1 引言

mosfet现已成为微处理器与半导体存储器等先进集成电路(ic)中最主要的器件单元，它尺寸小、功耗低、并与数字电路的主流工艺兼容。近年来，使用mosfet的模拟ic逐渐成为主流，改变了以往主要使用双极型器件的局面。

在进行电路设计时电路模拟占有非常重要的位置。常用的电路模拟程序有cadence的spectre和pspice，synopsys的hs pice，mentor的eldo，agilent的ads等。国际上模拟电路模拟软件的事实标准是spice程序，由美国加州大学伯克莱分校首先推出。pspice则是以spice为核心的商用电路模拟工具，现为cadence的orcad工具中的一员，可用于pcb，ic/asic，pld等设计。pspice收敛性好，适于做系统及电路级模拟，可在微机上使用，应用非常广泛。

orcad pspice进行电路图的输入有两种方式：文本输入方式和图形化输入方式。在文本输入方式中，首先需要对电路的节点进行编号，然后使用pspice规定的一系列输入输出控制语句，对电路模拟的标题、电路连接方式及其元器件的名称、参数、模型等进行描述，建立起一个文本文件。显然，这种方式不直观，且对于规模较大的电路就非常麻烦。而图形化输入方式大大减少了手工输入数据量，操作简单，使用方便，可以自动查错并在此基础上生成输入用的网表，可直接调用pspice 程序进行电路模拟。目前主流的eda工具均支持图形化输入方式。

pspice提供大量的元器件库，但未提供针对模拟ic设计所需要的四端口mosfet。而在模拟ic的设计中，为了实现晶体管之间更好地隔离、减少pn结漏电流及闩锁效应等，往往要把阱和衬底之间的pn结反偏，即将n阱或n衬底接最高电位，将p衬底或p阱接最低电位。这样mosfet的体端（b）和源端（s）就不是短接的，此时的mosfet 为四端口器件，在模拟时要考虑体偏效应。另外，在模拟ic设计中用到的mosfet针对不同的生产工艺需要不同的器件模型，因此为了图形化输入电路的需要，必须创建相应的适用于pspice图形化输入的四端口mosfet模型。

2 器件模型的创建

本文建立的四端口mosfet模型的依据是mosis的tsmc 0.18μm cmos工艺条件下的spice模型及参数。它采用的是适用于数字和模拟电路设计的深亚微米bsim3v3模型。该模型对短沟道效应和高电场效应等都进行了建模，现已成为工业界的mosfet模型标准。

首先根据所给的参数，使用pspice model editor程序，利用.model 语法来定义模型。不同的mosfet取不同的模型名称，多个模型可以保存在一个模型库文件(*.lib)中。然后使用pspicemodel editor程序创建不同模型对应的元器件（part）的图形符号和模板，根据上文创建的模型库来建立元器件库。orcad内置的mosfet图形符号都是体(b)源(s)连接，对外只有栅、漏和源三个端口的三端器件，如图1(a)所示，无法直接使用。在三端口的nmos图形符号上进行修改，将体源管脚断开，添加一个体端管脚b，然后再修改pspicetemplate模版，即可创建出四端器件，其 nmos图形符号如图1(b)所示。

3 模型验证

3.1 nmos晶体管特性模拟

模拟nmos晶体管特性的电路图如图2所示，其中m1采用以上述方法创建的nmos模型。令栅压v gs=3.3v，体偏电压vbs分别为0.1v, 0.3v和0.5v时，ids随漏源电压v ds的变化如图3所示。显然，nmos管输出特性随体偏电压 vbs的变化而变化，因而不能简单地采用orcad内置的三端口 mos器件模型进行电路模拟。

3.2 在实际电路中的测试

图4是应用tsmc 0.18 cmos工艺设计的无缓冲运放（ota）电路，具有折叠共源共栅结构的自偏置的特点，其典型的mosfet尺寸如表1所示。电路中m1, m2, m6, m7的b端接vdd，而m1a, m2a, m8, m9的b端接gnd，它们在电路模拟时都要考虑体偏效应，必须采用四端口mosfet 模型。电路的输入采用了图形化输入方式，其中的mosfet模型使用本文建立的四端口模型。

图5是该电路在orcad pspice下的交流分析结果，表示其增益的幅频特性和相频特性。图6是使用相同的mosfet模型的同一个电路在sun ultraiii工作站的cadence spectre软件下模拟的结果。表2是电路在两个软件中的低频增益、单位增 益带宽和相位裕度的结果对比，两者一致。因此，使用本文建立的四端口mosfet模型做图形化输入的orcad pspice对电路的模拟的结果与在专业的eda工具下模拟具有相同的效果。