CMOS模擬集成電路實訓HSPICE輔助設計教學PPT課件

1、CMOS模擬集成電路實訓模擬集成電路實訓之之H-SPICE輔助設計輔助設計東南大學集成電路學院東南大學集成電路學院IC實驗室實驗室第1頁/共44頁內容內容 H-SPICE概述概述 H-SPICE網表網表 Model & Sub circuits Component Source Control 實訓實訓第2頁/共44頁開始前開始前 H-SPICE不要安裝在中文目錄下不要安裝在中文目錄下 任何任何H-SPICE需要調用的文件都不要放在中文目錄下需要調用的文件都不要放在中文目錄下 網表文件第一行為標題行網表文件第一行為標題行 H-SPICE并不是所見即所得模式，但可以借助并不是所見即所得模

2、式，但可以借助Cadence實實現(xiàn)現(xiàn)第3頁/共44頁內容內容 H-SPICE概述概述 H-SPICE網表網表 Model & Sub circuits Component Source Control 實訓實訓第4頁/共44頁(1)SPICE背景背景 SPICE：Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis 由加州大學伯克利分校研制由加州大學伯克利分校研制 廣泛使用，成為行業(yè)標準模型廣泛使用，成為行業(yè)標準模型 電路仿真的數(shù)字方法電路仿真的數(shù)字方法 電路節(jié)點定義一個矩陣電路節(jié)點定義一個矩陣 電路元件特性依賴于子模型電路元件特性依賴

3、于子模型 簡單的如電阻：簡單的如電阻：Resistor 復雜的如復雜的如MOS管：管：MOSFET第5頁/共44頁(2)SPICE簡介簡介 SPICE是一個電路分析工具，用于電路的是一個電路分析工具，用于電路的穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)瞬態(tài)和和頻域仿真頻域仿真 種類繁多：業(yè)界有很多種類繁多：業(yè)界有很多SPICE工具，包括工具，包括HSPICE、SBTSPICE、Specture、TSPICE、PSPICE、Smartspice、ISpice等等等等 通用性好：由于都是基于伯克利通用性好：由于都是基于伯克利SPICE程序開發(fā)，均支持通用的程序開發(fā)，均支持通用的SPICE網表文件網表文件 SPICE工具的算法

4、基本相似，可能在工具的算法基本相似，可能在時步控制時步控制、方程解算器方程解算器和和收斂收斂控制控制方面會有所不同方面會有所不同第6頁/共44頁(3)使用使用SPICE需具備的基礎需具備的基礎 了解元件的基本特性了解元件的基本特性 熟悉所設計的電路功能熟悉所設計的電路功能 了解需要驗證的電路指標和對應的模擬種類、電路狀態(tài)了解需要驗證的電路指標和對應的模擬種類、電路狀態(tài) 了解電路的輸入信號特性了解電路的輸入信號特性 了解電路各項指標的相依性及優(yōu)先度了解電路各項指標的相依性及優(yōu)先度 了解電路結構、元件參數(shù)與各項電路特性的相關性，以便了解電路結構、元件參數(shù)與各項電路特性的相關性，以便于模擬結果的改進

5、于模擬結果的改進第7頁/共44頁(4)HSPICE的具體功能的具體功能 電路級和行為級仿真電路級和行為級仿真 直流特性分析、靈敏度分析直流特性分析、靈敏度分析 交流特性分析交流特性分析 瞬態(tài)分析瞬態(tài)分析 電路優(yōu)化（優(yōu)化元件參數(shù)）電路優(yōu)化（優(yōu)化元件參數(shù)） 溫度特性分析溫度特性分析 噪聲分析噪聲分析 傅立葉分析傅立葉分析 蒙特卡羅最壞情況分析，參數(shù)掃描，數(shù)據表掃描蒙特卡羅最壞情況分析，參數(shù)掃描，數(shù)據表掃描 功耗、各種電路參數(shù)功耗、各種電路參數(shù)（H參數(shù)、參數(shù)、T參數(shù)、參數(shù)、S參數(shù)）等參數(shù)）等可擴展的性能可擴展的性能分析分析第8頁/共44頁(5)HSPICE的界面的界面第9頁/共44頁(6)HSPIC

6、E的輸入輸出數(shù)據的輸入輸出數(shù)據第10頁/共44頁(7)HSPICE的文件及其后綴的文件及其后綴 輸出列表輸出列表 .lis 瞬態(tài)分析結果瞬態(tài)分析結果 .tr#+ 瞬態(tài)分析測量結果瞬態(tài)分析測量結果 .mt# 直流分析結果直流分析結果 .sw#+ 直流分析測量結果直流分析測量結果 .ms# 交流分析結果交流分析結果 .ac#+ 交流分析測量結果交流分析測量結果 .ma# 輸出狀態(tài)輸出狀態(tài) .st# 工作點節(jié)點電壓（初始條件）工作點節(jié)點電壓（初始條件） .ic# ：代表掃描分析序號或者硬拷貝文件序號，一般從：代表掃描分析序號或者硬拷貝文件序號，一般從0 開開始。始。+：表示在用：表示在用.POST語

7、句產生圖形數(shù)據后該文件才被確立。語句產生圖形數(shù)據后該文件才被確立。第11頁/共44頁內容內容 H-SPICE概述概述 H-SPICE網表網表 Model & Sub circuits Component Source Control 實訓實訓第12頁/共44頁(1)電路與網表電路與網表*COMPONENTS m1 vout vin 0 0 mn w=30U l=LMOD m2 vout 1 vdd vdd mp w=10U l=1u m3 1 1 vdd vdd mp w=10U l=1u cl vout 0 10p iref 1 0 100u *SOURCES vdd vdd 0 d

8、c 5 vin vin 0 dc VMOD ac 1 .op 網表是描述電路元件和連接關系的語句網表是描述電路元件和連接關系的語句 首先對電路節(jié)點進行標記首先對電路節(jié)點進行標記 說明各個元件的類型和模型說明各個元件的類型和模型 說明各個元件的引腳連接到哪個節(jié)點說明各個元件的引腳連接到哪個節(jié)點VddM3M2M1CLVinVoutIREF1IO第13頁/共44頁(2)HSPICE的網表結構的網表結構第14頁/共44頁(3)HSPICE的網表編寫規(guī)則 網表文件的第一個語句必須是標題行，最后一個語句必須是網表文件的第一個語句必須是標題行，最后一個語句必須是.END 網表中語句的次序是隨意的，但是續(xù)行（

9、行首有網表中語句的次序是隨意的，但是續(xù)行（行首有“”的行）除的行）除外外 注釋行（首字母為注釋行（首字母為*或句末為或句末為$）可加在文件中的任何地方）可加在文件中的任何地方 不要重復定義節(jié)點不要重復定義節(jié)點 不要有懸空節(jié)點不要有懸空節(jié)點 關鍵節(jié)點最好使用有意義的命名關鍵節(jié)點最好使用有意義的命名 文件名、語句、等式的長度不能超過文件名、語句、等式的長度不能超過256字符字符 不區(qū)分大小寫不區(qū)分大小寫第15頁/共44頁(4)節(jié)點命名規(guī)則節(jié)點命名規(guī)則 可以是可以是字母字母或或數(shù)字數(shù)字( (如如VIN1，12等等) 0節(jié)點節(jié)點總是總是地地 節(jié)點數(shù)字后的字母可被忽略節(jié)點數(shù)字后的字母可被忽略( (如如5

10、A=5B=5) ) 節(jié)點均為本地節(jié)點均為本地 可以使用可以使用.GLOBAL聲明全局節(jié)點聲明全局節(jié)點(例例 .GLOBAL VDD VSS)第16頁/共44頁(5)網表中的單位及比例因子網表中的單位及比例因子 單位可以省略 比例因子不可省略第17頁/共44頁內容內容 H-SPICE概述概述 H-SPICE網表網表 Model & Sub circuits Component Source Control 實訓實訓第18頁/共44頁(1)Model簡介簡介 Model主要內容為元件參數(shù)主要內容為元件參數(shù) 語法規(guī)則語法規(guī)則 .MODEL 模型名 PMOS .MODEL 模型名 NMOS L

11、EVEL=1常用于數(shù)字電路，精度低、速度快 LEVEL=2考慮了襯底電荷對電流的影響 LEVEL=13,39,49用于模擬電路，精度高、速度慢第19頁/共44頁(2)元件參數(shù)說明元件參數(shù)說明 模擬電路仿真前的手工估算模擬電路仿真前的手工估算 VT0（零偏置閾值電壓） KP（傳輸電導參數(shù)） GAMMA（體閾值參數(shù)） LAMBDA（溝道長度調制參數(shù)） CGS0/CGD0/CGB0（GS-GD-GB覆蓋電容） CJ（零偏置結電容） TOX（氧化層厚度）PHI（表面勢）NSUB（襯底摻雜）NSS（等效表面電荷） NFS（快速表面態(tài)效應）U0（表面遷移率）CSMC 0.5um CMOS第20頁/共44頁

12、(3)Subckt簡介簡介 子電路是以子電路是以 .SUBCKT 開頭，以開頭，以 .ENDS 結束的一組語結束的一組語句句 子電路中子電路中可嵌套可嵌套其它子電路其它子電路 語法規(guī)則語法規(guī)則 定義定義 調用調用第21頁/共44頁(4)子電路應用實例子電路應用實例第22頁/共44頁內容內容 H-SPICE概述概述 H-SPICE網表網表 Model & Sub circuits Component Source Control 實訓實訓第23頁/共44頁(1)元件描述元件描述 C Capacitor D Diode L Inductor M MOSFET Q BJT R Resisto

13、r X Subcircuit Call第24頁/共44頁(2)語法示例語法示例第25頁/共44頁內容內容 H-SPICE概述概述 H-SPICE網表網表 Model & Sub circuits Component Source Control 實訓實訓第26頁/共44頁(1)常用常用電源類型電源類型 直流源直流源 交流源交流源 脈沖源脈沖源 分段線性源分段線性源 正弦源正弦源 指數(shù)源指數(shù)源第27頁/共44頁(2)瞬態(tài)電壓源實例瞬態(tài)電壓源實例 脈沖源脈沖源 語法語法 例子例子a test of pulse.TRAN 200P 130NVIN IN 0 PULSE 0 5 10N 10N

14、 10N 40N 100N.end第28頁/共44頁(3)瞬態(tài)電壓源實例（續(xù)）瞬態(tài)電壓源實例（續(xù)） 分段線性源分段線性源 語法語法 例子例子a test of PWL.TRAN 10N 10UVIN IN 0 PWL 0 0.5 10n +.end第29頁/共44頁(4)瞬態(tài)電壓源實例（續(xù)）瞬態(tài)電壓源實例（續(xù)） 正弦源正弦源 語法語法 例子例子a test of SIN.TRAN 10N 10UVIN IN 0 SIN 2 1 0.5X 1U .end第30頁/共44頁(5)瞬態(tài)電壓源實例（續(xù)）瞬態(tài)電壓源實例（續(xù)） 指數(shù)源指數(shù)源 語法語法 例子例子a test of EXP.TRAN 100P

15、 800NVIN IN 0 EXP 0 2 2N 30N 60N 40N .end第31頁/共44頁內容內容 H-SPICE概述概述 H-SPICE網表網表 Model & Sub circuits Component Source Control 實訓實訓第32頁/共44頁(1)常用常用控制語句控制語句 直流工作點直流工作點 直流掃描和直流小信號分析直流掃描和直流小信號分析 交流掃描和小信號分析交流掃描和小信號分析 瞬態(tài)分析瞬態(tài)分析第33頁/共44頁(2).OP直流工作點分析直流工作點分析 語法格式語法格式 .OP 輸出某一時間的直流工作點輸出某一時間的直流工作點 節(jié)點電壓節(jié)點電壓

16、電流源電流源 功率損耗功率損耗 半導體器件的電流、電導、寄生電容等半導體器件的電流、電導、寄生電容等 圖例圖例第34頁/共44頁(3).DC直流傳輸特性掃描直流傳輸特性掃描 語法格式語法格式 .DC var1 start1 stop1 incr1 可以進行可以進行 直流參數(shù)掃描直流參數(shù)掃描 電源值掃描電源值掃描 溫度范圍掃描溫度范圍掃描 輸出掃描結果輸出掃描結果(圖形圖形) 圖例圖例第35頁/共44頁(4).AC直流傳輸特性掃描直流傳輸特性掃描 語法格式語法格式 .AC type np fstart fstop 特性特性 將交流分析變量作為指定頻率的函數(shù)將交流分析變量作為指定頻率的函數(shù) 先求直

17、流工作點作為交流分析的初值先求直流工作點作為交流分析的初值 非線性器件轉換為小信號模型非線性器件轉換為小信號模型 輸出掃描結果輸出掃描結果(圖形圖形) 圖例圖例第36頁/共44頁(5).OPTION 控制選項項語句控制選項項語句 允許用戶重新設置程序的參數(shù)或允許用戶重新設置程序的參數(shù)或/和控制程序的功能和控制程序的功能 滿足用戶的需要或特殊的模擬目的滿足用戶的需要或特殊的模擬目的 輸出到輸出到LIST文件文件 語法格式語法格式 .OPTION opt1 optn為控制選項的名稱為控制選項的名稱 一般以一般以optn=x形式出現(xiàn)，形式出現(xiàn)，x表示控制選項的賦值表示控制選項的賦值 排列順序任意排列

18、順序任意 示例示例 .OPTION post，用于在終端上顯示模擬結果的高分辨率圖形，用于在終端上顯示模擬結果的高分辨率圖形曲線曲線 .OPTION acct，在電路模擬過程結束后，提供運行過程統(tǒng)計，在電路模擬過程結束后，提供運行過程統(tǒng)計結果結果 .OPTION node，輸出節(jié)點鏈接表，用于診斷與拓撲相關的不，輸出節(jié)點鏈接表，用于診斷與拓撲相關的不收斂收斂 .OPTION opts，輸出當前所有控制選項的設置，輸出當前所有控制選項的設置 .OPTION nomod，禁止輸出模型參數(shù)，用于減小，禁止輸出模型參數(shù)，用于減小LIST文件文件長度長度第37頁/共44頁(6).PARAM 參數(shù)及表達式

19、定義語句參數(shù)及表達式定義語句 用來對用來對HSPICE 模擬中的元件和模型所指定的關鍵字進行賦模擬中的元件和模型所指定的關鍵字進行賦值值 適合要適合要調用不同參數(shù)調用不同參數(shù)進行模擬的場合進行模擬的場合 語法格式語法格式 .PARAM xx=COSTANT FUNCTION CONSTANT為常數(shù)為常數(shù) FUNCTION 為函數(shù)為函數(shù) 示例示例.PARAM m=1.PARAM WMOD=m*30u第38頁/共44頁(7).PRINT 打印語句打印語句 規(guī)定了要輸出的變量值規(guī)定了要輸出的變量值 輸出到輸出到LIST文件文件 可以輸出兩變量之間的波形可以輸出兩變量之間的波形 語法格式語法格式 .PRINT antype ov1 anytype可以是可以是DC、AC、TRAN ovn是要輸出的變量是要輸出的變量 示例示例 .PRINT DC v(vin)