仿真
对LDO进行稳定性仿真，就是对LDO进行相位裕度的仿真，通常要保证LDO具有60°以上的相位裕度，才能保证其具有稳定的工作状态。
1）首先我们需要为LDO建立一个稳定性仿真电路，在命令行窗口工具栏中选择File→New→Cellview命令，弹出“Creat NewFile”对话框，输入“LDOstb test”，单击“OK”按钮，此时原理图设计窗口自动打开。选择左侧工具栏中的“Instance”“Pin”和“Wire（narrow）”建立LDO稳定性仿真电路如图2.34所示。其中理想电压源vdc和电容cap（10nF）来自analogLib库。在原理图中选中理想电压源vdc，按“Q”键，设置理想电压源“vdc”为交流小信号，在“AC magni-tude”栏中输入幅度为“1”，在“AC phase”栏中输入相位为“0”，直流电压“DC voltage”幅度为“0V”，如图2.35所示。
图2.33 LDO“Symbol”图
图2.34 LDO稳定性仿真电路
2）在完成电路原理图设计后，在原理图工具栏中选择“Check and Save”对电路进行检查和保存，再选择Tools→Analog Environment命令，弹出“Analog De-sign Environment”对话框，在工具栏中选择Setup→Stimuli为该测试电路设置输入激励，设置电源电压“vdda”为3.3V，地“gnda”为“0”，参考电压“vrefout”为“1.27V”，偏置电流“Idc2u”为“-2uA”，其中负号表示电流是从电源流向节点。之后在工具栏中选择Setup→Model Librarise，设置工艺库模型信息和工艺角，如图2.36所示。
图2.35 设置理想电压源“vdc”
图2.36 设置工艺库模型信息和工艺角
3）选择Analyses→Choose命令，弹出对话框，选择“stb”进行稳定性仿真，在“Start”和“Stop”栏中分别输入ac扫描开始频率“1”和结束频率“20M”，在“Sweep Type”中选择默认的“Automatic”，在“Probe Instance”单击“Select”按钮，在原理图中选择理想电压源vdc，如图2.37所示，单击“OK”按钮，完成设置。
4）选择Stimulation→Netlist and Run命令，开始仿真。仿真结束后，选择Re-sults→Direct Plot→Main Form命令，弹出对话框如图2.38所示，在对话框中选择“Phase Margin”，stb仿真结果显示如图2.39所示，可见相位裕度为94.5558°（负号可以忽略），满足大于60°的要求。这样就完成了LDO的稳定性仿真。
图2.37 设置“stb”仿真参数
图2.38 “stb”仿真结果查看对话框
2.电源抑制比仿真
1）为了进行LDO的电源抑制比仿真，首先在命令行窗口工具栏选择File→New→Cellview命令，弹出“Creat New File”对话框，输入“LDOpsrrtest”，单击“OK”按钮，此时原理图设计窗口自动打开。选择左侧工具栏中的“Instance”“Pin”和“Wire（narrow）”，建立LDO的电源抑制比仿真电路如图2.40所示。其中要将fb和outfb两个端口相连。
2）建立好电路图后，在原理图窗口中，选择Tools→Analog Environment命令，弹出“Analog Design Environment”对话框，在工具栏中选择Setup→Stimuli，为该测试电路设置输入激励，设置电源电压“vdda”为交流小信号，在“AC magni-tude”栏中输入幅度为“1”，在“AC phase”栏中输入相位为“0”，直流电压“DC voltage”为3.3V，如图2.41所示。再设置地“gnda”为“0”，参考电压“vrefout”为“1.27V”，偏置电流“Idc2u为“-2uA”。之后在工具栏中选择Setup→Model Librarise，设置工艺库模型信息和工艺角。
图2.39 稳定性仿真结果
图2.40 LDO电源抑制比仿真电路
3）选择Analyses→Choose命令，弹出对话框，选择“ac”进行交流小信号仿真，在“Start”和“Stop”栏中分别输入ac扫描开始频率“1”和结束频率“100M”，在“Sweep Type”中选择默认的“Automatic”，如图2.42所示，单击“OK”按钮，完成设置。
图2.41 设置电源电压为交流小信号源
图2.42 设置交流小信号仿真
4）选择Stimulation→Netlist and Run命令，开始仿真。仿真结束后，选择Re-sults→Direct Plot→Main Form命令，弹出对话框，选择“dB20”选项，显示箭头单击输出端“out”的连线，在仿真结果输出框中，选择Marker→Place→Trace Marker命令，可以对输出波形进行标注，如图2.43所示。可见LDO在98.99kHz时的电源抑制比为-88.81dB，这样就完成了LDO的电源抑制比仿真流程。
图2.43 标注后的电源抑制比仿真结果
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