VLSI_6_HSPICE

集成电路设计原理 HSPICEMOS建模与仿真 李小进华东师范大学信息学院电子系 2020 4 21 2 CMOSDigitalIntegratedCircuits 3rdEdition CreatedbyUniversityofPennsylvanianrevisedandreferredbyECNU 课程内容和学习目的 内容SPICE技术介绍Star HSPICE仿真MOS管电流 电压方程SPICE网表SPICE工具使用介绍Star HSPICE仿真反相器目的 了解SPICE电路仿真技术 掌握SPICE基本电路设计方法 2020 4 21 3 CMOSDigitalIntegratedCircuits 3rdEdition CreatedbyUniversityofPennsylvanianrevisedandreferredbyECNU SPICE技术介绍 UCBerkely于20世纪70年代末期推出 SPICE是一种通用的电路仿真工具 是电路设计必不可少地计算机辅助设计工具 在微电子工业和教学机构中应用非常广泛 如今SPICE已经成为电路仿真的实际标准 LEVEL3支持 2um器件BSIM3支持深亚微米器件众多知名的Foundry厂商提供SPICE模型众多的fablessDesignHouse均采用SPICE来进行电路设计 2020 4 21 4 CMOSDigitalIntegratedCircuits 3rdEdition CreatedbyUniversityofPennsylvanianrevisedandreferredbyECNU HSPICE简介 Hspice是一个电路模拟仿真软件 在给定电路结构和元器件参数的条件下 它可以模拟和计算电路的各种性能 特点 给定电路的结构 电路网表netlist 和元器件参数 以及指定元器件的参数库 确定分析电路特性所需的分析内容和分析类型 即加入激励源和设置分析类型 可灵活地定义电路的输出信息和变量 2020 4 21 5 CMOSDigitalIntegratedCircuits 3rdEdition CreatedbyUniversityofPennsylvanianrevisedandreferredbyECNU 实例 MOSI V曲线仿真 MOSIV PROT OPTIONSLISTNODEPOST TRAN200P20N dcvds03 30 1vgs03 30 5 PrintV vgs i1 m1 M1dg00nchw 5UL 3UAS 37 5pps 25uAD 94 5PPD 43uvgsg0vdsd0 ModelnchNMOS VTO 0 85KP 45ULAMBDA 0 05GAMMA 0 32 PHI 0 58PB 0 878CJ 9 7E 5 CJSW 3 56E 10CGSO 2 87E 10CGDO 2 87E 10MJ 0 5MJSW 0 5 END 使用Star HSPICE仿真 采用LEVEL1模型仿真 2 1 参数定义参见P110 表4 1 2020 4 21 6 CMOSDigitalIntegratedCircuits 3rdEdition CreatedbyUniversityofPennsylvanianrevisedandreferredbyECNU Hspice输入文件的语句和格式 Hspice输入文件的组成 电路标题语句电路描述语句分析类型描述语句输出描述语句注释语句结束语句等六部分构成 2020 4 21 7 CMOSDigitalIntegratedCircuits 3rdEdition CreatedbyUniversityofPennsylvanianrevisedandreferredbyECNU 网表组成 标题 电路描述 1电路的标题语句电路的标题语句是输入文件的第一行 必须设置 它是由任意字母和字符串组成的说明语句 2020 4 21 8 CMOSDigitalIntegratedCircuits 3rdEdition CreatedbyUniversityofPennsylvanianrevisedandreferredbyECNU 电路描述语句 电路描述语句组成 定义电路网络拓扑结构元器件参数描述语句模型描述语句电源 信号源语句等组成所处位置 可以在标题语句和结束语句之间的任何地方 电路元器件命名规则 电路元器件名称必须以规定的字母开头 其后可以是任意数字或字母 电阻 电容 电感等无源元件描述方式如下 R11210k 表示节点1与2间有电阻R1 阻值为10k欧 C1121pf 表示节点1与2间有电容C1 电容值为1pf L1121mh 表示节点1与2间有电感L1 电感值为1mh 2020 4 21 9 CMOSDigitalIntegratedCircuits 3rdEdition CreatedbyUniversityofPennsylvanianrevisedandreferredbyECNU 电路描述 二极管描述DXXXXN N MNAMED为元件名称N 和N 分别为二极管的正负节点MNAME是模型名可选项 AREA是面积OFF 直流分析所加的初始条件IC VD 瞬态分析的初始条件 双极型晶体管QXXXXNCNBNEMNAMEQ为元件名称NCNBNE 集电极 基极 发射极和衬底的节点 缺省时 NS接地 后面可选项与二极管的意义相同 IC表初始条件 可选条件 2020 4 21 10 CMOSDigitalIntegratedCircuits 3rdEdition CreatedbyUniversityofPennsylvanianrevisedandreferredbyECNU 电路描述 结型场效应晶体管JXXXXNDNGNSMNAMEJ为元件名称NDNGNS为漏 栅 源的节点MNAME是模型名后面为可选项与二极管的意义相同 MOS场效应晶体管MXXXXNDNGNSNBMNAMEM为元件名称ND NG NS NB分别是漏 栅 源和衬底节点MNAME是模型名L沟道长 M为沟道宽 2020 4 21 11 CMOSDigitalIntegratedCircuits 3rdEdition CreatedbyUniversityofPennsylvanianrevisedandreferredbyECNU 元器件模型 元器件模型语句用来定义其精确的参数值模型语句特点 以 开头的点语句由关键字 MODEL模型名称模型类型一组参数组成 其它 电阻 电容 二极管 MOS管 双极管都可设置模型语句 2020 4 21 12 CMOSDigitalIntegratedCircuits 3rdEdition CreatedbyUniversityofPennsylvanianrevisedandreferredbyECNU 电路的输入激励和信号源 Hspice中的激励源分为 独立源和受控源两种独立源分为 独立电压源和独立电流源两种 用V和I表示又可分为直流源 交流小信号源和瞬态源 可以组合在一起使用 直流源VXXXXN N DCVALUEIXXXXN N DCVALUE例如 VCC10DC5v 表示节点1 0间加电压5v 交流小信号源VXXXXN N AC IXXXXN N AC ACMAG 信号源的幅度ACPHASE 信号源的相位 例如 V110AC1v 表示节点1 0间加交流电压幅值1v 相位0 2020 4 21 13 CMOSDigitalIntegratedCircuits 3rdEdition CreatedbyUniversityofPennsylvanianrevisedandreferredbyECNU 瞬态源 瞬态源包括 脉冲源 又叫周期源 VXXXXN N PULSE V1V2TDTRTFPWPER V1初始值 V2脉动值 TD延时 TR上升时间 TF下降时间 PW脉冲宽度 PER周期例如 Vin10PULSE 0V5V10ns10ns10ns40ns100ns 2020 4 21 14 CMOSDigitalIntegratedCircuits 3rdEdition CreatedbyUniversityofPennsylvanianrevisedandreferredbyECNU 正弦源 正弦源VXXXXN N SIN V0VAFREQTDTHETAPHASE V0 偏置 VA 幅度 FREQ 频率 TD 延迟 THETA 阻尼因子 PHASE 相位 2020 4 21 15 CMOSDigitalIntegratedCircuits 3rdEdition CreatedbyUniversityofPennsylvanianrevisedandreferredbyECNU 瞬态源 指数源VXXXXN N EXP V1V2TD1TAU1TD2TAU2 V1初始值 V2中止值 TD1上升延时 TAU1上升时间常数 TD2下降延时 TAU2下降时间常数例如 V130EXP 022ns30ns60ns40ns 分段线性源VXXXXN N PWL T1V1 其中每对值 T1 V1 确定了时间t T1是分段线性源的值V1 例如 Vpwl30PWL 01 10ns1 5 2020 4 21 16 CMOSDigitalIntegratedCircuits 3rdEdition CreatedbyUniversityofPennsylvanianrevisedandreferredbyECNU 子电路 语法 SUBCKTSUBNAMN1特点 由 SUBCKT语句开始SUBNAM是子电路名N1是外部节点号终止语句 ENDS 表示结束子电路定义 子电路调用语句XYYYYN1SUBNAM设定以字母X开头的伪元件名 其后是用来连接到子电路上的节点号 在后面是子电路名 例如 SUBCKTOPAMP1234具体运放电路描述 ENDSXop1234OPAMP 子电路 对子电路的调用 2020 4 21 17 CMOSDigitalIntegratedCircuits 3rdEdition CreatedbyUniversityofPennsylvanianrevisedandreferredbyECNU 电路的分析类型描述 分析类型描述语句由定义电路分析类型的描述语句和一些控制语句组成直流分析 OP 直流扫描语句 DC 瞬态分析 TRAN 初始状态设置 IC 选择项设置 OPTIONS 位置 可在标题语句和结束语句之间的任何地方 2020 4 21 18 CMOSDigitalIntegratedCircuits 3rdEdition CreatedbyUniversityofPennsylvanianrevisedandreferredbyECNU 瞬态分析语句 TRAN 瞬态分析语句 TRANTSTEPTSTOP TSETP 时间增量TSTOP 为终止时间TSTART 为初始时间 若不设定 则隐含值为0 例如 TRAN1NS10000NS500NS 瞬态分析500 10000NS 步长为1NS 2020 4 21 19 CMOSDigitalIntegratedCircuits 3rdEdition CreatedbyUniversityofPennsylvanianrevisedandreferredbyECNU 交流分析 AC 交流分析语句 在规定的频率范围内完成电路的交流小信号分析 语法 ACDECNDFSTARTFSTOP 数量级变化 DEC为10倍频 ND为该范围内点的数目 FSTART初始频率 FSTOP中止频率 例如 ACDEC10110K 指从1到10KHZ范围 每个数量级取10点 交流小信号分析 2020 4 21 20 CMOSDigitalIntegratedCircuits 3rdEdition CreatedbyUniversityofPennsylvanianrevisedandreferredbyECNU 直流扫描语句 是在指定的范围内 某一个独立源或其他电路元器件参数步进变化时 计算电路滞留输出变量的相应变化曲线 DCSRCNANVSTARTVSTOPVINCR例如 DCVIN0 255 00 25 表示电压源VIN的值从0 25V扫描到5V 每次增量0 25V 2020 4 21 21 CMOSDigitalIntegratedCircuits 3rdEdition CreatedbyUniversityofPennsylvanianrevisedandreferredbyECNU OPTION 可选项语句 ACCT 打印出计算和运行时间统计 LIST 打印出输入数据总清单 NODE 打印出结点表 NOMOD 抑制模型参数的打印输出 注 具体电路的分析类型描述语句可查阅Hspice在线帮助 2020 4 21 22 CMOSDigitalIntegratedCircuits 3rdEdition CreatedbyUniversityofPennsylvanianrevisedandreferredbyECNU 输出描述语句 文本打印语句 PRINT PRINTTYPEov1TYPE为指定的输出分析类型 如 DC OV1为输出变量名 例如 PRINTDCV 5 文本绘图语句 PLOT PRINTTYPEov1注释语句注释语句以 为首字符 位置是任意的 它为非执行语句 结束语句结束语句是输入文件的最后一行 用 END描述 必须设置 2020 4 21 23 CMOSDigitalIntegratedCircuits 3rdEdition CreatedbyUniversityofPennsylvanianrevisedandreferredbyECNU Star Hspice工具使用 打开网表文件 运行仿真 查看波形 仿真log文件 打开网表文件 多文件仿真 2020 4 21 24 CMOSDigitalIntegratedCircuits 3rdEdition CreatedbyUniversityofPennsylvanianrevisedandreferredbyECNU 简单RC网络电路 网表 ASIMPLEACRUN RC network OPTIONSLISTNODEPOST OP ACDEC101K1MEG PRINTACV 1 V 2 I R2 I C1 V11010AC1R1121KR2201KC120 001U END 注释 第一行 ASIMPLEACRUN为标题行 第二行 OPTIONSLISTNODEPOST为可选项设置 LIST打印出元件总结列表 NODE打印出元件节点表 elementnodetable POST表示用何种格式储存模拟后的数据 以便与其它工具接口 第三行 OP计算直流工作点 第四行 ACDEC101K1MEG 指从1到10KHZ范围 每个数量级取10点 交流小信号分析 第五行 PRINTACV 1 V 2 I R2 I C1 打印交流分析类型的节点1 2的电压 以及R2 C1的电流第六行 V11010AC1表示节点1与0间 加直流电压10v和幅值为1v的交流电压 第七至九行为电路描述语句 第十行为结束语句 HSPICE仿真 2020 4 21 25 CMOSDigitalIntegratedCircuits 3rdEdition CreatedbyUniversityofPennsylvanianrevisedandreferredbyECNU MOSI V曲线仿真 MOSIV PROT include c hspice dff rf025 lib OPTIONSLISTNODEPOST dcvds03 30 1vgs03 30 5 PrintV vgs i1 m1 显示m1管漏电流 i1中的1表示为漏M1dg00nch rfw5L 0 5Uw 2Uvgsg0vdsd0 END 2020 4 21 26 CMOSDigitalIntegratedCircuits 3rdEdition CreatedbyUniversityofPennsylvanianrevisedandreferredbyECNU 倒相器电路 InverterCircuit OPTIONSLISTNODEPOST TRAN200P20N PRINTTRANV IN V OUT M1OUTINVCCVCCPCHL 1UW 20UM2OUTIN00NCHL 1UW 20UVCCVCC05VININ00PULSE 24 82N1N1N5N0NCLOADOUT0 75P MODELPCHPMOSLEVEL 1 MODELNCHNMOSLEVEL 1 END 注释 第三行 TRAN200P20N表示瞬态分析步长为200ps 时间为20ns第四行 PRINTTRANV IN V OUT 表示打印节点in out电压瞬态分析值第五 六 九行 电路连接关系描述语句 第七行 VCCVCC05表示在节点VCC 0之间加5v直流电压 第八行 VININ00PULSE 24 82N1N1N5N20N表示在节点IN 0之间加一个脉冲源 低电平0