电路仿真HSpiceV2_0ppt课件

.,1,HSpice电路仿真,1.集成电路仿真介绍;2.HSpice电路仿真分析;3.HSpice软件的安装和使用;,.,2,一、电路仿真介绍,起源和功能模型文件MOS管仿真模型什么是仿真?,.,3,从硬件实验到软件仿真,物理硬件焊接出所设计的电路调整电路拓扑结构和电路参数仪表测量电路性能各种温度、湿度实验得到可以投入生产的电路方案,.,4,仿真软件出现的原因,集成电路无法进行硬件实验无法依靠手算得到设计结果降低设计成本，缩短设计时间，提高一次流片成功率因此出现了用于辅助设计的仿真器,.,5,硬件试验与软件仿真的对比,.,6,硬件试验与软件仿真的对比,.,7,集成电路设计流程,.,8,进行电路仿真的要素,电路拓扑结构,工艺条件模型参数,仿真器,设计目标和性能要求,电路设计结果,.,9,业界主流集成电路仿真软件,Spice：Hspice，Pspice，Tspice，Wspice其它仿真软件：SpectreADSAnsoft,.,10,Spice介绍,仿真软件的发展史U.C.BerkeleySPICESimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis,.,11,Spice的发展和变化,Spice1:1972Fortune语言版本Spice2:1975商业化版本Spice3:1985C语言版本目前的Spice：Hspice，Pspice，Tspice，Wspice,.,12,在用Spice进行电路仿真之前，应：了解元件的基本特性熟悉所设计的电路功能了解需要验证的电路指标和对应的模拟种类、电路状态了解电路各项指标的相依性及优先度了解电路结构、元件参数与各项电路特性的相关性，以便于模拟结果的改进,.,13,二、HSpice电路仿真分析,Hspice电路仿真器是工业级的电路分析软件，用以电子电路的稳态、瞬态及频域的仿真和分析。该软件可以精确的仿真、分析、优化从直流到高于100GHz频率的微波的电路。Hspice是理想的电路单元设计和模型处理的工具，也是信号完整性和传输线分析的选择工具。,.,14,Hspice的特征：,优秀的收敛性精确的模型，包括许多加工模型层次节点命名参考对模型和电路单元的最优化，在AC，DC和瞬态仿真中，带有递增和同步的多参数优化。带解释的MonteCarlo和极坏设计支持可参数化单元的输入输出及行为算术描述.,.,15,有对高级逻辑仿真器校验库模型的单元特征化工具;对PCB板，多芯片，包装，IC技术的几何损耗耦合传输线;离散部件，针脚，包装和销售商IC库;来自于多重仿真的AvanWaves交互式波形图和分析.,.,16,例：RC电路的AC分析,.,17,RC电路的Hspice网表：,ASIMPLEACRUN.OPTIONSLISTNODEPOST.OP.ACDEC101K1MEG.PRINTACV(1)V(2)I(R2)I(C1)V11010AC1R1121KR2201KC120.001U.END,.,18,执行RC电路的AC分析过程:,1输入以上网表到一个名叫quickAC.sp的文件2敲入如下代码运行Hspice分析：hspicequickAC.spquickAC.lis当运行完成Hspice显示：info:*hspicejobconcluded接下来的一行显示使用的实时时间，使用者时间和分析所需的系统时间.如下的新文件出现在运行目录下：quickAC.ac0quickAC.icquickAC.lisquickAC.st0.,.,19,3使用一个编辑器去看.lst和.st0文件以检查仿真的结果和状态。4运行AvantWaves并且打开.sp文件。从结果浏览器窗口中选择quickAC.ac0文件以观察波形。quickAC.lis显示了输入网表，详细组成和拓扑图，工作点(operatingpoint)信息和当输入至1KHz至1MHz变动时的请求表。quickAC.ic和quickAC.st0分别包含一些直流工作点信息和Hspice的运行状态信息。工作点情况可以用作后面的使用.LOAD语句的仿真运行。,.,20,Hspice的使用流程,后处理,.,21,Hspice的仿真步骤,输入电路原理图产生对应的网表（也可以直接输入网表）根据网表运行HSpice进行电路仿真得到仿真结果文本的图形的,.,22,输入电路的基本结构(.sp文件结构),.,23,网表文件格式说明,标题头：这一部分通常是注释内容，说明网表的文件名和一些相关信息。结束语句：.End表明文件结束.Title和.End是成对出现的,.,24,网表文件格式说明,电路拓扑结构：这部分描述了电路元件之间的连接关系，元件的参数。激励源：这里特指独立的电压源和电流源，它们用于提供直流能量，或作为输入的激励源使用。,.,25,网表文件格式说明,仿真功能设置：决定了软件进行的仿真功能，通过这些仿真设计者可以得出电路的性能。模型参数设置：由生产厂家提供的元件的模型文件，也可以自己手动输入,.,26,网表文件格式说明,输出控制：用于控制仿真结果的输出仿真选项设置：这是对于电路仿真的高级设置，更加详细地规定了仿真指令的执行方式和采用的算法等。,.,27,例(HspicenetlistfortheRCnetworkcircuit)：.titleASIMPLEACRUN.OPTIONSLISTNODEPOST$列出元件列表,各节点的元件端点,使+输出数据可用metawaves浏览.OP$计算并打印出直流工作点*按数量级变化取10个点,从1k-1M.ACDEC101K1MEG.PRINTACV(1)V(2)I(R2)I(C1)V11010AC1R1121KR2201KC120.001U.END,.,28,Hspice的输出,输出文件：一系列文本文件*.ic：initialconditionsforthecircuit*.lis：textsimulationoutputlisting*.mt0,*.mt1：post-processoroutputforMEASUREstatements*.pa0：subcircuitpathtable*.st0：run-timestatistics*.tr0,*.tr1：post-processoroutputfortransientanalysis*.ac0,*.ac1:post-processoroutputforACanalysisMetaWave：观察波形(post-processor),人机交互界面,.,29,2.1电路网表语法,网表：网表是描述电路元件和连接关系的部分，首先对电路的结点进行标记，不同结点起不同的名字。再说明各个元件的引脚连接到哪个结点及元件的类型和模型。一般格式为：名称器件的类型器件所连接的节点参数值例：V11010AC1R1121KR2201KC120.001U,.,30,电路网表语法,输入行格式输入网表文件不能是压缩格式；文件名、语句、等式的长度不能超过256字符；上标和下标将被忽略；用加号（+）表示续行，此时加号应该是新续之行的第一个非数字、非空格字符；星号（*）和美圆符号（$）可以引出注释行，但*必须是每行第一个字母，而$一般跟在一个语句后，并与语句有至少一个空格。,.,31,电路网表语法,分隔符包括：tab键，空格，逗号，等号，括号元件的属性由冒号分隔，例如M1:beta级别由句号指示，例如X1.A1.B表示电路X1的子电路A1的节点B单或多引号区分表达式和文件名。结点表明层次。例如，“X1.A1.V”是V节点在电路X1处的子电路。常量M毫，p皮，n纳，u微，MEG兆,例如c11210pF；表位可以省略，例如c11210p,.,32,电路网表语法,元件名元件名以元件的关键字母开头:电阻R，电容C子电路的名字以“X”开头元件名不超过16个字符节点节点名长度不超过16个字符，可以包括句号和扩展名开始的零将被忽略：节点名可以用下列符号开始：#_!%节点可以通过.GLOBAL语句定义成跨越所有子电路的全局节点：.GLOBALnode1node2node3node1node2node3都是全局节点，例如电源和时钟名节点0，GND,GND!,GROUND都指全局的地电位节点元件语句：器件的类型+名称器件所连接的节点参数值,.,33,电路网表语法,无源器件：电阻：Rxxxn1n2resistanceMname为模型名,电阻值可以是表达式。例：RterminputgndR=sqrt(HERTZ)Rxxx981AC=1e10直流电阻1欧姆，交流电阻为1e10欧姆,.,34,电路网表语法,无源器件：电容：一般形式：Cxxxn1n2capacitance例，Cloaddriveroutput1.0e-6。,.,35,电路网表语法,无源器件：电感：一般形式：Lxxxn1n2inductance,.,36,电路网表语法,有源器件：二极管：Dxxxnplusnminusmname/params模型中的寄生电阻串联在正极端。双极型晶体管：QxxxncnbnemnameJFET：Jxxxndngnsmname,.,37,电路网表语法,有源器件：MOSFET:MxxxndngnsmnameOrMxxxndngnsmname下面是一个CMOS反相器网表：Mnoutin00NMOSW=1.2uL=1.2uMpoutinvddvddPMOSW=3uL=1.2u,.,38,电路网表语法,子电路语句子电路定义开始语句.SUBCKTSUBNAM其中，SUBNAM为子电路名，node1为子电路外部节点号，不能为零。子电路中的节点号（除接地点），器件名，模型的说明均是局部量，可以和外部的相同。例.SUBCKTOPAMP1234,.,39,电路网表语法,子电路语句子电路终止语句.ENDS若后有子电路名，表示该子电路定义结束；若没有，表示所有子电路定义结束。例.ENDSOPAMP子电路调用语句X*SUBNAM例.Xopa1abccOPAMP,.,40,子电路使用举例,下面是由前面举例的CMOS反相器组成的三级反相器链网表：.globalvdd.SUBCKTINVINOUTwn=1.2uwp=1.2uMnoutin00NMOSW=wnL=1.2uMpoutinvddvddPMOSW=wpL=1.2u.ENDSX1IN1INVWN=1.2UWP=3UX212INVWN=1.2UWP=3UX32OUTINVWN=1.2UWP=3UCLOUT01PFVCCVDD05V,.,41,电路网表语法,激励源：独立源：电压源V，电流源IVxxx/Ixxxn+n-dcval+例，V110DC=5V或V1105VI110DC=5mA或I1105mA交流模式：V110AC=10V,90幅度为10v，相位为90度交直流模式：V1100.5vAC=10V,90直流分量是0.5vorVxxx/Iyyyn+n-+tranfun：EXP,PULSE,PWL。表示并联的电流源个数。,.,42,电路网表语法,激励源：独立源：脉冲形式：Vxxxn+n-PUv1v2,.,43,脉冲形式举例,例：VPU30PULSE(125N5N5N20N50N),.,44,电路网表语法,激励源：独立源：正弦形式：Vxxxn+n-SINvova,.,45,电路网表语法,得到的波形：,.,46,正弦形式举例,例：VIN30SIN(01100MEG1NS1e10),.,47,电路网表语法,激励源：独立源：逐段线性形式：pwlt1v1+vi是ti时刻的值，repeat是开始重复的起始点；delay是延迟时间。指数形式：EXPv1v2V1是初始值，v2是峰值，td1是上升延迟时间，t1是上升时间常数，t2是下降时间常数。,.,48,.,49,完整的网表部分举例,前面反相器链的网表：.SUBCKTINVINOUTwn=1.2uwp=1.2uMnoutin00NMOSW=wnL=1.2uMpoutinvddvddPMOSW=wpL=1.2u.ENDSX1IN1INVWN=1.2UWP=3UX212INVWN=1.2UWP=3UX32OUTINVWN=1.2UWP=3UCLOUT01PFVCCVDD05VVININ0PULSE(05V10NS1N1N50N100N),.,50,2.2HSpice电路仿真功能,Hspice主要提供三种仿真：直流仿真（.OP.DC）交流仿真（.AC）瞬态仿真（.TRAN）,.,51,2.2.1直流仿真,计算电路的工作点.OP列非线性方程并求解得到电路节点电压、支路电流的值直流参数扫描.DC直流工作点随电路中变量的变化注意确定合适的扫描方式,.,52,.,53,参数扫描,参数扫描可用于DC，AC和TRAN之中通过参数扫描可以得到直流、交流、瞬态的电压或电流随变量的变化关系.SWEEP语句,.,54,灵敏度分析,.SENSE语句灵敏度分析在直流工作点，小信号条件下，计算电路中所有元器件的参数对指定输出变量的灵敏度。所有元器件参数对某一输出变量的灵敏度都被归一化，所有灵敏度之和为1,.,55,直流传输函数分析,.TF语句实现。直流传输函数分析计算直流小信号下输出和输入之间的比值，并给出输入和输出电阻,.,56,零极点分析,.PZ语句实现零极点分析用于计算线性，时不变电路的性能例如：分析反馈电路的稳定性,.,57,2.2.2瞬态仿真,对电路时域特性的仿真.TRAN非线性时域分析方法根据电路建立非线性的常微分方程，并在每个离散的时间点计算方程的解，也就是电路在该时刻的状态。比交流仿真更可靠,.,58,.,59,傅立叶分析,.FOUR语句实现它在大信号正弦瞬态分析时，对输出的最后一个周期波形进行谐波分析,.,60,FFT分析,.FFT语句实现FFT（FastFourierTransform）在时域上取得模拟信号若干个时间点上的数值，并进行离散傅立叶变换（DFTDiscreteFourierTransform），实现模型信号从时域到频域的变换FFT进行对瞬态信号的频谱分析，得到信号频域上的特性。,.,61,2.2.3交流仿真,对电路频域特性的仿真.AC在直流工作点将非线性电路线性化建立一组线性方程通过加入小正弦信号求得电路在稳态下的解AC分析只适用于线性，时不变电路,.,62,.,63,噪声分析,.NOISE语句实现噪声分析计算各个独立噪声源在指定节点产生的噪声电流，并将它们求和，得出均方根RMS噪声电压SPICE的噪声分析得到的是线性系统，小信号条件下的噪声,.,64,网络分析,.NET语句实现.NET分析电路在不同工作频率下的传输函数.NET必须和.AC一起使用，并确定分析的频率范围.NET分析计算输入和输出之间的阻抗矩阵Z、导纳矩阵Y、混合矩阵H、散射参数矩阵S，并给出输入输出的阻抗（导纳）值,.,65,2.3仿真中的模型文件,厂家提供的PDKprocessdesignkitPDK是为模拟/混合信号IC电路设计而提供的完整的工艺文件集合,是连接IC设计和IC工艺制造的数据平台.包含：仿真用的模型文件仿真用的宏模型库（数字电路）版图用的Pcell(parameterizedcell是一个可以在使用时编辑其参数的cell)版图用的规则文件各种说明文档,.,66,模型文件的内容,有源器件、无源器件的模型参数及器件测试结果NMOS、PMOS电阻、电容、（电感）二极管、寄生双极型晶体管、变容管,.,67,模型文件的常见格式,第一部分，关于模型文件的说明*0.6umCMOSSPICEmodelofBSIM3v3*TheTypicalOperationVoltageis0V-5V*Lmin=0.6umLmax=40umWmin=0.6umWmax=40um*cornername:*TT:typicalcase*FF:fast-fastcorner*SS:slow-slowcorner,.,68,模型文件的常见格式,第二部分，器件的参数.LIBTT.MODELNMOSNMOS.MODELPMOSPMOS.ENDLTT.LIBFF.ENDLFF,.,69,第一部分文件的说明,工艺特征尺寸：0.6umSpice模型：BSIM3v3工作电压范围：05V最小尺寸：Lmin，Wmin工艺拐角：TT，FF，SS其他信息,.,70,工艺拐角,.,71,第二部分器件的模型参数,可在文件中提供器件的高阶模型，供仿真器使用也可以在仿真软件中手动设置,.,72,MOS管仿真模型,MOS管仿真模型的发展Level13模型:Level1模型是最早的MOS管模型，也叫Shichman-Hodges模型,即常用的平方律特性描述的模型,考虑了衬底调制效率和沟道长度调制效应.Level2模型改进了MOS管阈值电压和输出电阻的参数模型，并虑了短沟/窄沟对阈电压的影响,迁移率随表面电场的变化,载流子极限速度引起的电流饱和和调制以及弱反型电流等二级效应,给出了完整的漏电流表达式.Level3模型是简化了的Level2模型。它引入了更多的经验参数，使用分段拟合,是半经验模型.,.,73,MOS管沟道长度较短时,需用二级模型.理论上,小于8um时,应有短沟等效应.实际上5um以下才需要二级模型.当短至2um以下,二级效应复杂到难以解析表达时,启用三级模型.MOS模型参数的提取一般需要计算机辅助才能进行.有两种实用方法,一是利用管子各工作区的特点,分段线性拟合提取;二是直接拟合输出特性的优化提取.其中,直流参数的优化提取尚有不足之处:优化所获仅是拟合所需的特定参数,物理意义不确,难以反馈指导工艺和结构的设计;只适合当前模型,模型稍做改动,要重新提取,不利于分段模型;对初值和权重的选取要求很高.,.,74,BSIM模型,BSIM模型（Level4模型）：Berkeley提出的短沟道绝缘栅场效应管模型BerkeleyShort-channelIGFETModel特点：依靠经验参数和多项式方程来解决物理效应,主要应用于较低频率(几百兆以下)的模拟和数字电路。优点：提高了电路仿真速度缺点：是脱离了器件的物理基础，仿真结果的精度降低，而且有可能使得计算结果背离物理意义。,.,75,BSIM2,特点：BSIM模型的扩展优点：提高了BSIM的模型精度和电路仿真的收敛性能缺点：分段函数表示MOS管在不同工作区域的特性导致电流电压一阶导数的不连续性,.,76,BSIM3,特点：更多地考虑了MOS管的物理机制，而不是用经验参数构造方程来拟合测试数据优点：采用了“平滑函数”，可以使用一个方程描述所有区域内器件的特性版本：BSIM3V1、BSIM3V2和BSIM3V3,.,77,BSIM4,BSIM4是2000年推出的BSIM系列最新的模型。它以BSIM3模型为基础，在MOS管的电流电压模型，噪声模型和外部寄生模型等方面都做了改进。,.,78,其他模型,MOS9模型：Philips开发，适用于深亚微米设计EKV模型：其它模型：以MOS管源极为参考点EKV模型：以MOS管衬底为参考点Hspice模型：包含多个MOS管模型，统一编号为Levelx,.,79,.,80,LEVEL1模型,使用Meyer模型计算MOS管的电容参数,.,81,.,82,BSIM3模型,BSIM3是MOSFET的模型，但也可用于描述其他工艺下的晶体管模型BSIM3不仅适用于增强型MOS管，还能用于耗尽型MOS管BSIM3模型具有良好的缩尺特性，它可用于使用.18um深亚微米工艺电路的仿真，而且不必用分段函数来描述MOS管的特性。BSIM3可以用于模拟和数字电路的仿真，但当应用于高速模拟电路或射频电路仿真时，需要对模型进行适当的修改和补充。,.,83,和Level1使用的Meyer电容模型不同，BSIM3使用电荷守恒的电容模型，流入MOSFET的4个端口的电流之和总是为零。和BSIM、BSIM2依赖经验函数描述MOS管的特性不同，BSIM3的参数来源于物理模型，大部分的参数都和工艺步骤或器件的设计有关，只有少部分参数用于使基于模型的仿真结果更接近实际的测试结果。和EKV模型使用衬底作为参考端点不同，BSIM3使用源级作为参考端点，因而在对器件的某些参数（例如电容）的描述上存在一些问题。,.,84,BSIM3是短沟道MOSFET的模型，它考虑了迁移率下降，速度饱和等短沟效应，但并没有包括栅极的漏电流。BSIM3考虑了温度变化对MOS管特性的影响。BSIM3的噪声模型只考虑了热噪声和1/f噪声，而没有考虑其他类型的噪声。噪声模型建立在长沟道器件基础上，因而对短沟道器件噪声的仿真并不精确。BSIM3没有限定MOS管的工作电压范围，所以设计者需要注意MOS管各个端点之间的电压是否超出了工艺要求。,.,85,BSIM3参数涉及内容,工艺特性物理尺寸源级衬底，漏级衬底的PN结特性固有电容和寄生电容阈值电压迁移率亚阈值电流输出电阻温度系数噪声其他内容,.,86,.,87,三、HSpice的安装和使用,.,88,HSpice使用,工作站上软件的使用HSPICE的运行：登录到工作站，确保HSPICE的权限和环境变量已设好。setenvLM_LICENSE_FILE/usr/cad/hspice/license.datsetenvMETA_QUEUE1打开一个“终端”窗口，然后进入到个人工作目录下，输入行命令运行。两种工作模式：提示行模式和非提示行模式。,.,89,提示行模式,1、键入hspice,然后回车2、系统会提示输入一些参数Enterinputfilename:此时输入你的HSPICE网表文件，缺省的扩展名为.spEnteroutputfilenameordirectory:缺省值为输入HSPICE网表文件名加上.lis扩展名。但.sp和.lis并不是必须。除此之外，还有一些参数（这些参数的隐含值一般不需要更改），直接回车即可。等你按照系统的提示确定所有的参数后，HSPICE就开始运行。,.,90,非提示行模式,一般情况下的输入举例如下：hspicedemo.sp或者hspicedemo.sp=demo.lis,.,91,图形界面方式:,一、启动GUI1.从命令行启动:%hspicegui初始化屏幕包含下列选项:“SetupaNewSimulation”；”OpenanExistingSimulation”；选择“SetupaNewSimulation”就会打开一个窗口，询问新仿真文件名字和仿真方式(HSPICEORHSPICERF)。新的仿真文件有一个.wrk的扩展名，包含该设计的GUI配置。选择”OpenanExistingSimulation”打开一个窗口，使你能够浏览已有的.wrk文件or输入文件名。,.,92,图形界面方式:,一、使用HSPICEGUIWorkbench该Workbench包括下面四个任务：指定网表和仿真选项；启动仿真；运行仿真；观察分析输出。1.SpecifyingNetlistandSimulationOptions网表和仿真界面允许用户使用对各种仿真运行都通用的网表和仿真选择，这在仿真启动时规定。也允许针对专门设计的网表文件。SimulationSetupbuttonandtheManualCmdstab。2.SettingUpSimulations这个界面用来设置指定HSPICE执行的仿真分析。这些分析可通过不同名字组成仿真，可通过指定顺序以批处理方式运行。3.RunningSimulations仿真可通过点击SimulationSettingsButton来设置。4.ViewingAnalysisOutput,.,93,图形界面方式:,.,94,使用MetaWaves浏览波形,启动MetaWaves:在UNIX的cmdshell的提示符下，键入awaves&,回车即进入MetaWaves的工作环境。,.,95,使用MetaWaves浏览波形,模拟文件的打开与关闭:点开Design菜单，其中的Open和Close命令分别用来打开和关闭待显示波形的模拟文件。,.,96,使用MetaWaves浏览波形,Tools窗口:提供了一些常用的工具，如下图所示：,.,97,使用MetaWaves浏览波形,结果编辑窗口:打开一个模拟文件后，就弹出ResultBrowser窗口用来编辑待显示的结果。可以直接显示的输出列在curves子窗口中。选定一个变量后，直接用鼠标中键拖进主菜单中的波形显示区，即panel中即可。,.,98,使用MetaWaves浏览波形,表达式编辑窗口:点开Tools中的ExpressionBuilder,出现该窗口。该窗口提供了常用的函数和运算符，能实现对已有输出波形的函数运算。它的结果也能被显示出来。,.,99,使用MetaWaves浏览波形,波形浏览区编辑菜单Panels:有时要显示的波形很多，在一个窗口中放不下，就需要开多个窗口。该菜提供了窗口的Add,Hide,Delete,AddLabel,DeleteLabel等操作；以及单个窗口中DeleteCurves的操作。,.,100,使用MetaWaves浏览波形,波形显示编辑菜单Windows:对一个Panel中的波形的显示模式进行编辑，包括X轴，Y轴，X轴/Y轴的放大(ZoomIn)、缩小(ZoomOut)，移动(Pan)，以及全图显示(Full)，恢复上一视图(LastZoom),以及视图设置(SetZoom)。,.,101,使用MetaWaves浏览波形,测量菜单Measure:它提供了对波形进行测量的一些基本工具，用户可以选择点测量(Point)或点对点的测量(PointToPoint)，测量完之后可以清除测量标记(DeleteMeasure或DeleteAllMeasure)。在MeasureLabelOptions或MeasurePreference项中调整一些测量的参数，比如精度等。,.,102,使用MetaWaves浏览波形,例子：,.,103,PC上软件的安装和使用,1.Hspice的安装2.License配置,.,104,Hspice图例,.,105,Hspice图例,.,106,.,107,Hspice输入文件类型及标准名称,配置文件（meta.cfg）此文件设置打印机、绘图仪和终端。文件包括一行defau