集成电路Spice,Spectre仿真总结

1、集成电路_Spice,Spectre仿真总结Desig ners-Guide to Spice and Spectre 1995 USA Desig ners-Guide to Spice a nd Spectre Ken Kundert 11.1绪论1.为什么要读这本书 该书是介于算法 和教你如何操作软件之间的一本书可以帮助你更好的使用Simulator的设置。Simulator仿出的结果可靠不精确不是否收敛应该如何处理如何设 置读完这本书你应该会1 Simulator如何计算结果2 Simulator会产生何种错 误如何识别3如何提高仿真精度4如何克服不收敛的情况5对于一些特殊电路 会产生

2、什么错误如何识别6明白仿真器里设置con verge nceerror con trol的一些 重要参数7能知道仿真器的错误信息出在什么地方如何解决2.电路仿真软件的发展历史直接方法求出电路的微分方程组用数值积分方法差分化然后用牛顿 迭代法求解非线性代数方程组。？是最准确可靠最通用的方法 Explicit integration methods ?方法问题很多 relaxiton methods ?方 法问题很多3. Spice Options Global Options: Abstol控制电流默认为 1pA Vntol控制电压默认为1uV Reltol相对误差对于牛顿收敛准则和截断误差准

3、则同时起作用默认10-3对于重要电路这个应该设置小一些比如说10-5或者10-6Gmin防止非线性器件关断后的浮空节点默认为10-12 Q-1LimptsPivrelPivtol 无用处 DC Analysis Options: ltl1DC 工作点最 大牛顿迭代次数默认100 ltl2DC Sweep最大牛顿迭代次数默认50 ltl6Source Stepping的最大步长数 增加以上3个值可以增加DC牛顿迭代收 敛但是会降低速度。 Tran sie nt An alysis Opti ons: 1Desig ners-Guide to Spice and Spectre 1 995 USA

4、 maxnnprednQtQtTrtolreltolQChgtol? Chgtol 控制 LTE 见上面式子ltl3瞬态过程最小牛顿迭代次数默认为 4 ltl4瞬态过程最大牛顿迭代次数默认 为10 ltl5整个瞬态过程总的牛顿迭代次数的最大值默认为5000 lvltim设置时间步长控制算法。lvltim1不使用LTE控制步长lvltim2使用LTE控制步长。默认为 2 MaxordGear的阶数默认2最高6。建议不要使用高阶 Gear方法。Method 可选择 Trapezoidal 和 Gear Tmax 默认 TmaxTstop-Tstart/50 同时 Tmax 不超 过最短传输线的延迟

5、时间。这个参数一般应该设小一些具体如何设置看本文的 傅利叶分析一章。Tstep对傅利叶分析有影响。对结果波形有影响。Trtol默认为7不允许变小只能不变或者变大。见本文瞬态分析一章。UicUicOspice默认相当于skipdcnospectre默认仿真器计算DC工作点当有接地电感时这个会导致 电感中大电流和瞬态初始的大电压。Uic1相当于skipdcyes不计算工作点按照规定设置工作点。这个的一般问题是会导致初始不连续。增加ltl4可以帮助瞬态牛顿迭代过程的收敛。4. Spectre Options Global Options: Approx 允许Cade nee对器件的模型公式做小的近似

6、可以加快仿真速度Diag nose可以帮助诊断电路默认是关闭的。因此可以显示仿真过程中的一些不寻常的事件帮助收 敛。推荐打开。Gmi n防止非线性器件关断后的浮空节点默认为10-12 Q-1Homotopy使用连续性方法计算DC工作点或者瞬态仿真的初始值。 可以选择nonegminsourceptrandptranall 。默认值是all也就是使用任何可以选 择的方法实现收敛。一般all是最好的所以这个选项不要动。iabstolvabstol控制 电压和电流和spice 一样。Reltol通用误差控制非常的常用和重要。limit帮助 牛顿迭代收敛的辅助算法。可选择 devdeltalog。默认

7、是dev即指定限制的是 device。这个一般不要动。Macromodels默认是no。当仿真宏模型时选择 yes可以帮助收敛可以容忍宏模型仿真中出现的一些不连续和怪异的事情。 Opptcheck 检查电路中每个器件的一些参数和电压电流是否超过允许范围 会报 warning 。 2 Designers-Guide to Spice and Spectre 1995 USA Pivabs 控 制 Jacobian 距阵的一个量。默认值为 0 。 Pivotdc 控制 Jacobian 距阵的一个量 默认是 disable 。 Pivrel 控制 Jacobian 距阵的一个量默认是 10-3 。

8、 rforce 用在 nodesetsnodeforcesinitial conditions 时候。如果 rforce 的出现引起初始偏置不 准确那么可以减小 rforce 。 注在 nodesetsnodeforcesinitial conditions 情况下都 要使用 rforce 进行偏置。 DC Analysis Options: Check 检查器件的工作参数 是否超出 soft limits 的范围和 opptcheck 基本相同的作用 spectre 中的一个新概 念类似与 tran 中的 initial conditon 强制限定节点电压或者支路电流。 目的是给出 一个独立

9、的解因此该解一般是不平衡的。有 4 个选项 nonenodedevall 默认是 none 也就是不强制限定任何节点电压和支路电流电路的工作点完全由求解方程 得到。 forcenone 不强制限定任何节点电压和支路电流。 forcenode 采用 Initial conditon 中设置的值强制限定节点电压和支路电流。 forcedev 采用 device 中设置的值强制限定节点电压和支路电流。比如说电容初始电压和电感初始电 流。forceall同时采用Initial conditon中和device中设置的值强制限定节点电压 和支路电流。 force 这里会有一个问题当选择 forceall

10、 的时候 Initial conditon 中 和 device 中设置的值会不会冲突比如说电容电压和节点电压。 实验结果是 spectre 会报 warning 说两个值不一致然后忽略掉 Initial conditon 而采用 device 中设置的值。 homotopy DC 中的 homotopy 会覆盖 Global 中的 homotopy 但作 用是一样的。 Maxiters DC 分析中牛顿迭代的最大次数默认 150 一般不需要 改。 Maxsteps DC 分析中当采用 homotopy 时最大步长数默认 10000 不需要修 改。 Readforce 采用文件的形式定义 no

11、deforce 。可以手动定义也可以采用 spectre 仿真出的文件。 Readns 采用文件的形式定义 nodesets 。可以手动定义 也可以采用 spectre 仿真出的文件。 Restart 默认值是 restartyes 但当需要进行 一系列仿真比如说 acdctran 等的时候 restartno 会有用处。一般不要动这个选项。 不管是设置 restartyes 还是 nospectre 都照样计算初始的工作点唯一不同的是牛 顿迭代的初始 3Designers-Guide to Spice and Spectre 1995 USA 起点不一样 罢了。 注 restart 和 pr

12、evoppointacxfspstbzp 等 skipdctran 是不一样的。 ac 仿真 中的 prevoppointyes 表示强制不进行初始 dc 工作点计算直接采用前面某个仿真 的最后结果作为 ac 的初始工作点。 tran 仿真中的 skipdcyes 表示强制不进行初 始 dc 工作点计算直接采用给定的 initial condition 作为初始工作点没有给定 initial condition 的认为是 0。而 restartyesno 只是影响牛顿迭代的初始起点的取 法 spectre 还是照样计算初始的 dc 工作点。 write dc 分析牛顿迭代的初始点存 储 ini

13、tial guess writefinal dc 分析牛顿迭代的最终值存储 final value 注 DC 分析 的 write 和 write final 的文件 spectre.dicspectre.dfc 可以作为 readnsreadforcereadic 使用。 Transient Analysis Options Cmin 指定每个节 点的最小电容默认值为 0。但当出现收敛问题时候可以把 Cmin 设为 1fF 左右帮 助收敛。 Errpreset 可以选择 conservativemoderateliberal 。详细说明见后面。 和 dc 中的 force 功能相似用于 tr

14、an 中。有 4 个选项 dcnodedevall 默认是 all 这个 和 dc 中的 force 默认是 none 是不一样的。 Icdc 求解 dc 的值作为 Ic 也就是不 采用用户设置的初始值 Icnode 采用 Initial conditon 中设置的值作为初始 值 Icdev 采用 device 中设置的值作为初始值。比如说电容初始电压和电感初始 电流。 Icall 同时采用 Initial conditon 中和 device 中设置的值作为初始值。 Ic 这 里会有一个问题当选择 Icall 也就是默认状态的时候 Initial conditon 中和 device中设置的

15、值会不会冲突比如说电容电压和节点电压。 实验结果是 spectre 会报 warning 说两个值不一致然后忽略掉 Initial conditon 而采用 device 中设置的值。 这个和 dc 中的 forceall 是一样的 Iteratio 和 spice 中的 Trtol 功能一样控制 LTE 默认值取决于 errpreset 。具体用法见后面。 Maxiters 瞬态分析牛顿迭代的最大 次数。对于一些连续性较差的电路比如说含有宏模型增加 Maxiters 可以增加收 敛性。默认值为 5 推荐值为 50 。 Maxstep 指定最大步长。一般来说要得到较好 的精度首先得减小 rel

16、tol 然后指定 maxstep 。但是当具有谷底效应的时候比如说 osc 的起振过程 reltol 不能有效的控制步长此时步长完全由 maxstep 决定才能得 到较好的结果。 4 Designers-Guide to Spice and Spectre 1995 USA Method 数 值积分方法 eulertraptraponlygear2gear2onlytrapgear2 Readic 类似于 dc 分析 中的readforce。采用文件的形式定义ic。可以手动定义也可以采用spectre仿 真出的文件。 Readns 类似于 dc 分析中的 readns 。采用文件的形式定义 n

17、odesets 。可以手动定义也可以采用 spectre 仿真出的文件。 Relref 默认值由 errpreset 决定。从强到弱排为 pointlocalalllocalsigglobalallglobalRestart 默认是 restartyes和dc中的用法一样Skipdc默认是n0。具体用法见后面。如果需要 使用 skipdc 推荐用 autodc。 Step 默认值由 errpreset 决定。主要用途是控制非 状态变量信号的精度。 write tran 分析初始工作点的存储这个和 dc 的 write 是不 一样的 writefinal tran 分析完成后最终值存储 fina

18、l value 注瞬态分析的 write 和 write final 的文件 spectre.icspectre.fc 可以作为 readnsreadforcereadic 使 用。 5Designers-Guide to Spice and Spectre 1995 USA 1.2 DC 分析 1. DC 解 的个数和特性 电路的 DC 解可能不止一个 仿真器没法自动判断解的稳定 性因此得到的解可能是稳定的也可能是不稳定的 2. DC 分析中收敛最重要其次 是精度因为只要收敛一般精度够 3. 现代电路软件组织方程组的方法 modern nodal analysis 节点分析方法 4. 求解非

19、线性方程的收敛准则 牛顿更 新收敛准则 update convergence criteria 1maxkknnnvvreltolvvabstol-lt? 这里1maxmaxkknnvvv-n 牛顿残余收敛准则residue convergence criteria maxknnfvreltolfiabstollt ? 一般reltol10-3 vabstol1uV iabstol1pA 这里两个准则都是必需的。如果节点阻抗低则 小电压引起大电流因此残余收敛准则处理的是电流起作用如果节点阻抗高则小 电流引起大电压因此更新收敛准则处理的是电压起作用。 5. 牛顿迭代收敛的 3 个条件这3个条件任

20、何一条都可能不满足 ？ ？连续可微V0充分接近于VX解VX 是惟一的 6. 大电路收敛更困难 7. 3 大问题解不唯一不止一个解解不收敛找不到 解解不精确。 后面逐一寻找。 解不惟一 NodesetNodeforceinitial condition 被 用在 nodeforce 中这里用 到 rforce 。设置 Gmin 解不收敛使用 nodesets 增加 Gminiabstolvabstolreltol 增加迭代次数 Maxiters 使用 homotopy 方法。 解不 精确减小 Gmin 可以设为 0 减小 reltoliabstolvabstol 8. 解不惟一 ? Jacobi

21、 matrix 奇异没法迭代 由于器件模型或者电路参数造成的解不惟一 spectre 没办法查出来由于拓扑结构造成的可以查出来。 9. 解不惟一如何解决 ? NodesetNodeforceinitial condition 被用在 nodeforce 中 Nodeset 对 DC 和 Transient 都有作用 Nodeforce 仅对 DC 有作用 Nodeset 仅作为收敛辅助用如 果电路有惟一解它不影响该解的唯一性。而 Nodeforce 直接作为解在该节点的 值因此直接破坏了解的惟一性。事实上 6 Designers-Guide to Spice and Spectre 1995

22、USA Nodeforce 产生的解是 非平衡的。 Nodeset 产生的是平衡的。 10. gmin 的作用将非线性器件的端子上并联 gmin 的电阻使得解唯一让 Jacobi 距阵非奇异。 对于浮空节点 spectre 自动 将该节点连接电阻gmin到地。默认情况下gmin1e-12 Q-1 force的作用对于 nodeforcenodesetsinitial condition 里面设置的电压用一个理想电压源串联 rforce然后偏置到该节点。默认情况下 rforcel Q 11.当用牛顿方法求解失败不 收敛改用homotopy方法continuation方法求解fv引入参数让参数从0

23、到1 变化 几种通用方法source stepping/gmin stepping/pseudo stepping/dptran sourcegmin 的方法会 受到不连续折回分叉的影响而 dptran/ptran 的方法虽然连续但是加入的电容有 可能使电路振荡。 12. DC 不收敛怎么办 解决方法 diagnoseyes 使用 nodeset 增加 iabstol 和 gmin 可能会影响精度增加迭代次数 maxiters 改变 rforce 看 restartyes 是否有效果使用 tran 仿真来寻找 DC 点请参考后面 一般来说当 DC 不收敛而且不收敛不是由于拓扑结构元件参数等原因

24、引起的时候采用的方法是 逐渐的 DC 扫描某些参数比如说 sourcegminbf 等等或者是采用瞬态分析扫描时 间。也就是所谓的连续性方法。13.如何改善DC的精度影响的原因2个gmin 和收敛准则 1 对于某些电路利用节点上存储的电荷工作节点希望它浮空比如说 电荷存储器件不能容忍通过gmin损失的电荷这种情况下应该设置 gmin0。不过 这样可能导致 Jacobi 距阵奇异。 2 牛顿残余收敛准则针对的是 KCL 定律相当于 节点电流有一点的误差不守恒。 对于高阻抗节点即是小的电流误差会导致很大电 压误差 解决方法减小 reltol 这是通用方法同时保持 iabstol 和 vabstol

25、 合理使 用 nodeset 如果 gmin 影响则设置 gmin0 14. restarting from a previous solution 关于 restart 的设置问题 仿真 A 仿真 B 初始值 1gt 初始值2 gt 如果初始值 1 是正确合理的而仿真 A 改变了初始值 1 比如说瞬态仿真即2工1那么仿真B应该从1启动因此必需设置restartyes。典型的例子 是先仿DC再仿Tran再仿AC。由于Tran改变了 DC的工作点因此AC仿真就 不正确了默认从 2 启动此时再 AC 中要设置 restartyes 此时从 1 启动 如果是 扫描过程比如说参数扫描寻找 DC 工作点

26、那么 2才是合理需要的因此仿真应该从2 启动因此设置 restartno 默认是no 7Designers-Guide to Spice and Spectre 1995 USA 15. 极小的浮空电阻使 得 KCL 不满足 absolute convergence criteria 再 spice 中没有关于 KCL 的收敛 准则因此极不可靠。 spectre 两个都有可靠 1.3 AC 分析包括 XFnoisesppz 等 1. DC 分析的最大问题 convergence Tran 分析的最大问题 accuracy AC 分析 由于是线性分析没有上面的问题 2.谈谈AC和XF的的不同 应

27、该说差别很 大。AC单个激励源-任何节点和支路XF多个独立激励源-单个节点或 者支路一般是输出 研究表明当 AC 中存在多个激励源时多个激励源彼此共同 作用任何节点和支路都是这些激励源共同作用的结果。 而当 XF 中存在多个激励 源时多个激励源彼此是独立的没有共同作用也就是说你想看哪个节点到输出的 传输函数那么就只有该节点的激励源起作用产生输出而其它的激励源不起作 用。 上面说的很明显了当有多个激励源需要同时作用时候比如说多个噪声源 的贡献那么你只能用AC。但是当需要同时得到电路不同地方的激励源到输出的 传输函数的时候相当于电路中有多个激励但要求彼此独立互不影响则只能用 XF。 3. AC 分

28、析的不足由于是线性分析没法考虑电路的时变、非线性造成的失 真、频率转换等特性这些再 spectreRF 里面考虑了 4. 如何创建有噪声和无噪声 的元件 无噪声的电阻用受控源 VCCSCCVS 来创建将受控源的输入和输出连 起来根据 IV 关系建立 噪声电压和噪声电流用电阻去控制 VCVS 或者 VCCS 得到噪声电压和噪声电流不过是白色的。如果用 RC 并联去控制 VCVS 或者 VCCS 得到噪声电压和噪声电流此时是有色的。 5. noise 分析噪声很大的局限 性 由于是基于直流工作点的线性展开分析没有考虑非线性和时变性影响得出 的噪声非常不准确忽略了很多效应噪声折叠周期平稳效应。 比如

29、说对于简单差动 运放尾电流的噪声也不能得出正确的结果因为 noise 分析差动的噪声为 0 显然不 对 改用 PSSPnoise 分析 6. AC 分析应用到实际的反馈放大器电路单个运放 采用 ideal_balun 仿真 刻画反馈环路的 4 个参数闭环增益 A 开环增益 a 环路 增益 T 反馈系数 f 8 Designers-Guide to Spice and Spectre 1995 USA 对于 理想反馈系统 /oioefefASSaSSTSSfSS/o 对于实际反馈运放由于 opamp 和 feedback networks 具有有限的输入、输出负载以及输入和输出相互耦合导致的 前

30、馈和反馈通路使得反馈系统的参数测量非常困难。总结为两条负载效应 loading 输入输出非单向化 unidirectional 永远要记得除非反馈回路中所有模 块都是理想的无负载效应单向化的才能用每个模块的性能参数计算得到反馈系 统的 4 个参数。由于负载效应和非单向化效应实际反馈回路的 4 个参数只能通 过测试得到不能通过每个模块的性能参数计算得到。 断开反馈环路测试 4 个 参数是愚蠢的不可行的因为断开反馈回路意味着破坏了反馈回路的负载效应和 直流工作点测得的参数当然不是实际反馈回路真正的性能参数了。 真正实践中反 馈环路永远不能断开。 某些方法比如说 AC Switch 方法等等在低频下

31、得到较 好的结果。但是在高频下由于寄生电容电感的负载效应和耦合效应非常严重任何 对反馈环路做一点点物理上的改变的方法都得到不准确的结果。 最准确的方 法作了如下定义 运放包含所有前馈通路包括运放、反馈 反馈包括所有反馈通路 包括运放、反馈 loading effects 全部纳入运放的输入输出端中包括运放、 反馈 导 出 4 个有效参数注意和前面定义的理想参数区别开来 effective open-loop gain/feedback factor/closed-loop gain/loop gain 计算 公式对于 series-series 结构而言 2111222112112212112221122112112221zzzzzazzzfzzzzzz TzzAz 7.关于反馈的 4种结构的讨论 前提反馈的输入要 sense 电压则必需并联到运放 的输出端反馈的输入要 sense 电流则必需串联到运放的输出端。反馈的输出要 feedback