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Simulando el MOSFET N

Una vez que tenemos diseñado el MOSFET-N, el siguiente paso es simularlo en spice. Desde Ubuntu/Linux instalamos ngspic mediante el comando:

sudo apt install ngspice

La versión instalada es:

obijuan@JANEL:~$ ngspice --version
******
** ngspice-42 : Circuit level simulation program
** Compiled with KLU Direct Linear Solver
** The U. C. Berkeley CAD Group
** Copyright 1985-1994, Regents of the University of California.
** Copyright 2001-2023, The ngspice team.
** Please get your ngspice manual from https://ngspice.sourceforge.io/docs.html
** Please file your bug-reports at http://ngspice.sourceforge.net/bugrep.html
** Creation Date: Sun Mar 31 20:15:14 UTC 2024
******
obijuan@JANEL:~$

Para realizar la simulación ejecutamos primero el comando extract all. Esto es lo que sale:

Este comando extrae todos los parámetros del diseño y genera el fichero mosfet_n.ext, que es un formato utilizado por magic. Este es su contenido, que se incluye aquí por curiosidad

timestamp 1787215117
version 8.3
tech sky130A
style ngspice()
scale 1000 1 500000
resistclasses 4400000 2200000 950000 3050000 120000 197000 114000 191000 120000 197000 114000 191000 48200 319800 2000000 48200 48200 12800 125 125 47 47 29 5
parameters sky130_fd_pr__nfet_01v8 l=l w=w a1=as p1=ps a2=ad p2=pd
port "DRAIN" 4 350 60 350 60 m1
port "SOURCE" 1 -110 60 -110 60 m1
port "GATE" 2 -110 180 -110 180 m1
port "VSUBS" 3 -110 -110 -110 -110 m1
node "DRAIN" 170 157.292 350 60 m1 0 0 0 0 0 0 0 0 12000 440 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 12800 480 11200 440 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
node "SOURCE" 170 108.157 -110 60 m1 0 0 0 0 0 0 0 0 12000 440 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 12800 480 11200 440 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
node "GATE" 330 310.998 -110 180 m1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 12800 660 0 0 12000 460 17600 600 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
substrate "VSUBS" 223 0 -110 -110 m1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10000 400 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 12800 480 11200 440 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
cap "DRAIN" "GATE" 9.38015
cap "GATE" "SOURCE" 71.4165
cap "DRAIN" "SOURCE" 24.8075
device msubckt sky130_fd_pr__nfet_01v8 100 0 101 1 l=40 w=120 "VSUBS" "GATE" 80 0 "SOURCE" 120 12000,440 "DRAIN" 120 12000,440

El siguiente paso es ejecutar estos comandos para convertir el fichero anterior al formato de spice.

ext2spice lvs
ext2spice

Se genera el fichero mosfet_n.spice, cuyo contenido es el siguiente:

* NGSPICE file created from mosfet_n.ext - technology: sky130A

.subckt mosfet_n SOURCE GATE VSUBS DRAIN
X0 DRAIN GATE SOURCE VSUBS sky130_fd_pr__nfet_01v8 ad=0.3 pd=2.2 as=0.3 ps=2.2 w=0.6 l=0.2
.ends

Se ha creado un subcircuito de spice que tiene como parámetros los 4 puertos que se han definido: SOURCE, DRAIN, GATE y VSUBS

Para comprobar el MOSFET N hay que hacer bancos de pruebas en spice que sitúen las tensiones correspondientes y saquen las gráficas. Vamos a realizar 2 pruebas, una para medir la corriente que atraviesa el mosfet, y la otra para sacar las familias de curvas características. En ambos circuitos hay que indicar la ruta de la libreria spice (sky130.lib.spice) para la tecnología sky130. En mi caso está instalada en el directorio /.ciel/sky130A/libs.tech/ngspice

  • test_mosfet_n.spice: Comprobación de la corriente que atraviesa el transistor
* Testbench para simular el transistor NMOS
.include "mosfet_n.spice"

* Ruta al modelo del PDK Sky130
.lib "/home/obijuan/.ciel/sky130A/libs.tech/ngspice/sky130.lib.spice" tt

* ----------------------------------------------------------
* -- Instanciar el MOSFET N
* -- El orden de los parametros debe ser el mismo indicado
* -- en el fichero mosfet_n.spice
* -----------------------------------------------------------
X1  SOURCE  GATE  VSUBS DRAIN  mosfet_n

* Tensiones aplicadas al transistor
Vss SOURCE 0 DC 0V
Vds DRAIN  0 DC 1.8V
Vgs GATE   0 DC 0V
Vsub VSUBS 0 DC 0V

* Variar Vgs desde 0V hasta 1.8V en pasos de 10mV
.dc Vgs 0 1.8 0.01

.control
run
* Mostrar la gráfica de la corriente que circula por el 
* transistor en funcion de la tension que llega por la puerta
plot -i(Vds)
.endc

.end

Hay que ejecutar el comando ngspice test_mosfet_n.spice

obijuan@JANEL:~/Develop/Learn-open-silicon/wiki/Log/examples/mosfet_n$ ngspice test_mosfet_n.spice 
******
** ngspice-42 : Circuit level simulation program
** Compiled with KLU Direct Linear Solver
** The U. C. Berkeley CAD Group
** Copyright 1985-1994, Regents of the University of California.
** Copyright 2001-2023, The ngspice team.
** Please get your ngspice manual from https://ngspice.sourceforge.io/docs.html
** Please file your bug-reports at http://ngspice.sourceforge.net/bugrep.html
** Creation Date: Sun Mar 31 20:15:14 UTC 2024
******

Note: No compatibility mode selected!


Circuit: * testbench para simular el transistor nmos

Doing analysis at TEMP = 27.000000 and TNOM = 27.000000

Using SPARSE 1.3 as Direct Linear Solver
 Reference value :  0.00000e+00
No. of Data Rows : 181
ngspice 1 ->

Esta es la gráfica que aparece:

  • test_mosfet_n2.spice: Familia de curvas I-V
* Testbench para obtener la familia de curvas I-V (Id vs Vds) para varios Vgs
.include "mosfet_n.spice"

* Ruta al PDK de Sky130
.lib "/home/obijuan/.ciel/sky130A/libs.tech/ngspice/sky130.lib.spice" tt

* ----------------------------------------------------------
* -- Instanciar el MOSFET N
* -- El orden de los parametros debe ser el mismo indicado
* -- en el fichero mosfet_n.spice
* -----------------------------------------------------------
X1  SOURCE  GATE  VSUBS DRAIN  mosfet_n

* Tensiones aplicadas al transistor
Vss  SOURCE 0 DC 0V
Vds  DRAIN  0 DC 0V
Vgs  GATE   0 DC 0V
Vsub VSUBS 0 DC 0V

* Barrido anidado DC:
* 1. Barrido principal: Variar Vds de 0V a 1.8V (pasos de 10mV)
* 2. Barrido secundario: Variar Vgs de 0.6V a 1.8V en pasos de 0.3V
.dc Vds 0 1.8 0.01 Vgs 0.6 1.8 0.3

.control
run
* Dibujar la corriente de drenador para cada curva de Vgs
plot -i(Vds) xlabel "Vds [V]" ylabel "Id [A]" title "Familia de Curvas Id vs Vds (Parametrizado por Vgs)"
.endc

.end

Hay que ejecutar el comando ngspice test_mosfet_n2.spice

obijuan@JANEL:~/Develop/Learn-open-silicon/wiki/Log/examples/mosfet_n$ ngspice test_mosfet_n2.spice 
******
** ngspice-42 : Circuit level simulation program
** Compiled with KLU Direct Linear Solver
** The U. C. Berkeley CAD Group
** Copyright 1985-1994, Regents of the University of California.
** Copyright 2001-2023, The ngspice team.
** Please get your ngspice manual from https://ngspice.sourceforge.io/docs.html
** Please file your bug-reports at http://ngspice.sourceforge.net/bugrep.html
** Creation Date: Sun Mar 31 20:15:14 UTC 2024
******

Note: No compatibility mode selected!


Circuit: * testbench para obtener la familia de curvas i-v (id vs vds) para varios vgs

Doing analysis at TEMP = 27.000000 and TNOM = 27.000000

Using SPARSE 1.3 as Direct Linear Solver
 Reference value :  0.00000e+00
No. of Data Rows : 905
ngspice 1 ->

Esta es la gráfica que aparece:

¡¡El transistor está FUNCIONANDO!!!