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。

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.

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。

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。

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」。

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 .

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。

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。

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。

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。