第六章 集成电路设计技术与工具

第6章基于SPICE的集成电路仿真6.1电路仿真与SPICE6.2电路描述语句6.3电路特性分析和控制语句6.4基于SPICE核的工具软件6.5集成电路SPICE仿真示例对设计电路的验证传统方法搭实验装置随着集成度的提高，电路规模的扩大，已无法在实验装置上搭接这样的电路即使搭接成功的话，也与实际的集成电路差别太大，失去其物理验证的意义无法进行容差分析和极限条件的验证对设计电路的验证用电路模拟分析的方法在计算机上验证计算机技术和计算方法的发展不需要任何实际的元器件和调试工具，可以很方便地改变各种条件进行模拟分析可以进行各种破坏性的模拟设计者可以在设计投入生产制造前就能预测电路的实际性能对设计电路的验证最为著名和广为采用的电路模拟程序－－SPICE（SimulationProgramwithICEmphasis）其第一版本于1972年由美国加利福尼亚大学伯克利分校电工和计算机科学系开发完成，常称为BSPICEBSPICE是现代各种SPICE的前身，它的源代码公开其版本不断更新SPICE主要针对由元件、半导体器件、电源等组成的电路作分析可以用于电路的直流分析如静态工作点、非线性电路、小信号传输函数等可以用于交流小信号分析如频域分析、噪声分析等还可用来进行瞬态分析、温度特性分析等一个简单的电路仿真的例子*ABJTAMP*标题行，不可少

VCC106*0为接地点，默认；电源为6vQ1230MQ*连接按照集电极、基极、发射极的顺序和模型为MQRC12680*节点1与节点2之间为680欧姆的电阻RB2320KRL501KC14310UC22510UVI40AC1MODELMQNPNIS=1E-14*三极管的模型参数+BF=80RB=50VAF=100*模型参数写不开，接着另一行写，但在前面加+号.OP*分析类型，也叫做点命令作静态工作点分析计算

.END*结束标志；不可缺少简单的晶体管（BJT）放大电路SPICE输入描述语句的构成

标题语句描述文件的第一行SPICE将第一行作为标题行打印而不作为电路的一部分进行分析这一行必须设置注释语句一般形式是“*”后加字符串注释语句不参与电路的模拟仿真可以存在于输入文件除第一行和最后一行之间的任何位置，

SPICE输入描述语句的构成电路的描述语句定义电路拓扑结构和元件类型及其数值，半导体器件，电路描述语句等可以出现在文件的第二行到末行结束语句之间的任何地方

电路特性分析和控制语句选择要分析的电路特性，如频率特性等，以及输出的控制语句。

结束语句标志着电路描述语句的结束格式：.END。位于描述语句文件的最后一行

SPICE中元器件名称的首字母首字母电路元器件首字母电路元器件B砷化镓场效应管L电感C电容MMOS场效应晶体管D二极管Q双极型晶体管E电压控制电压源R电阻F电流控制电流源S电压控制开关G电压控制电流源T传输线H电流控制电压源V独立电压源I独立电流源W电流控制开关J结型场效应晶体管X子电路K互感（耦合系数）输入描述语句的规定

名称

第一个字符必须是A到Z的某一个字符，其它位字符没有限制，前8个字符有效(名称长度)在描述元件时第一个字符必须是规定的元件类型字母节点编号

电路的节点编号一般采用正整数，可以不连续，也可以用字符串代替节点编号接地点必须规定为0节点输入描述语句的规定元件参数值

元件参数值写在与该元件相连的节点后面，其值可用整数、浮点数书写，后面可跟比例因子和单位后缀比例因子后缀有：F＝1E-15；P=1E-12；N=1E-9；U=1E-6；MIL=25.4E-6；M=1E-3；K=1E3；MEG＝1E6；G＝lE9；T=1E12比例因子后缀与它前面的数相乘后即得到该语句所描述的元件的参数值输入描述语句的规定元件参数值单位后缀有：V=伏；A＝安；HZ＝赫；OHM＝欧（）；H=亨；F=法；DEG=度元件值的第一个后缀总是比例因子后缀，然后是单位后缀如果没有比例因子后缀，那么头一个后缀就可能是单位后缀，SPICE总是忽略单位后缀没有比例后缀和单位后缀的情况下，SPICE将电压、电流、频率、电感、电容和角度的量纲分别默认为伏、安、赫、亨、法和度输入描述语句的规定分隔符

用以区分一行语句的不同部分空格、逗号、等号、左括号、右括号等都可以作为分隔符，多余的分隔符是无效的。续行号一般一行最多有80个字符，第二行的开始加上“＋”号，表示是第一行的继续。方向

规定支路电路的正方向和支路电压的正方向一致。不能分析的问题

电路中不能包含以下部分：电压源回路、电感回路、电压源和电感组成的回路、开路的电流源和（或电容）元件描述语句电阻电阻描述语句的语句格式为：

RXXXXXXXN+N-<(MODEL)NAME>VALUE+<TC=TC1<,TC2>>例：RADJ1824KTC=0.0060.002电容和电感语句的格式：

CXXXXXXXN+N-<(MODEL)NAME>VALUE+<IC=INCOND>LXXXXXXXN+N-<(MODEL)NAME>VALUE+<IC=INCOND>元件描述语句互感（耦合系数）互感是先描述两个电感，再描述这两个电感的耦合强度而得的。语法格式为：

KXXXXXXXLYYYYYYYLZZZZZZZ…+VALUE无损耗传输线语法格式为：

TXXXXXXXN1N2N3N4Z0=VALUE+<TD=VALUE><F=FREQ<NL=NRMLEN>>+<IC=V1,I1,V2,I2>元件描述语句电压控制开关语法格式为：

SXXXXXXXN+N-NC+NC- +<(MODEL)NAME)电流控制开关语法格式为：

WXXXXXXXN+N-VNAME<(MODEL)+NAME>半导体元器件描述语句

二极管语句格式为：

DXXXXXXXN+N-MNAME<AREA><OFF>+<IC=VD>例：

DBRIDGE210DIODE1双极型晶体管语句格式为：

QXXXXXXXNCNBNE<NS>MNAME<AREA>+<OFF><IC=VBE,VCE>例：

Q23102413 QMOD1IC=0.6,5.0半导体元器件描述语句MOS场效应晶体管语句格式为：MXXXXXXXNDNGNSNBMNAME+<L=VAL><AD=VAL><AS=VAL>+<PD=VAL><PS=VAL><NRD=VAL>+<NRS=VAL><OFF><IC=VDS,VGS,VBS>结型场效应晶体管语句格式为：

JXXXXXXXNDNGNSMNAME<AREA>+<OFF><IC=VDS,VGS>半导体元器件描述语句半导体电阻器语句格式为：

RXXXXXXXN1N2<VALUE><MMAME>+<L=LENGTH><W＝WIDTH>例：RLOAD21010K半导体电容器语句格式为：

CXXXXXXXN1N2<VALUE><MNAME>+<L=LENGTH><W＝WIDTH><IC=VAL>例：CLOAD21010P电源描述语句V——独立电压源I——独立电流源H——电流控制电压源F——电流控制电流源G——电压控制电流源E——电压控制电压源独立电压源和独立电流源直流源VXXXXXXXN+N-<DC>VALUEIXXXXXXXN+N-<DC>VALUE交流源VXXXXXXXN+N-AC<ACMAG（ACPHASE）>IXXXXXXXN+N-AC<ACMAG（ACPHASE）>瞬态脉冲源VXXXXXXXN+N-PULSE<V1V2TDTRTFPWPER>IXXXXXXXN+N-PULSE<I1I2TDTRTFPWPER>脉冲源参数参数意义缺省值单位V1(I1)起始值—V/AV2(I2)脉动值—V/ATD延迟时间0STR上升时间TSTEPSTF下降时间TSTEPSPW脉冲宽度TSTOPSPER周期TSTOPS各参数和波形图之间的关系瞬态正弦源瞬态正弦源VXXXXXXXN+N-SIN(V0VAFTDALPHAPHASE)IXXXXXXXN+N-SIN(I0IAFTDALPHAPHASE)正弦源的值由下面式子决定：V(T)=VO+VA*SIN(2π*(FREQ*(T-TD)+PHASE/360))*EXP(-(T-TD)*ALPHA)I(T)=I0+IA*SIN(2π*(FREQ*(T-TD)+PHASE/360))*EXP(-(T-TD)*ALPHA)正弦源参数独立电压源和独立电流源瞬态指数源VXXXXXXXN+N-EXP(V1V2TD1TAU1TD2TAU2)IXXXXXXXN+N-EXP(I1I2TD1TAU1TD2TAU2)分段线性源VXXXXXXXN+N-PWL(T1V1<T2V2T3V3T4V4…>)IXXXXXXXN+N-PWL(T1I1<T2I2T3I3T4I4…>)瞬态单调调频源瞬态单调调频源VXXXXXXXN+N-SEFM(V0VAFCMDIFS)IXXXXXXXN+N-SEFM(I0IAFCMDIFS)线性受控源电压控制电压源EXXXXXXXN+N-NC+NC-VALUE电压控制电流源GXXXXXXXN+N-NC+NC-VALUE电流控制电压源HXXXXXXXN+N-VNAMEVALUE电流控制电流源FXXXXXXXN+N-VNAMEVALUE模型、子电路和文件包含语句

模型描述语句

.MODELModelName

TypeName(PName1=Pvalue1,PName2=Pvalue2,…)子电路描述语句.SUBCKTSubName

NodeNames<CONTENTS>.ENDSSubName文件包含语句.INCLUDEFileName电路特性分析语句直流工作点分析计算电路的直流工作点。格式：.OP直流扫描分析定义对电路进行直流扫描的扫描源及扫描限制。格式：.DCSRCNAMVSTARTVSTOPVINCR<SRC2START2STOP2INCR2>小信号传输函数计算电路的直流小信号传输函数值、输入阻抗和输出阻抗。格式：.TFOUTVARINSRC电路特性分析语句直流或小信号交流灵敏度分析在电路的偏置点附近将电路线性化后，计算在电感短路电容开路的情况下所观测变量OUTVAR（节点电压或电压源支路的电流）对电路中所有非零器件参数的灵敏度.SENSOUTVARACDECNDFSTARTFSTART交流特性分析计算电流在给定的频率范围内的频率响应，格式：.ACDECNDFSTARTFSTOP(十倍频).ACOCTNOFSTARTFSTOP(倍频).ACLINNPFSTARTFSTOP(线性)电路特性分析语句噪声分析计算指定节点的噪声输出电压，产生两个输出:噪声频谱密度曲线和指定频域的全部积分噪声.NOISEOUTVARSRCDECNDFSTARTFSTOP瞬态特性分析计算电路的瞬态特性响应，格式：.TRANTSTEPTSTOP<TSTART<TMAX>><UIC>电路特性分析语句傅立叶分析必须与瞬态分析语句联用，对瞬态分析的结果进行傅立叶分析.FOURFREQOUTVAR<OUTVAR2OUTVAR3>失真分析对电路进行小信号失真分析.DISTODECNDFSTARTFSTOP<F2OVER1>零极点分析.PZNODE1NODE2NODE3NODE4CURPOL(ZERO/PZ)控制语句

初始节点电压设置用于帮助SPICE直流或初始瞬态方程的求解过程收敛，常用于双稳态或非稳态电路中。格式：

.NODESETV(NODENUM)=VALV(NODENUM)=VAL…初始条件设置用于设置瞬态特性分析的初始条件，格式：

.ICV(NODENUM)=VALV(NODENUM)=VAL…控制语句输出控制以列表的形式输出1至8个变量的值，格式：

.PRINTPRTTYPEOUTVAR1<OUTVAR2…OUTVAR8>重置参数修改仿真控制参数，以调整仿真精度、速度或某些器件的默认参数等。格式：.OPTIONSOPT=VAL….OPTIONSOPT1OPT2…基于SPICE核的工具软件Pspice目前广泛使用的Pspice是MicroSim的产品它不仅具有SPICE原有的功能，而且在输入输出、图形处理、算法的可靠性和收敛性、仿真速度、模拟功能扩展以及模型参数库和宏模型库等方面都有所改善和扩充主要运行于PC机平台上基于SPICE核的工具软件

HSPICESynopsys公司的工业级电路分析产品可以对电路进行稳态、瞬态和频域分析、蒙特卡洛分析、最坏情况分析、参数扫描分析、数据表扫描分析等仿真的精度和速度都较好，具备可靠的自动收敛能力可运行在SunUltra、SunBlade、HPPA、