Spectre、Ultrasim和SpectreVerilog仿真介绍

1、spectre、ultrasim和和spectre-verilog 仿真介绍仿真介绍张张 昊昊2011年年3月月7日日2021-10-9共61页2内容提要内容提要l模拟前端eda工具简介lcadence中spectre的模拟仿真lultrasim快速仿真技术lspetre-verilog混合信号仿真lq & a2021-10-9共61页32021-10-9共61页4电子系统的层次电子系统的层次上游上游下游下游2021-10-9共61页5模拟集成电路的设计流程模拟集成电路的设计流程1.交互式电路图输入2.电路仿真3.版图设计4.版图的验证（drc lvs）5.寄生参数提取6.后仿真7.流片全定制

2、全定制2021-10-9共61页6各种仿真器简介各种仿真器简介lspice : 由uc berkeley开发。用于非线性dc分析，非线性瞬态分析和线性的ac分析。lhspice: 作为业界标准的电路仿真工具，它自带了许多器件模型，包括小尺寸的mosfet和mesfet。cadence提供了hspice的基本元件库并提供了与hspice的全面的接口。 lspectre: 由cadence开发的电路仿真器，在spice的基础上进行了改进，使得计算的速度更快，收敛性能更好。2021-10-9共61页7几家几家eda软件软件公司公司l1、synopsys（收购avanti） l2、cadencel3、

3、mentor graphicsl4、silvacol5、springsoft2021-10-9共61页8cadenc软件简介软件简介cadence 提供了一个大型的eda 软件包，它包括：l模拟ic设计 全定制ic设计工具virtuoso schematic composer 电路仿真工具analog design environmentl数字ic设计 verilog-xl encounter2021-10-9共61页9cadence中中spectre的仿真的仿真1、进入cadence软件包 2、建立可进行spectre模拟的单元文件 3、编辑可进行spectre模拟的单元文件 4、模拟仿真的

4、设置(重点) 5、模拟仿真结果的显示以及处理 6、分模块模拟(建立子模块) 7、两个实例2021-10-9共61页10进入进入cadencecadence软件包软件包l方法一方法一 使用putty软件（缘网下载），在host name处填工作站地址，端口默认，协议（protocol）选ssh，如图所示，在putty进行设置；然后用exceed登录工作站。2021-10-9共61页11l方法二方法二 1、安装winvnc软件 2、运行putty软件键入 用户名和密码，在提示 符处键入 vncserver命 令申请vnc端口 3、运行winvnc，填入 主机名称：端口号码2021-10-9共61页

5、12工具栏介绍工具栏介绍从上至下：1.check and save 2.save3.zoom in by 2 4.zoom out by 2 5.stretch s6.copy c7.delete del8.undo u9.property q10.instance i11.wire（narrow） w12.wire（wide） w13.wire name l14.pin p15.cmd options16.repeat2021-10-9共61页13添加元器件添加元器件点击右边工具栏“instance”或快捷键“i”基本的元器件，如nmos pmos 电阻 电容 电压源 电流源 等等 都在an

6、aloglib库里。注意！注意！view要选择要选择symbol2021-10-9共61页14常用常用analoglib库的元器件库的元器件器件cell 名称pnp管pnp电阻res地gnd电容cap直流电压源vdc电感ind直流电流源idcnmosnmos4方波发生源vpulsepmospmos4可编程方波发生源vpwlnpn管npn正弦波发生源vsin2021-10-9共61页15元器件元器件symbol视图视图2021-10-9共61页16模拟仿真的设置模拟仿真的设置( (重点重点) )composer-schamatic界面中的tools analog environment项可以打开

7、analog design environment 窗口，如右图所示。2021-10-9共61页17analog design simulation菜单介绍菜单介绍session菜单菜单schematic window save state load state options reset quit回到电路图保存当前所设定的模拟所用到的各种参数加载已经保存的状态一些显示选项的设置重置analog artist。相当于重新打开一个模拟窗口退出2021-10-9共61页18setup菜单setup菜单菜单design simulator/directory/host temperature mod

8、el library environment选择所要模拟的线路图选择模拟使用的模型一般有cdsspice hspices spectre等 设置模拟时的温度设置库文件的路径和仿真方式设置仿真的环境 （后仿真时需设置）2021-10-9共61页19analysis菜单选择模拟类型。spectre的分析有很多种，如右图，最基本的有tran（瞬态分析）dc（直流分析） ac（交流分析）。2021-10-9共61页20tran（瞬态分析）（瞬态分析）可选择三种仿真精确度：宽松的（liberal），适中的（moderate），保守的（conservative）。其中liberal的仿真速度最快，但是精度

9、最低。这种精度的仿真适合数字电路或者是变化速度较低的模拟电路；moderate作为仿真器默认的设置，其精确度类似于用spice2计算的仿真结果;conservative具有最高的精确度但是速度最慢，适合较敏感的模拟电路的仿真 2021-10-9共61页21dc（直流分析）（直流分析）dc（直流分析）可以在直流条件下对temperature，design variable，component parameter，model parameter进行扫描仿真例如:对温度的扫描（测量温度系数）电路随电源电压变化的变化曲线等2021-10-9共61页22ac（交流分析）（交流分析）ac（交流分析）是分析

10、电路性能随着运行频率变化而变化的仿真。既可以对频率进行扫描也可以在某个频率下进行对其它变量的扫描。2021-10-9共61页23variables菜单包括edit等子菜单项。可以对变量进行添加、删除、查找、复制等操作。变量（variables）既可以是电路中元器件的某一个参量，也可以是一个表达式。变量将在参量扫描（parametric analysis）时用到。2021-10-9共61页24参量扫描共功能tools/parametric analysis它提供了一种很重要的分析方法参量分析的方法，也即参量扫描。可以对温度，用户自定义的变量（variables）进行扫描，从而找出最合适的值。20

11、21-10-9共61页25calculator的使用的使用calculator是一个重要的数据处理工具，可以用来仿真电源抑制比，相位裕度，共模抑制比2021-10-9共61页26模拟结果的显示以及处理在模拟有了结果之后，如果设定的output有plot属性的话，系统会自动调出waveform窗口，并显示outputs的波形，如左图2021-10-9共61页27l在模拟电路的仿真过程中，要在不同的pvt (process，voltage，temperature)状况下全面地仿真。l工艺对应的是不同的工艺角类型；l电压指的是电源电压，要求仿真标称值的100%10%电源电压下的电路的仿真结果；l温度

12、要求对于芯片的应用范围有所不同，一般民用级的温度范围是070，工业级是-4585，军用级是-55125。2021-10-9共61页282021-10-9共61页29 ultrasim仿真技术仿真技术l传统的spice模拟器(例如spectre、hspice)有一些人所共知的局限性，例如模拟容量小(大约只能支持5万有源器件)，对较大设计的模拟速度较慢。为了克服这些局限，cadence推出了第三代fast spice模拟器，即ultrasim模拟器，采用了电路划分、多速率模拟和压缩表模型等技术。2021-10-9共61页30 ultrasim仿真环境设置仿真环境设置 l因为ultrasim已经完全

13、集成在cadence的标准模拟电路仿真流程中，我们在搭建好点电路图并且保存后，从composer-schematic界面中的toolsanalog environment项就可以打开ade窗口。2021-10-9共61页31l此时ade窗口默认的仿真器simulator为spectre，为了设置使用ultrasim仿真器，点击setupsimulator/directory/host，弹出对话框如图6.31所示。选择仿真使用的模型，在下图simulator中选择ultrasim。2021-10-9共61页32l如同spectre仿真，在setupmodel library setup选择模型文

14、件的路径，并填入仿真模型的工艺角类型。l在analysis菜单中可以选择分析类型，从analysischoose打开如图窗口，选择瞬态分析类型tran，tran的设置只需填入仿真停止时间即可。选择是否保存直流工作点。2021-10-9共61页33l接下来选择仿真所需要的精度和速度，如图6.33所示，进入simulation菜单，选择optionanalog。2021-10-9共61页34l然后显示如图所示的simulation option窗口，它有许多选项的设置，包括速度、精度、输出、温度，规模等等。下面将主要介绍一下四项仿真参数的设置，仿真模式、仿真速度、矩阵分割以及波形文件格式。2021

15、-10-9共61页351仿真模式设置（仿真模式设置（simulation mode）lsimulation mode中有6种模式，分别为digital fast（df）、digital accurate(da)、mixed signal（ms）、analog multi rate (amr)、analog（a）和spice（s）。六种模式的精度依次升高，但是仿真速度依次降低。每种模式所利用的仿真模型也不完全相同，各种模式有相应的应用。下面将详细介绍每种模式的应用、使用的模型以及仿真的目标精度。2021-10-9共61页362021-10-9共61页372.仿真速度设置（仿真速度设置（speed

16、 option）lspeed option可以设置总的公差容忍度tol（tol也可以单独设置）,tol包括电压、电流等所有的公差容忍度之和。speed option有八个选项，分别是speed1,2,3,4,5,6,7,8。其对tol分别是0.0001 ,0.001,0.0025,0.005,0.02,0.02,0.04,0.07,精度依次降低。通常,如果精度要求不是很高,可以采用默认设置,而无需设置这一项。注意：精度设置的越高,相应的速度越低。2021-10-9共61页383.矩阵分割设置（矩阵分割设置（analog option）lultrasim把大的电路矩阵分割成小的矩阵,以加快仿真速

17、度,但同时会损失一些精度。analog选项用来控制矩阵分割的大小，通常采用默认设置。以下是适用每种analog值的电路。lanalog=0 适用于数字电路和存储器电路lanalog=1 适用于数字电路、存储器电路和混合信号 电路（默认）lanalog=2 适用于混合信号、模拟和射频电路lanalog=3 适用于模拟电路和射频电路lanalog=4 适用于混合信号电路（高度敏感）2021-10-9共61页394. 波形文件格式的设置（output format） ultrasim支持以多种波形文件格式存储波形,主要有psf和sst2。psf应用很广泛，可以通过cadence的awd和新的wave

18、scan打开。sst2是cadence新的压缩波形文件格式,生成的波形文件最小,可以使用cadence的wavescan和simvision打开。2021-10-9共61页40l设置好这些仿真条件后，选择保存所要输出的电压或者电流，点击simulation中的netlist and run，即可进行ultrasim的仿真。2021-10-9共61页412021-10-9共61页42数模数模混合信号混合信号仿真器仿真器l1、spectre-verilog (cadence)l2、smash (dolphin integration)l3、eldo (mentor graphics)l4、harm

19、ony (silvaco)l5、saber (synopsys)why mixed-signal simulation?2021-10-9共61页43mostly applied method of mixed-signal design2021-10-9共61页44mixed-signal simulator 的基本结构的基本结构l以模拟电路仿真器为核心以模拟电路仿真器为核心 在处理数模混合电路时将数字部分等效为相应的简化的模拟电路、或者采用解析函数来表示逻辑模块的行为，然后对整个系统采用模拟电路的方法进行模拟。优点：模拟结果精确、能处理的电路规模比较大，模拟速度也有显著提高。缺点：比逻辑模

20、拟器还是慢很多。l同时包含模拟和数字两个仿真核同时包含模拟和数字两个仿真核 处理速度快，能处理的电路规模极大，但需要解决模拟仿真核和数字仿真核之间的通信问题；另外，由于数字逻辑仿真器和模拟仿真器的输入、输出数据是不一样的，还必须在模拟仿真核和数字仿真核之间实现模拟信号和数字信号的相互转换。2021-10-9共61页45creating analog blockcreate the schematic view of analog block, and create a symbol view for cell use2021-10-9共61页46creating digital block20

21、21-10-9共61页47creating a mixed-signal schematic2021-10-9共61页48create config view for simulationthe mixed-signal simulation hierarchy is controlled by hierarchy-editor which must be defined with config viewcell name is top circuit name for simulationview name will be set as configuse create new file t

22、o create a new config view with hierarchy-editor2021-10-9共61页49set new configuration1.choose use template sample information2.choose spetreverilog1233. change the view name to schematic for simulation4. click ok2021-10-9共61页50open the schematic version of config viewopen the schematic version of the

23、 config view of mix from the library manager2021-10-9共61页51set block partition开启hierarchy editor设定所使用的cell view显示所使用的cell view 及其颜色设定schematic editor 中的hierarchy-editor 及mixed-signal 两项menu是由菜单tools-mixed signal opts.而产生的2021-10-9共61页52check block partitionchange analog & digital stop views to match

24、 the stop views in your hierarchy editor (as below)2021-10-9共61页53check partition results设定显示的颜色及项目显示所有模块划分的结果显示模拟电路模块显示数字电路模块显示混合信号电路模块显示无法归类的电路模块清除所有显示内容2021-10-9共61页54setup the analog/digital interfaceselect: mixed-signal - interface elements - instancethis tool is used to configure how the digital block reads analog inputs and how digital outputs are seen by analog cells (effective a/d and d/a).2021-10-9共61页55setup the analog/digital interfacemos_a2d: a2d_v0 低电平 a2