模拟电路的仿真

本文由hxy贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 北京中科微电子技术有限公司 北京中科微电子技术有限公司设计部 培训教程： 培训教程：模拟电路的仿真 (v1.0) 文档标识 文档类别 文档状态 文档编号 模拟电路的仿真 设计部内部资料 修改中、已完成 培-001 版本 完成日期 制作人 备注 v1.0 2003 年 7 月 24 日 冯翰雪 模拟电路的仿真 北京中科微电子技术有限公司设计部 2003 年 7 月 第 1 页 共 25 页 北京中科微电子技术有限公司 北京中科微电子技术有限公司设计部 培训教程： 培训教程：模拟电路的仿真 (v1.0) 摘要： 摘要：本文介绍了模拟电路仿真的一些基本概念和 Cadence 的模拟仿真环境。 排版约定 楷体，无衬线字体（楷体，Sans-Serif） 第一次出现的术语。软件名称。 宋体，等宽字体（宋体，constant-width） ： 用于例子和普通文本，显示 Unix 命令，各种代码、文本文件内容等。 粗体等宽字体表示用户输入的 Unix 命令 粗体等宽字体 1 模拟电路仿真基础 1.1 模拟分析类型 为了便于分析电路的特性， 电路在不同条件下有不同的近似模型。 最为典型的例子就是 MOS 管的大信号模型和小信号模型：大信号模型用于分析计算电路的直流工作点、偏置等； 小信号模型用于分析电路的频率响应、开环增益等等。 在模拟电路仿真中，也有类似的区分，称为“分析类型” 。不同的分析类型使用不同的 近似模型，用于分析电路不同方面的特性。常见的分析类型有以下几种。 1.1.1 直流分析 (dc) 直流分析用于确定电路的直流工作点，例如运放偏置电路产生的偏置电流、电压。做直 流分析时认为电容断路、电感短路。在交流分析、瞬态分析之前自动进行直流分析。 直流分析也可通过扫描某个参数来分析电路的直流传输特性，被扫描的参数可以是电 压、电流、频率、温度、元件参数、模型参数等等。例如，扫描温度参数可以分析电路的温 度特性；扫描 MOS 管栅极电压可以画出 MOS 的 VGSID 曲线。 1.1.2 交流分析 (ac) 交流分析主要用于分析电路的频率响应，例如用交流分析可以画出运放的幅频响应曲 线、相频响应曲线，计算开环增益、相位裕度等等。交流分析时，使用器件在直流工作点附 近的线性的交流小信号模型进行计算，电路的激励是正弦交流小信号。 交流分析也可以在某一个频率上扫描电路的某个参数， 例如分析运放在低频时开环增益 随温度的变化。被扫描的参数可以是频率、温度、元件参数、模型参数等等。如果被扫描的 参数会改变电路的直流工作点，则重新计算直流工作点。 第 2 页 共 25 页 北京中科微电子技术有限公司 北京中科微电子技术有限公司设计部 培训教程： 培训教程：模拟电路的仿真 (v1.0) 1.1.3 瞬态分析 (tran) 瞬态分析主要用于分析电路的实时响应。 瞬态分析计算从开始时间到结束时间内电路中 各个节点、元件的电压、电流等随时间的变化情况。如果没有指定初始条件，则使用电路的 直流工作点。 1.1.4 其他分析类型 以上三类分析是最常用的分析类型。除此之外，仿真工具还支持很多其他类型的分析。 例如 Cadence Spectre 还有以下分析类型。具体说明请参考 Spectre Reference Noise Analysis (noise) Periodic Steady-State Analysis (pss) S-Parameter Analysis (sp) Time-Domain Reflectometer Analysis (tdr) Transfer Function Analysis (xf) 1.2 仿真环境 Cadence 的电路仿真工具是 Spectre， 如图一所示。 其功能类似与 SPICE， 但具体语法、 器件模型等方面有所不同。Spectre 是一个命令行工具，如图一所示。 图一、电路仿真工具Spectre 电路按照 Spectre 规定的语法进行描述，这个描述称为网表（netlist） 。网表中还包含描 述输入激励、分析类型、选项控制、结果记录等内容的语句。Spectre 程序以网表文件作为 第 3 页 共 25 页 北京中科微电子技术有限公司 北京中科微电子技术有限公司设计部 培训教程： 培训教程：模拟电路的仿真 (v1.0) 输入，根据网表指定的方式进行电路仿真、记录结果。下面是一个反相器网表的例子。 * # FILE NAME: V2_A_INV1 * schematic/netlist/V2_A_INV1.C.raw * Netlist output for spectreS. * Generated on Jul 24 21:59:27 2003 * global net definitions .GLOBAL vdd! simulator lang= spectre * File name: motorlib_V2_A_INV1_schematic.s. * Subcircuit for cell: V2_A_INV1. * Generated for: spectreS. * Generated on Jul 24 21:59:27 2003. m1 (zn i 0 0) nmos w=3.6e-6 l=1.2e-6 m=1.0 m0 (zn i vdd! vdd!) hp0ns w=12e-6 l=1.2e-6 m=1.0 图二、一个反相器的 Spectre 网表 网表可以手工编写。但更方便快捷的方法是用 Composer 绘制电路原理图（如图三所 示） ，然后用工具自动生成网表。为了从电路原理图产生符合 Spectre 语法的网表，要求电 路原理图中只使用 analogLib 库中的元件。 图三、电路图输入工具Composer 第 4 页 共 25 页 北京中科微电子技术有限公司 北京中科微电子技术有限公司设计部 培训教程： 培训教程：模拟电路的仿真 (v1.0) 仿真结果可以用 Results Browserh, Waveform 等工具进行查看。后者（如图四）可以 直接绘制出输出波形。Cadence 还提供了 Caculator，帮助设计者对仿真结果进一步分析。 图四、仿真结果查看工具Waveform 图五、仿真结果计算工具Calculator 第 5 页 共 25 页 北京中科微电子技术有限公司 北京中科微电子技术有限公司设计部 培训教程： 培训教程：模拟电路的仿真 (v1.0) Cadence 为模拟、 数模混合仿真设计了一个集成开发环境： Analog Artist， 如图六所示。 在 Analog Artist 中可以完成编辑电路原理图，生成网表，设置分析类型，观测波形等等整 个模拟电路仿真流程。 图六、模拟电路集成开发环境Analog Artist 1.3 analogLib 前面提到模拟电路原理图中只能使用 analogLib 库中的元件。如图七所示，analogLib 库 中的元件基本上与 Spectre 中的器件一一对应， 并且可以直接在 Composer 中设置各个元件 的参数。在用 Spectre 进行电路仿真时，建议使用单元的 spectre 和 spectreS 视图。常用元 件列与下表。 单元名 res cap ind nmos4 pmos4 diode gnd vdd 说明 电阻 电容 电感 NMOS 管 PMOS 管 二极管 地线符号 电源符号 主要参数 阻值 电容值、初值 电感值、初值 模型名、宽、长、倍数 模型名、宽、长、倍数 模型名、结面积、倍数 第 6 页 共 25 页 北京中科微电子技术有限公司 北京中科微电子技术有限公司设计部 培训教程： 培训教程：模拟电路的仿真 (v1.0) 图七、analogLib 模拟电路必须考虑 MOS 管的衬偏效应。因此在电路原理图中要求所有 MOS 管的衬底 有明确的连接，也即必须使用 analogLib 库中的四端元件 nmos4 和 pmos4，如下图所示： 图八、nmos4, pmos4 图九是电阻 R1 的属性，在这里可以直接设置电阻的阻值(Resistance)、模型名(Model name)等等参数。从电路原理图生成 Spectre 网表时，就会自动生成如下 Spectre 语句来描述 这个电阻： rr1 (v_rc 0) resistor r=10e3 m=1.0 第 7 页 共 25 页 北京中科微电子技术有限公司 北京中科微电子技术有限公司设计部 培训教程： 培训教程：模拟电路的仿真 (v1.0) 图九、电阻的属性对话框 除了基本元器件外，analogLib 中还包含了各种电流、电压源，它们常被用作电路的输 入激励。常用的电压源列于下表。另外，将下表中单元名首字母 v 改成 i 即是相应功能的电 流源。 单元名 vdc vpulse vsin vpwl 说明 直流电压源 脉冲信号源 正弦信号源 分段线性信号源 主要参数 直流电压；交流幅度、相位。 （常用作电路电源） 高低电平电压值、脉冲宽度、脉冲周期 幅度、频率、相位、偏置电压 时间电压对数目、 （时间、电压） 第 8 页 共 25 页 北京中科微电子技术有限公司 北京中科微电子技术有限公司设计部 培训教程： 培训教程：模拟电路的仿真 (v1.0) 1.4 器件模型 不同工艺的 MOS 管参数不同，甚至不同尺寸范围的 MOS 其参数也不同。通常成熟的 工艺线至少会提供 MOS 模型。下面是一个模型定义文件的部分内容，它定义了一个模型名 称（Model name）为“nmos”的 NMOS 管模型。 .model nmos NMOS +Level= +Tref=27.0 +Npeak= 4.3007E+16 +SatMod= 2 +BulkMod= 1 +Vth0= . Phi= . Tox=2.10000E-08 Xj=3.00000E-07 +dl= 2.00000E-07 dw= 5.581E-08 SubthMod= 2 10 在模拟电路原理图中，要为每一个 MOS 管指定一个模型名。例如，图八中 NMOS 管 的模型名是“nmos” ，PMOS 管的模型名是“hp0ns” 。这里的模型名称与模型定义文件中定 义的名称一致，而不必与模型定义文件名一致。 第 9 页 共 25 页 北京中科微电子技术有限公司 北京中科微电子技术有限公司设计部 培训教程： 培训教程：模拟电路的仿真 (v1.0) 2 入门指南 下面以仿真一个简单的运放为例，说明模拟电路仿真的步骤。 2.1 预备工作 本文假设工作目录为 students 用户的主目录/export/home/casic/student/，若不 同则需做相应修改。 首先建立工作环境。 执行/export/home/casic/training/analogsim/restart 脚 本， 指定工作目录。 注意， restart 脚本要求输入完整的绝对路径， 并且路径末尾不加 “/” 。 该脚本把本教程所需的库、模型等文件拷贝到工作目录的 anlaogsim 子目录下。 然后进入 anlaogsim 目录启动 icfb。 命令列表如下，其中粗体部分为用户的输入。 u60a:/export/home/casic/student/export/home/casic/training/analogsim/restart Please input where you want to setup : /export/home/casic/student Please wait OK u60a:/export/home/casic/student/cd analogsim u60a:/export/home/casic/student/analogsimls -F cds.lib lib/ libManager.log models/ restart* simulation/ u60a:/export/home/casic/student/analogsimicfb& Libaray Manager 中有四个库，如图七所示。analogLib, basic, cdsDefTechLib 是 Cadence 的基本参考库。analogsim 库中包含两个单元：opamp 和 opamp_tb。前者是一个简单的运放； 后者是该运放的测试电路。 以下所有操作都在 analogsim 库中进行。 第 10 页 共 25 页 北京中科微电子技术有限公司 北京中科微电子技术有限公司设计部 培训教程： 培训教程：模拟电路的仿真 (v1.0) 2.2 第一步：绘制电路图 以只读 只读方式打开 analogsim 库中的 opamp 单元的 schematic 视图，观察其结构。 只读 单击选中 PMOS 管 M1， “Q”键打开它的属性对话框，如下图所示。 图十、M1 的属性对话框 从 M1 的属性对话框中可见，它是 analogLib 库中的 pmos4 单元；宽长比是 48/2.4；它 的模型名是“hp0ns” 。名为“hp0ns”的 PMOS 管是在 models/目录下名为“hp0ns.m” 的文件中定义的。另外，该目录下的“nmos.m”文件定义了 NMOS 管模型“nmos” 。 然后关闭 opamp 单元的电路图， 打开 opamp_tb 单元的电路图。 opamp_tb 单元的电路图 中，U1, U2 两个单元是前面查看得 opamp 单元的实例。U1 和电阻构成一个同相比例运放， 闭环增益为 5 倍，它用于演示瞬态分析的方法。而 U2 输入差分正弦小信号，用于演示交流 分析的方法。 在 Composer 中可以直接为电路加上输入激励，这些激励用 analogLib 库中的相关单元 源产生。opamp_tb 单元的电路图中已经设置好这些激励元件的参数，可以逐项查看一下以 下各项参数。 V0 是 analogLib 库中的 vdc 单元，为整个电路供电，其参数仅需设置“DC Volatage” 一项，这里设为“5 V” 。 V1 是 analogLib 库中的 vpwl 信号源，用于产生同相比例运放的输入信号。其参数设置 如下图所示。V1 会产生如图十二所示的电压波形。 第 11 页 共 25 页 北京中科微电子技术有限公司 北京中科微电子技术有限公司设计部 培训教程： 培训教程：模拟电路的仿真 (v1.0) 图十一、V1 的参数设置 V 1V (Time 1, Voltage 1) (Time 2, Voltage 2) 0.1V 0 图十二、V1 产生的波形 100us t 第 12 页 共 25 页 北京中科微电子技术有限公司 北京中科微电子技术有限公司设计部 培训教程： 培训教程：模拟电路的仿真 (v1.0) V2, V3 也是 vdc 单元，它们为运放 U2 设置输入偏置、提供差分输入信号。其中 V2 的 参数设置如下图。这里设置了“DC Voltage”作为输入偏置电压，在进行交流分析之前， 仿真器用该值计算电路的直流静态工作点；而“AC magnitude”项是交流分析时输入的 交流小信号的幅度。V3 除“AC magnitude”项为“-10m V”外，其余于 V2 设置相同。 图十三、V2 的参数设置 第 13 页 共 25页 北京中科微电子技术有限公司 北京中科微电子技术有限公司设计部 培训教程： 培训教程：模拟电路的仿真 (v1.0) 2.3 第二步：设置仿真环境 执行 Composer 的菜单命令 “Tools-Analog Artist” 即可直接打开集成开发环境 Analog Artist。所有仿真环境直接在 Analog Artist 中设置。 首先选择后端的模拟器。执行 Analog Artist 的菜单命令“Setup-Simulator/Directory /Host ”将出现如图十四所示的对话框。在该对话框中可以设置： Simulator：这里选用 Cadence Spectre 作为后台运行的模拟器，选择“spectreS”项。 Project Directory：这里指定存放的仿真数据如电路网表、仿真结果等的目录。 建议如图设置。 Host Mode：因为 Spectre 在本机运行，故选择“local”项。 图十四、设置仿真器、仿真目录 第 14 页 共 25 页 北京中科微电子技术有限公司 北京中科微电子技术有限公司设计部 培训教程： 培训教程：模拟电路的仿真 (v1.0) 然后执行菜单命令“Setup-Environment ”弹出“Environment Options”对话框。这里 需要设置“Include/Stimulus File Syntax”和“Include File”两项内容。如图十五所示。 这一步设置主要是为了指定模型文件的路径。在文件“/analogsim/models/ inc.v”中包含了模型文件也即 nmos.m, hp0ns.m 两个文件的路径（前面“预备工 作”中执行的 setup.sh 脚本即用于自动生成 inc.v 文件） ，其内容类似如下： #include /export/home/casic/student/analogsim/models/hp0ns.m #include /export/home/casic/student/analogsim/models/nmos.m 该文件中的内容将被合并到最终电路网表文件中，传送给 Spectre 进行仿真。 图十五、设置 Include 文件 第 15 页 共 25 页 北京中科微电子技术有限公司 北京中科微电子技术有限公司设计部 培训教程： 培训教程：模拟电路的仿真 (v1.0) 2.4 第三步：选择分析类型 Analog Artist 中在菜单命令“Analyses-Choose ”弹出的“Choose Analyses”对话框 中选择分析类型。各种分析类型最下方都有一个“Enabled”选项： ，选中后即 进行相应的分析。下面仅以瞬态分析和交流分析为例。 一般情况下，瞬态分析仅需设置结束时间（Stop Time）一个参数，如图十六所示。然 后选中“Enabled”选项即可。 图十六、设置瞬态分析 第 16 页 共 25 页 北京中科微电子技术有限公司 北京中科微电子技术有限公司设计部 培训教程： 培训教程：模拟电路的仿真 (v1.0) 交流分析的设置如图十七所示。为了绘出运放的频率响应，选择扫描变量（Sweep Variable）为“Frequency” ，然后设置扫描范围 10500MHz，最后选中“Enabled”选项。 图十七、设置交流分析 第 17 页 共 25 页 北京中科微电子技术有限公司 北京中科微电子技术有限公司设计部 培训教程： 培训教程：模拟电路的仿真 (v1.0) 2.5 第四步：指定观测数据 使用“Outputs”菜单下的命令选择观测数据，如图十八所示。 图十八、Analog Artist 的 Outputs 菜单 首先我们进行瞬态分析仿真，观测运放 U1 的输入信号 Vin 和输出 Vout，并作出同相比 例运放的输入闭环增益曲线。 执行“Outputs-To Be Plotted-Select On Schematic”命令，Analog Artist 自动把电路图 抬到前台， 这时用鼠标点击电路图中的线网则观测该线网上的电压， 点击元件的端口则观测 该端口流过的电流（如图十九所示） 。 图十九、观测端口电流 这里仅需点击一下“Vin”和“Vout”两个线网。选择完毕以后按“Esc”键退出命令。 “To Be Plotted”命令将把选中数据的仿真波形直接显示到 Waveform 中。 然后选择交流分析所需的数据，观测 U2 的频率响应，绘制幅频响应和相频响应。 执行 “Outputs-To Be Saved-Select On Schematic” 命令， 单击电路图中线网 “V+” “V-” “Vac” 。因为不需直接绘出这三个信号的仿真波形，所以只用“To Be Saved”命令保存仿 真结果。 所有被选择的观测数据列于 Analog Artist 的 Outputs 栏内，如下图所示。 第 18 页 共 25 页 北京中科微电子技术有限公司 北京中科微电子技术有限公司设计部 培训教程： 培训教程：模拟电路的仿真 (v1.0) 图二十、Analog Artist 的 Output 栏 2.6 第五步：瞬态分析仿真 至此可以运行仿真了。首先只进行瞬态分析：选中图十六中的“Enabled”选项，不选 中图十七中的“Enabled”选项。Analog Artist 的 Analyses 栏如图二十一所示。 图二十一、Analog Artist 的 Analyses 栏 然后执行菜单命令“Simulation-Run” ，在 icfb 的信息窗口会显示仿真过程信息，仿真 完成后 icfb 显示类似于图二十二。 图二十二、仿真结束后 ICFB 的显示 第 19 页 共 25 页 北京中科微电子技术有限公司 北京中科微电子技术有限公司设计部 培训教程： 培训教程：模拟电路的仿真 (v1.0) Analog Artist 会自动弹出 Waveform 窗口，绘制前面“To Be Plotted”命令选择的数据 的仿真波形，如图二十三所示。 图二十三、瞬态分析的仿真波形 为了得到同相比例运放的增益曲线，需要使用 Calculator 工具（如图五所示） 。执行 Analog Artist 菜单命令“Tools-Calculator”打开 Calculator。 首先执行一下 Calculator 的菜单命令 “Options-Set Algebraic” 该命令将表达式格式设 ， 置成代数形式，Calculator 默认使用 RPN (Reverse Polish Notation)表达式。 然后在 Calculator 上方的输入框中输入： VT(/Vout)/VT(/Vin) 。其含义是 瞬态分析电压值 Vout 和 Vin 之比随时间的变化关系。 最后单击 Calculator 的 波形。结果如图二十四所示。 按钮（erase plot） ，在 Waveform 中绘制上述表达式的 第 20 页 共 25 页 北京中科微电子技术有限公司 北京中科微电子技术有限公司设计部 培训教程： 培训教程：模拟电路的仿真 (v1.0) 图二十四、运放闭环增益 2.7 第六步：交流分析仿真 下面仿真运放的频率响应。 设置只进行交流分析， Analog Artist 的 Analyses 栏如下所示。 图二十五、Analog Artist 的 Analyses 栏 第 21 页 共 25 页 北京中科微电子技术有限公司 北京中科微电子技术有限公司设计部 培训教程： 培训教程：模拟电路的仿真 (v1.0) 然后选择 Analog Artist 菜单命令“Simulation-Run”运行仿真。待仿真完成后打开 Calculator，输入如下表达式： dB20(VF(/Vac)/(VF(/V-)-VF(/V+) 。该 表达式的含义是交流分析电压值 Vac 与差分输入(V-V+)之比（取分贝值）随频率的变化关 系，最后单击 Calculator 的“erplot”按钮，即可绘制出运放的频率响应的波特图，如图二 十六所示。 图二十六、运放的幅频响应 第 22 页 共 25 页 北京中科微电