spice电路仿真简介.ppt

1、,SPICE电路仿真,简介,电信学院微电子研究所 程 军,Email：,微电子研究所,spice P.2,电路模拟 电路设计：根据电路性能确定电路结构和元件 参数， 没有自动设计软件 设计人员根据电路性能要求，初步确定电路结构和元 件参数，利用电路模拟软件进行模拟分析，判断修 改； 电路模拟：根据电路的拓扑结构和元件参数将电路 问题转换成适当的数学方程并求解，根据计算结果检 验电路设计的正确性 模拟对象：元件 优点：不需实际元件、可作各种模拟甚至破坏性 模拟,微电子研究所,spice P.3,电路模拟 在集成电路设计中起的作用： 版图设计前的电路设计，保证电路正确(包括电路结构 和元件参数)

2、有单元库支持的设计：单元需事先经过电路模拟 无单元库支持的全定制设计：由底向上，首先对单元 门电路进行电路设计、电路模拟，依此进行版图设 计，直至整个电路 后仿真：考虑了寄生参数，由电路模拟预测电路性能 典型软件：PSPICE、HSPICE、SPECTRE,微电子研究所,spice P.4,SPICE电路模拟软件 SPICE: Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis 最早由美国加州大学伯克利分校(UCB)开发 成功应用在电路设计领域 由于源码开放，出现了许多类SPICE模拟软件产品， 这些产品大都源自伯克利SPICE，如HSPIC

3、E, SPECTRE, PSPICE, SMARTSPICE等，所以基本语 法相同。 电路模拟的基本功能 软件基本结构 电路描述,微电子研究所,spice P.5,电路模拟的基本功能 可处理的元器件：电阻、电容、电感、互感、独立电流 源、电压源、传输线、四种受控源、四种器件（二极管、双 极管、结型场效应管、MOS）等 可完成的分析功能： 直流分析、直流扫描(.DC) 典型的是求解直流转移特性，输入加扫描电压或电流，求输出和其他节 点（元件连接处）电压或支路电流；还有 .TF(直流小信号传输函 数)、.OP(直流工作点)。 交流分析(小信号分析)(.AC) 以频率为变量，在不同的频率上求出稳态下

4、输出和其他节点电压或支路 电流的幅值和相位。还有.NOISE(噪声分析) 和失真分析(.DISTO)。 瞬态分析(.TRAN) 以时间为变量，输入加随时间变化的信号，计算输出和其节点电压或支 路电流的瞬态值。还有.FOUR(傅立叶分析)和.FFT(快速傅立叶分析)。 温度特性分析(.TEMP)：不同温度下进行上述分析，求出电路的温 度特性,微电子研究所,spice P.6,SPICE电路模拟软件的基本结构 五部分组成：输入处理、元器件模型处理、建立电路 方程、方程求解和输出处理 输入处理：主要完成对输入文件进行编译，词法语法 检查、存储输入数据、其他（元件预处理等） 模型处理：元器件的数学模型

5、：用数学公式描述器件 的电流电压特性、与物理参数和工艺参数的关系 主要是非线性元件的模型：如MOS、BJT、二极管等 这些模型编入模型库，可调用；也可自行定义后加入模型库 电路模拟的精度：模型精度、参数选取,微电子研究所,spice P.7,SPICE电路模拟软件的基本结构 建立电路方程 根据电路结构、元件参数、分析要求，建立方程 依据的基本原理是欧姆定律和基尔霍夫定律 方程求解 数值解法：线性代数方程组解法、非线性方程组解法、常微分方 程组解法 线性电路的直流分析：选主元的高斯消去法或LU分解法 非线性电路的直流分析：对非线性元件进行线性化处理，迭代方 法 交流分析：线性电路、非线性电路，处

6、理同上 瞬态分析：常微分方程组，通过数值积分转换 输出处理：选择输出内容和输出方式（表格和曲线）,微电子研究所,spice P.8,SPICE仿真基本流程,微电子研究所,spice P.9,SPICE电路描述 较大规模电路，一般用电路图输入，利用软件将原理 图转换为电路描述语言再进行模拟。 电路描述语言：描述电路结构、元件参数、器件模 型、电路运行环境、分析类型和输出要求等 电路描述前首先要画好电路图，节点编号（接地节点 零号，其他正整数） SPICE的描述语言： 电路拓扑（网表） 采用的模型（元件属性） 仿真内容控制,微电子研究所,spice P.10,电路描述举例 CMOS INVERTE

7、R DC TRANS. CHARACTERISTICS VCC 2 0 5 VIN 1 0 pulse(0 5 0 1n 1n 49n 100n) M1 3 1 2 2 MOD1 L=2U W=18U M2 3 1 0 0 MOD2 L=2U W=10U .MODEL MOD1 PMOS LEVEL=3 VTO=1 NSUB=2E15 UO=166 .MODEL MOD2 NMOS LEVEL=3 VTO=1 NSUB=2E15 UO=550 .DC VIN 0 5 0.1 .trans 1n 500n .PLOT DC V(3) .END 元件语句： 元件名 与之相连的节点号（D，G，S，

8、G） 元件参数(模型 名，模型语句与元件语句分开),微电子研究所,spice P.11,仿真输出波形,微电子研究所,spice P.12,SPICE电路描述语言 结点描述： 使用数字或者字符串(如：data1, n5, 5 )； 0结点总是地(Gnd)； 地可以用0，Gnd，!Gnd表示； 数字打头的结点中的字符会被忽略，如：5A=5B=5 所有结点指的都是局部结点，而不是全局结点； 全局结点可以使用.Global语句描述；,微电子研究所,spice P.13,SPICE元器件描述 无源器件(Passive Devices) : R - Resistor C - Capacitor L - I

9、nductor K - Mutual Inductor 有源器件(Active Devices) : D - Diode Q - BJT J - JFET and MESFET M - MOSFET 其他: Subcircuit (X) Behavioral (E,G,H,F,B)(VCVS, VCCS, CCVS, CCCS, IBIS) Transmission Lines (T,U,O)(无损传输线, 有损传输线, ),微电子研究所,spice P.14,SPICE元件描述 单位： R Ohm (e.g. R1 n1 n2 1K) C farad (e.g. C2 n3 n4 1e-12

10、) L Henry (e.g. L3 n5 n6 1e-9) 数量因子：,F P N U M,1e-15 1e-12 1e-9 1e-6 1e-3,K 1e3 Meg或者X 1e6 G 1e9 T 1e12 DB 20log10,例如： 1pF 1nH 10MegHz vdb(v3),微,spice P.15,SPICE元件描述 无源器件 : R, C, L, and K 元件 DTEMP：元件与电路的温差，默认为0摄氏度；TC1，TC2温度系数；M并联个 数；SCALE比例因子；L、W几何尺寸； 例如： R1 12 17 1K TC1=1.3e-3 TC2=-3.1e-7 C2 7 8 0.

11、6pf IC=5V LSHUNT 23 51 10UH 0.01 1 IC=15.7mA,K4 Laa Lbb 0.9999电子研究所,微电子研究所,spice P.16,SPICE元件描述 双极晶体管参数： 双极晶体管语法示例： Q100 NC NB NE QPNP AREA=1.5 AREAB=2.5 AREAC=3.0 IC= 0.6, 5.0 BJT模型语法： .MODEL mname NPN (PNP) .,微电子研究所,spice P.17,SPICE元件描述 MOSFET模型: MOSFET由: (1). MOSFET Model & Element Parameters (2)

12、. Two Submodel : CAPOP & ACM 定义 ACM : Modeling of MOSFET Bulk_Source & Bulk_Drain Diodes CAPOP : Specifies MOSFET Gate Capacitance MOSFET模型的Levels : Available : 所有公开的SPICE模型(Level1, 2, 3) Level = 4 or 13 : BSIM1(Berkeley Short Channel IGFET Model) Modified BSIM1 Level = 5 or 39 : BSIM2 Level = 49 :

13、BSIM3.3 Level = 8 : SBT MOS8,微电子研究所,spice P.18,SPICE元件描述 MOSFET 元件语法: Mxxx nd ng ns mname ,+ + + +, ,MOSFET 元件语句示例: M1 24 2 0 20 MODN L=5u W=100u M=4 M2 1 2 3 4 MOD1 5u 100u M3 4 5 6 8 N L=2u W=10u AS=100P AD=100p PS=40u PD=40u .OPTIONS SCALE=1e-6 M1 24 2 0 20 MODN L=5 W=100 M=4,SPICE元件描述 MOSFET模型语法

14、: .MODEL mname NMOS . .MODEL mname PMOS . MOSFET模型语句示例: .MODEL MODP PMOS LEVEL=2 VTO=-0.7 GAMMA=1.0. .MODEL NCH NMOS LEVEL=39 TOX=2e-2 UO=600. Corner_LIB of Models: .LIB TT or (FF|SS|FS|SF),.param toxn=0.0141 toxp=0.0148. .lib /simulation/model/cmos.l MOS .ENDL TT or (FF|SS|FS|SF) 微电子研究所,.LIB MOS .M

15、ODEL NMOD NMOS (LEVEL=49 + TOXM=toxn LD=3.4e-8 , .) .ENDL MOS spice P.19,微电子研究所,spice P.20,SPICE分析结果输出 HSPICE输出命令： .PRINT语句: 打印数值分析结果 .PLOT: 在.lis文件中产生低分辨率的图形 .PROBE语句: 在图形文件中保存输出变量 .MEASURE语句: 打印Measure指定的数值结果 输出变量: 直流和瞬态分析: 显示每个结点的电压、电流以及各个电路的功耗； 交流分析: 显示所有电压和电流量的实部和虚部； .MEASURE : 显示用户在.MEA语句中定义的变

16、量，比如增益、电 阻、周期、斜率等； Element Template Analysis: Display Element-Specific Voltage, Current.,SPICE分析结果输出示例 DC & Transient分析: 结点电压输出: V(1), V(3,4), V(X3.5) 电流输出(电压源) : I(VIN), I(X1.VSRC),电流输出 (元件支路) : I2(R1), I1(M1), I4(X1.M3) AC分析: AC : V(2), VI(3), VM(5,7), VDB(OUT), IP(9), IP4(M4) Element Template : x1.mn1vth x1.mn1gds x1.mn1gm,x1.mn1gbs,x1.mn1cgd 微电子研究所