octave_packages/ocs-0.1.3/sbn/Mshichmanhodgesmosfet.m

   1 ## Copyright (C) 2006-2009  Carlo de Falco, Massimiliano Culpo
   2 ##
   3 ## This file is part of:
   4 ## OCS - A Circuit Simulator for Octave
   5 ##
   6 ## OCS is free software; you can redistribute it and/or modify
   7 ## it under the terms of the GNU General Public License as published by
   8 ## the Free Software Foundation.
   9 ##
  10 ## This program is distributed in the hope that it will be useful,
  11 ## but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  12 ## MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  13 ## GNU General Public License for more details.
  14 ##
  15 ## You should have received a copy of the GNU General Public License
  16 ## along with this program (see the file LICENSE); if not,
  17 ## see <http://www.gnu.org/licenses/>.
  18 ##
  19 ## author: Carlo de Falco <cdf _AT_ users.sourceforge.net>, culpo@math.uni-wuppertal.de
  20
  21 ## -*- texinfo -*-
  22 ##
  23 ## @deftypefn{Function File} @
  24 ## {[@var{a},@var{b},@var{c}]=} Mshichmanhodgesmosfet(@var{string},@var{parameters},@
  25 ## @var{parameternames},@var{extvar},@var{intvar},@var{t})
  26 ##
  27 ## SBN file implementing Schichman-Hodges MOSFETs model.
  28 ##
  29 ## @var{string} is used to select among models. Possible models are:
  30 ##
  31 ## @enumerate
  32 ## @item @var{string} = "NMOS" (Schichman-Hodges n-MOSFET)
  33 ## @item @var{string} = "PMOS" (Schichman-Hodges p-MOSFET)
  34 ## @end enumerate
  35 ##
  36 ## Parameters for all the above models are:
  37 ## @itemize
  38 ## @item rd     -> parasitic resistance between drain and source
  39 ## @item W      -> MOSFET width
  40 ## @item L      -> channel length
  41 ## @item mu0    -> reference value for mobility
  42 ## @item Vth    -> threshold voltage
  43 ## @item Cox    -> oxide capacitance
  44 ## @item Cgs    -> gate-source capacitance
  45 ## @item Cgd    -> gate-drain capacitance
  46 ## @item Cgb    -> gate-bulk capacitance
  47 ## @item Csb    -> source-bulk capacitance
  48 ## @item Cdb    -> drain-bulk capacitance
  49 ## @item Tshift -> shift for reference temperature on MOSFETs (default 0)
  50 ## @end itemize
  51 ##
  52 ## See the @cite{IFF file format specifications} for details about
  53 ## the output structures.
  54 ##
  55 ## @seealso{prs_iff,asm_initialize_system,asm_build_system}
  56 ## @end deftypefn
  57
  58 function [a,b,c]= Mshichmanhodgesmosfet (string,parameters,parameternames,extvar,intvar,t)
  59
  60   if isempty(intvar)
  61     ## If intvar is empty, then we are initializing the system
  62     ## and there is no need of a matrix evaluation
  63     a = sparse(10,10);
  64     b = [];
  65     c = [];
  66   else
  67     ## If intvar is NOT empty, then we are evaluating the
  68     ## element stamp
  69     switch string
  70       case "NMOS"
  71
  72         rd   = 1e6;
  73         W    = 1;
  74         L    = 1;
  75         mu0  = 1e-5;
  76         Vth  = .5;
  77         Cox  = 1e-9;
  78         Cgb  = Cox;
  79         Cgs=Cgd=Csb=Cdb=.1*Cox;
  80         Tshift = 0;
  81
  82         for ii=1:length(parameternames)
  83           eval([parameternames{ii} "=",...
  84                 num2str(parameters(ii)) " ;"])
  85         endfor
  86
  87         [gm,gd,ids,didT,P,dPdT,dPdvgs,dPdvds] = \
  88             nmos(extvar,mu0,Cox,W,L,Vth,rd,Tshift);
  89
  90         vg   = extvar(1);
  91         vs   = extvar(2);
  92         vd   = extvar(3);
  93         vb   = extvar(4);
  94         T    = max(extvar(5),0);
  95
  96         if isempty(intvar)
  97           intvar = zeros(5,1);
  98         endif
  99
 100         Qgb  = intvar(1);
 101         Qgs  = intvar(2);
 102         Qgd  = intvar(3);
 103         Qsb  = intvar(4);
 104         Qdb  = intvar(5);
 105
 106         a11 = a21 = a22 = zeros(5,5);
 107         a12 = [ 1  1  1  0  0; \
 108                0 -1  0  1  0; \
 109                0  0 -1  0  1; \
 110                -1  0  0 -1 -1; \
 111                0  0  0  0  0];
 112
 113         a   = [a11 a12; a21 a22];
 114
 115         b11 = [0        0                0      0     0; \
 116                -gm      (gm+gd)         -gd     0 -didT; \
 117                gm      -(gm+gd)          gd     0  didT; \
 118                0        0                0      0     0; \
 119                dPdvgs  -(dPdvgs+dPdvds)  dPdvds 0  dPdT];
 120
 121         b12 = zeros(5,5);
 122
 123         b21 = [Cgb  0        0   -Cgb  0; \
 124                Cgs -Cgs      0    0    0; \
 125                Cgd  0       -Cgd  0    0; \
 126                0    Csb      0   -Csb  0; \
 127                0    0        Cdb -Cdb  0];
 128         b22 = -eye(5);
 129
 130         b   = [b11 b12; b21 b22];
 131
 132
 133         c1 = [0; -ids; ids; 0; P];
 134
 135         c2 = [Cgb*(vg - vb) - Qgb;\
 136               Cgs*(vg - vs) - Qgs;\
 137               Cgd*(vg - vd) - Qgd;\
 138               Csb*(vs - vb) - Qsb;\
 139               Cdb*(vd - vb) - Qdb];
 140
 141         c = [c1;c2];
 142
 143
 144         break;
 145
 146       case "PMOS"
 147
 148         rd   = 1e6;
 149         W    = 1;
 150         L    = 1;
 151         mu0  = 1e-5;
 152         Vth  = -.5;
 153         Cox  = 1e-9;
 154         Cgb=Cox;
 155         Cgs=Cgd=Csb=Cdb=.1*Cox;
 156         Tshift = 0;
 157
 158         for ii=1:length(parameternames)
 159           eval([parameternames{ii} "=",...
 160                 num2str(parameters(ii)) " ;"])
 161         endfor
 162
 163         [gm,gd,ids,didT,P,dPdT,dPdvgs,dPdvds] = \
 164             pmos(extvar,mu0,Cox,W,L,Vth,rd,Tshift);
 165
 166
 167         vg   = extvar(1);
 168         vs   = extvar(2);
 169         vd   = extvar(3);
 170         vb   = extvar(4);
 171         T    = extvar(5);
 172
 173         if isempty(intvar)
 174           intvar = zeros(5,1);
 175         endif
 176
 177         Qgb  = intvar(1);
 178         Qgs  = intvar(2);
 179         Qgd  = intvar(3);
 180         Qsb  = intvar(4);
 181         Qdb  = intvar(5);
 182
 183         a11 = a21 = a22 = zeros(5,5);
 184         a12 = [ 1  1  1  0  0; \
 185                0 -1  0  1  0; \
 186                0  0 -1  0  1; \
 187                -1  0  0 -1 -1; \
 188                0  0  0  0  0];
 189
 190         a   = [a11 a12; a21 a22];
 191
 192         b11 = [0        0                0      0     0; \
 193                -gm      (gm+gd)         -gd     0 -didT; \
 194                gm      -(gm+gd)          gd     0  didT; \
 195                0        0                0      0     0; \
 196                dPdvgs  -(dPdvgs+dPdvds)  dPdvds 0  dPdT];
 197
 198         b12 = zeros(5,5);
 199
 200         b21 = [Cgb  0        0   -Cgb  0; \
 201                Cgs -Cgs      0    0    0; \
 202                Cgd  0       -Cgd  0    0; \
 203                0    Csb      0   -Csb  0; \
 204                0    0        Cdb -Cdb  0];
 205
 206         b22 = -eye(5);
 207
 208         b   = [b11 b12; b21 b22];
 209
 210
 211         c1 = [0; -ids; ids; 0; P];
 212
 213         c2 = [Cgb*(vg - vb) - Qgb;\
 214               Cgs*(vg - vs) - Qgs;\
 215               Cgd*(vg - vd) - Qgd;\
 216               Csb*(vs - vb) - Qsb;\
 217               Cdb*(vd - vb) - Qdb];
 218
 219         c = [c1;c2];
 220
 221         break;
 222
 223       otherwise
 224         error(["unknown option:" string]);
 225     endswitch
 226   endif
 227
 228 endfunction
 229
 230 function [gm,gd,ids,didT,P,dPdT,dPdvgs,dPdvds] = nmos(extvar,mu0,Cox,W,L,Vth,rd,Tshift)
 231   ##Computes values for nmos case
 232
 233   vg   = extvar(1);
 234   vs   = extvar(2);
 235   vd   = extvar(3);
 236   vb   = extvar(4);
 237   T    = max(extvar(5),0);
 238
 239   k    = mu0*Cox*((T + Tshift)/300)^(-3/2)*W/L;
 240   dkdT = mu0*Cox*W*(-3/2)*((T + Tshift)/300)^(-5/2)*(1/300)/L;
 241
 242   vgs  = vg-vs;
 243   vds  = vd-vs;
 244
 245   if (vgs < Vth)
 246
 247     gm  = 0;
 248     gd  = 1/rd;
 249     ids = vds*gd;
 250     didT= 0;
 251
 252   elseif (((vgs-Vth) >= (vds)) && (vds >= 0))
 253
 254     ids = k*((vgs-Vth)*vds-(vds^2)/2)+vds/rd;
 255     gm  = k*vds;
 256     gd  = k*(vgs-Vth-vds) + 1/rd;
 257     didT= dkdT*((vgs-Vth)*vds-(vds^2)/2);
 258
 259   elseif (((vgs-Vth) >= (vds)) && (vds < 0))
 260
 261     gm  = 0;
 262     gd  = 1/rd;
 263     ids = vds*gd;
 264     didT= 0;
 265
 266   else # (i.e. if 0 <= vgs-vth <= vds)
 267
 268     ids = (k/2)*(vgs-Vth)^2+vds/rd;
 269     gm  = k*(vgs-Vth);
 270     gd  = 1/rd;
 271     didT= (dkdT/(2))*(vgs-Vth)^2;
 272
 273   endif
 274
 275   P       = -ids * vds;
 276   dPdT    = -didT* vds;
 277   dPdvgs  = -(gm*vds);
 278   dPdvds  = -(gd*vds + ids);
 279
 280 endfunction
 281
 282 function [gm,gd,ids,didT,P,dPdT,dPdvgs,dPdvds] = pmos(extvar,mu0,Cox,W,L,Vth,rd,Tshift)
 283   ##Computes values for pmos case
 284
 285   vg   = extvar(1);
 286   vs   = extvar(2);
 287   vd   = extvar(3);
 288   vb   = extvar(4);
 289   T    = extvar(5);
 290
 291   k    = - mu0 * Cox * ((T + Tshift)/300)^(-3/2) *W/L;
 292   dkdT = - mu0 * Cox * W *(-3/2)*((T + Tshift)/300)^(-5/2)*(1/300)/L;
 293
 294   vgs  = vg-vs;
 295   vds  = vd-vs;
 296
 297   if (vgs > Vth)
 298
 299     gm  = 0;
 300     gd  = 1/rd;
 301     ids = vds*gd;
 302     didT= 0;
 303
 304   elseif (((vgs-Vth) <= (vds)) && (vds <= 0))
 305
 306     ids = k*((vgs-Vth)*vds-(vds^2)/2)+vds/rd;
 307     gm  = k*vds;
 308     gd  = k*(vgs-Vth-vds)+1/rd;
 309     didT= dkdT*((vgs-Vth)*vds-(vds^2)/2);
 310
 311   elseif (((vgs-Vth) <= (vds)) && (vds > 0))
 312
 313     gm  = 0;
 314     gd  = 1/rd;
 315     ids = vds*gd;
 316     didT= 0;
 317
 318   else
 319
 320     ids = (k/2)*(vgs-Vth)^2+vds/rd;
 321     gm  = k*(vgs-Vth);
 322     gd  = 1/rd;
 323     didT= (dkdT/(2))*(vgs-Vth)^2;
 324
 325   endif
 326
 327   P    = -ids * vds;
 328   dPdT = -didT* vds;
 329   dPdvgs  = -(gm*vds);
 330   dPdvds  = -(gd*vds + ids);
 331
 332 endfunction