HSPICE與CADENCE仿真規(guī)范與實例 (3)

1、電路模擬實驗專題實驗文檔一、簡介本實驗專題基于SPICE（Simulation Program With Integrated Circuit）仿真模擬，講授電路模擬的方法和spice仿真工具的使用。SPICE仿真器有很多版本，比如商用的PSPICE、HSPICE、SPECTRE、ELDO，免費版本的WinSPICE，Spice OPUS等等，其中HSPICE和SPECTRE功能更為強大，在集成電路設計中使用得更為廣泛。因此本實驗專題以HSPICE和SPECTRE作為主要的仿真工具，進行電路模擬方法和技巧的訓練。參加本實驗專題的人員應具備集成電路設計基礎、器件模型等相關知識。二、Spice基本

2、知識 (2)無論哪種spice仿真器，使用的spice語法或語句是一致的或相似的，差別只是在于形式上的不同而已，基本的原理和框架是一致的。因此這里簡單介紹一下spice的基本框架，詳細的spice語法可參照相關的spice教材或相應仿真器的說明文檔。首先看一個簡單的例子，采用spice模擬MOS管的輸出特性，對一個NMOS管進行輸入輸出特性直流掃描。VGS從1V變化到3V，步長為0.5V；VDS從0V變化到5V，步長為0.2V；輸出以VGS為參量、ID與VDS之間關系波形圖。*Output Characteristics for NMOSM1 2 1 0 0 MNMOS w=5u l=1.0u

3、VGS 1 0 1.0VDS 2 0 5.op.dc vds 0 5 .2 Vgs 1 3 0.5 .plot dc -I(vds).probe*model.MODEL MNMOS NMOS VTO=0.7 KP=110U+LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7.end描述的仿真電路如下圖，圖2-1 MOS管輸入輸入特性仿真電路圖得到的仿真波形圖如下圖。從這個簡單的spice程序中可以知道spice電路描述的主要組成部分。（1） 標題和電路結束語句在輸入的電路描述語句中輸入的第一條語句必須是標題語句，最后一條必須是結束語句。在本例中，*Output Characterist

4、ics for NMOS標題 . .end結束語句（2） 電路描述語句電路描述語句描述電路的組成和連接關系，包括元器件、激勵源、器件模型等描述，另外，如果電路是層次化的，即包含子電路，電路描述部分還包括子電路描述（.subckt）。在描述元器件時，要根據(jù)類型，采用不同的關鍵字作為元件名的第一個字母，元器件關鍵字見下表。如本例中，NMOS管的描述為：M1 2 1 0 0 MNMOS w=5u l=1.0u表示的意思為：元器件關鍵字x D G S B 模型名 寬=xx 長=xx其中D：漏結點；G：柵結點；S：源結點；B：襯底結點。器件模型描述電路中所使用的器件的spice模型參數(shù)，語句為.mode

5、l。如在本例中，.MODEL MNMOS NMOS VTO=0.7 KP=110U+LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7其中MNMOS為模型名，以便在元器件調用時使用，NMOS為模型的關鍵字。元器件類型元器件關鍵字電阻R電容C電感L二極管DNPN或PNP雙極型晶體管QN溝或P溝結型場效應晶體管JN型或P型MOS場效應晶體管MGaAs場效應晶體管B電壓控制開關S電流控制開關W互感K激勵源說明供激勵用的獨立源和受控源，比如：V: 獨立電壓源； I: 獨立電流源；E: 電壓控制電壓源； F: 電流控制電流源；G: 電壓控制電流源； H: 電流控制電壓源，等等。（3） 分析類型描

6、述語句分析類型描述語句說明對電路進行何種分析。比如，直流工作點（.op），直流掃描分析（.dc），交流分析（.ac），噪聲分析（.noise），瞬態(tài)分析（.tran）等等。（4） 控制選項描述語句控制選項用于描述spice仿真時的相關控制選項，一般在.option內進行設置，另外還有打印及輸出控制選項（.print、.plot、.probe）等等現(xiàn)將整個spice程序例子標注如下：*Output Characteristics for NMOS標題M1 2 1 0 0 MNMOS w=5u l=1.0u元器件描述（模型名為MNMOS的場效應MOS管M1，漏結點2、柵結點1、源結點0、襯底結點0

7、，柵寬5um，柵長1um）VGS 1 0 1.0激勵源描述（連接在1和0結點之間的1V獨立電壓源）VDS 2 0 5激勵源描述（連接在2和0結點之間的5V獨立電壓源）.op分析類型描述，直流工作點分析.dc vds 0 5 .2 Vgs 1 3 0.5 分析類型描述，直流掃描分析（VGS從1V變化到3V，步長為0.5V；VDS從0V變化到5V，步長為0.2V）.plot dc -I(vds)控制選項描述，打印聲明.probe控制選項描述，打印輸出*model.MODEL MNMOS NMOS VTO=0.7 KP=110U器件模型描述，定義模型名為MNMOS+LAMBDA=0.04 GAMMA

8、=0.4 PHI=0.7的NMOS類型的模型.end結束語句三、Hspice電路仿真 （1+3）HSPICE的輸入網表文件通常為.sp文件，輸出文件有運行狀態(tài)文件.st0、輸出列表文件.lis、瞬態(tài)分析文件.tr、直流分析文件.sw、交流分析文件.ac等，輸出文件有運行狀態(tài)文件.st0和輸出列表文件.lis在每次hspice運行后均有出現(xiàn)，其他的輸出文件視spice程序中選擇的分析類型而出現(xiàn)，并且可以在波形顯示工具中顯示，如Avanwaves、cosmos scope等。輸入spice網表（程序）文件和庫輸入文件能夠由一個線路網表轉換器或用一個文本編輯器產生。1.寫輸入網表文件的規(guī)則輸入網表文

9、件的第一個語句必須是標題行，最后一個語句必須是.END語 句，它們之間的語句次序是隨意的，除非是續(xù)行（行首有“”的行）必須接在要接下去的行后面。注釋行以*打頭，可加在文件中的任何地方。2. 輸入文件的編輯(a)HSPICE 采用自由格式輸入。語句中的域由一個或多個空格，一個Tab，一個逗號， 一個等號或一個左/右圓括號分開。(b)除UNIX 系統(tǒng)中的文件名外，不予區(qū)分大寫或小寫字母。(c)每行語句長度限于80 個字符以下。(d)一個語句如在一行寫不下，可以用續(xù)號繼續(xù)下去。續(xù)行以“+”作為第一個非數(shù)值、非空格字符。(e)輸入網表文件不能被“打包”，也不能被壓縮。(f)輸入網表文件中不要采用特殊的

10、控制字符。圖3-1 Hspice的模擬流程1、工具的使用Hspice可以采用命令行或圖形界面的方式執(zhí)行，命令行的方式如下，hspice <輸入文件>不生成lis文件，lis文件的內容打印到屏幕上。hspice i <輸入文件> -o <輸出文件名>生成以輸出文件名命名的lis文件。相對方便的方式是采用圖形界面的方式，如下圖3-2 hspice仿真圖形界面按Simulate執(zhí)行仿真，之后，采用Avanwaves或Cscope來顯示波形，分別如下，圖3-3 Avanwaves波形查看軟件界面圖3-4 Cosmos Scope波形查看軟件界面2、基本電路分析下面以

11、下圖所示的電路為例子，說明hspice的基本仿真方法。圖3-5 一個基本的共源級放大器的例子此電路為共源級放大器，負載為電流源，電流源采用電流鏡實現(xiàn)，偏置為電阻與電流鏡實現(xiàn)的簡單偏置。各結點號已標注在圖中，其中GND的默認結點號為0結點。2.1直流仿真圖中電路的直流仿真spice程序如下，* DC analysis for AMPM1 2 1 0 0 MOSN w=5u l=1.0uM2 2 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0uM3 3 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0uR1 3 0 100KCL 2 0 5pVdd 4 0 DC 5.0Vin 1 0 DC 5.0.op.d

12、c Vin 0 5 0.1 .plot dc V(2).probe.option list node post*model.MODEL MOSN NMOS VTO=0.7 KP=110U+LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7.MODEL MOSP PMOS VTO=-0.7 KP=50U+LAMBDA=0.05 GAMMA=0.57 PHI=0.8.end.op是分析直流工作點的語句。此語句在進行電路直流工作點計算時，電路中所有電感短路，電容開路。值得注意的是，在一個HSPICE 模擬中只能出現(xiàn)一個.OP 語句。.dc 是直流掃描分析。該語句規(guī)定了直流傳輸特性分析時所用的

13、電源類型和掃描極限。在直流分析中，.DC 語句可進行a. 直流參數(shù)值掃描b. 電源值掃描c. 溫度范圍掃描d. 執(zhí)行直流蒙特卡羅分析（隨機掃描）e. 完成直流電路優(yōu)化f. 完成直流模型特性化.DC 語句具體格式取決于實際應用需要，下面給出了最常用的應用格式：.DC var1 START=start1 STOP=stop1 STEP=incr1在本例中，.dc Vin 0 5 0.1，輸入端的電壓源Vin從0V變化到5V，步長為0.1V。.DC語句可以采用嵌套的形式，比如，.DC var1 START=start1 STOP=stop1 STEP=incr1 var2 START=start2

14、STOP=stop2 STEP=incr2下面是做溫度掃描的例子，.DC TEMP -55 125 10下圖是此電路的直流掃描結果?？梢娫?1.12V區(qū)域內是此放大器的高增益區(qū)。2.2交流仿真圖中電路的交流仿真spice程序如下，* AC analysis for AMPM1 2 1 0 0 MOSN w=5u l=1.0uM2 2 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0uM3 3 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0uR1 3 0 100KCL 2 0 5pVdd 4 0 DC 5.0Vin 1 0 DC 1.07 AC 1.0.op.ac DEC 20 100 100MEG *.

15、plot ac VDB(2) VP(2).probe.option list node post*model.MODEL MOSN NMOS VTO=0.7 KP=110U+LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7.MODEL MOSP PMOS VTO=-0.7 KP=50U+LAMBDA=0.05 GAMMA=0.57 PHI=0.8.end交流仿真結果2.3瞬態(tài)仿真圖中電路的瞬態(tài)仿真spice程序如下* TRAN analysis for AMPM1 2 1 0 0 MOSN w=5u l=1.0uM2 2 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0uM3 3 3 4

16、4 MOSP w=5u l=1.0uR1 3 0 100K*CL 2 0 5pVdd 4 0 DC 5.0Vin 1 0 DC 1.07 sin(2 2 100KHz).op.tran .1u 10u*.plot tran V(2) V(1).probe.option list node post*model.MODEL MOSN NMOS VTO=0.7 KP=110U+LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7.MODEL MOSP PMOS VTO=-0.7 KP=50U+LAMBDA=0.05 GAMMA=0.57 PHI=0.8.end大信號瞬態(tài)仿真結果：改為小信號時

17、，注意偏置值的選取。Vin 1 0 DC 1.07 sin(1.07 0.0001 100KHz)通過瞬態(tài)仿真，可見小信號增益為50倍，約為34dB，和AC仿真結果進行對照，看以發(fā)現(xiàn)結果是一致的。同樣，相位的結果也是一致的。2.4 練習采用本實驗提供的某工藝的BSIM模型文獻（mix025_1.l）對上述電路的上述分析分別重新進行仿真，并總結出仿真結果。提示：模型文件可以采用.lib 在仿真文件里進行引用。注意：由于更換的模型參數(shù)，即更換了工藝，因此電路的性能參數(shù)發(fā)生了變化，特別要注意的是輸入偏置的設置。四、Spectre電路仿真 （1+3）Cadence公司的Spectre仿真器的實質和HS

18、PICE等spice仿真軟件是一樣的，但由于集成了cadence的ADE仿真集成環(huán)境，可以在圖形界面下操作，使用更為方便和直觀一些，比如，不用寫spice的網表程序，可以在schematic view中繪制電路圖。這里仍以圖3-5的電路作為例子，講解工具的使用和基本電路分析的方法。1、工具的使用1.1 編輯電路圖（schematic）啟動cadence的設計環(huán)境平臺，在命令行提示符($)下執(zhí)行，$ icfb &首先建立一個設計庫，tools -> library manager， File -> New -> Library,在Name內添上lab1，ok后，選擇Do

19、nt need a techfile，然后ok。這樣就建立了一個設計庫。這里之所以不選擇編譯techfile，是因為我們只進行電路的設計和仿真，如果還有設計電路的版圖，則根據(jù)選擇的工藝廠家的techfile來進行編譯。然后，在設計庫里建立一個schemtic view，在Library Manager菜單 New-> cell view，填入amp1，view name選schematic，然后ok，則會出現(xiàn)電路圖的編輯界面。插入元器件，選擇analogLib中的nmos4 、pmos4、res、cap等器件。形成如下電路圖，然后check and save，如下圖。下面做這個放大器的s

20、ymbol，Design->Create Cellview -> From Cellview，在彈出的界面，按ok后出現(xiàn)symbol Generation options，選擇端口排放順序和外觀，然后按ok出現(xiàn)symbol編輯界面。按照需要編輯成想要的符號外觀，如下圖。保存退出。下面建立仿真的電路圖cut_amp1。方法和前面的“建立schemtic view”的方法一樣，但在調用單元時除了調用analogLib庫中的電壓源、（正弦）信號源等之外，將此放大器（lab1中的amp1）調用到電路圖中，如下圖。下圖是添加輸入激勵源的設置。在schematic編輯界面，選擇Tools-&g

21、t; Analog Environment，出現(xiàn)Virtuoso Analog Design Environment (ADE)，如下圖在ADE中，設置仿真器、仿真數(shù)據(jù)存放路徑和工藝庫，具體地，setup->Simulator/Directory/Host 中選擇simulator為spectre，project Directory改為./simulation。 Setup->Model Libraries中Model Library File 找到sm046005-1j.scs文件填入，section部分填typical，如下圖，按add，然后ok。Variables->c

22、opy from cellview, 則電路中的變量出現(xiàn)在ADE中Design Variable一欄中，如下圖，至此工具的初步使用已經進行了簡單的介紹，下面結合具體的基本電路仿真進行介紹。2、基本電路分析2.1直流仿真結合上面例子，首先設計仿真電路中的變量，vpower=3，vbias=1，va=2，f0=100K。然后選擇Analyses->choose，在analysis一欄中選dc，在DC Analysis中選中Save DC operating Point；在sweep Variable中選中Design Variable，variable Name填vbias，在sweep R

23、ange， start選0， stop選3，然后ok。然后，simulation->Netlist and Run，運行仿真。再后觀察仿真波形，這里有兩種波形查看工具，一種是WaveScan，一種是AWD。在session->options中進行設置。這里選擇AWD。在tools中選擇calculator。如下圖，店主vs按鈕，在schematic 中選擇需要輸出波形的節(jié)點，如out，然后按plot，得到如下波形，可見輸入偏置在772.5mv903.7mv的范圍內存在一個高增益區(qū)，因此輸入偏置應設置在這個區(qū)域內，改vias從1v到0.86v。由于在做直流仿真時也選擇了Save DC

24、 operating Point，因此可以查看電路的工作點，在calculator中按vdc，同時選中Evaluate buffer，比如查看out的電壓工作點。也可以查看器件的工作狀態(tài)，按op，然后在電路中選擇需要查看的器件，如I0/M1的vth。2.2交流仿真后選擇Analyses->choose，在analysis一欄中選ac，注意此時vbias已經選擇到了0.82v。 Sweep Variable選Frequency，Sweep Range 選1100M，按ok。然后，simulation->Netlist and Run，運行仿真。仿真運行結束后，仍可以采用calcula

25、tor打印結果。這里采用另外一種方法，在Results-> Direct Plot選中AC Magnitude & Phase，然后在schematic view中點中out，則AC的結果打印如下圖。2.3瞬態(tài)仿真后選擇Analyses->choose，在analysis一欄中選tran，大信號1V時，小信號0.1mV時，2.4 練習修改偏置電流，即修改R0，對上述電路的上述分析分別重新進行仿真，并總結出仿真結果。注意：由于改變了偏置條件，因此電路的性能參數(shù)發(fā)生了變化，特別要注意的是輸入偏置的設置。五、實例：放大器的仿真及分析 （2+6）下面以一個放大器作為實例討論一些電路

26、設計分析方法。圖4比較器電路比較器采用單級運放后加一反相器構成，如圖4所示。其中Ibias為自偏置電路如圖5A所示（注：自偏置電路原理見Razavi書310頁，實際工作時要加上啟動電路，解釋啟動電路的原理。），comp_amp為一級運放如圖5B所示，inv為反向器。 圖5A自偏置電路 圖5B運算放大器電路運算放大器為雙端輸入單端輸出的結構，可以在滿足輸入和輸出擺幅的情況下實現(xiàn)一定的電壓增益（考慮其值是多少時滿足性能要求）。首先確定所采用管子的寬度（所有晶體管的溝道長度不必為同一值），手工設計：根據(jù)擬定的設計指標，確定滿足指標的運算放大器各元件的尺寸和所需要的偏置電流的大?。赡苄枰辉O計

27、偏置電路：采用自偏置電流源技術a)選定電路結構；b)手工設計：確定各元件的尺寸；c)Spectre仿真（采用TT Corner模型），驗證電流源的性能；將偏置電路和運算放大器電路合在一起仿真（采用TT Corner模型，27o），確定運放的最終性能參數(shù)：a) 開環(huán)增益的幅頻和相頻響應；b) CMRR的頻率響應；c) PSRR的頻率響應；d) 共模輸入范圍；e) 輸出電壓擺幅；f) 壓擺率；g) 建立時間；h) 噪聲；i) 功耗；采用SS Corner模型，0o仿真溫度，重新仿真以上參數(shù)。采用FF Corner模型，80o仿真溫度，重新仿真以上參數(shù)。圖6所示的仿真電路可仿真放大器的交流特性和瞬態(tài)

28、特性。采用閉環(huán)電路仿開環(huán)的方法，通過R0形成負反饋通路從而確定輸出共模電平（此時的共模電平實際是V1的直流值），并穩(wěn)定直流偏置。在這個電路中選擇RC時間常數(shù)的倒數(shù)與Av的乘積小于運放預期的主極點是必須的，即選擇大電阻和大電容值（本實驗選擇1G歐姆電阻和1mf電容，具體見allen的運算放大器仿真）。由于反饋電阻的大阻值，輸入的共模會自動調整到和輸入V1相等。圖6 AC特性仿真圖中輸入為正弦波形對其進行相應設置來滿足功能，主要包括直流電壓值提供輸入端的直流偏置、交流AC幅值和相位（通常為1V，相位默認為0）、瞬態(tài)電壓幅值頻率和相位值。具體設置如下圖所示：同理設置電阻電容值和直流電源值（直流電壓）

29、，后在菜單欄toolsAnalog Environment調用仿真工具進行電路仿真。選取仿真工具，添加模型文件并進行仿真設置，下面主要介紹一下仿真的設置，包括交流瞬態(tài)tran、交流ac、直流dc、噪聲noise，具體如下所示：大家應該注意到了，在電源的設置中直流電壓和瞬態(tài)偏置電壓（即DC voltage和offsetvoltage）都設置了變量vin。在仿真之前需要在variable中選擇edit設置變量值。另一種方法如下圖。在 tools項中選擇選擇parametric analysis選項，合理設置rang type和step control。然后選擇analysis中start就可以了。

30、在設置一個電壓源時最主要會用到三類參數(shù)：交流仿真參數(shù)（ac magnitude是交流信號擺幅，一般設為1；ac phase一般用在雙端放大器仿真，一端為0另一端為180）、直流仿真參數(shù)（dc voltage）和瞬態(tài)仿真參數(shù)等。仿真器仿真時，這幾個狀態(tài)仿真是分開仿的，各參數(shù)互不影響。下邊兩圖仿真結果就是參數(shù)掃描的結果，直流dc仿真可以計算出直流偏置點，從而可以看各點的靜態(tài)電壓和直路的靜態(tài)電流。交流仿真可以仿真靜態(tài)工作點的交流特性，主要是直流增益和頻率特性，隨輸入的正弦激勵的直流偏置結果如下，上圖為幅頻圖，下圖為相頻圖：當輸入的直流偏置為1.2V時的交流相應如下，從圖中可以看出其直流增益為47dB

31、，相位裕度為63o滿足穩(wěn)定性要求（相位裕度為180度減去增益0dB時的相移。另外在比較器應用中并不一定滿足相位裕度的要求，因為比較器工作在開環(huán)狀態(tài)）。瞬態(tài)結果如下（瞬態(tài)電壓幅值為50mV，頻率為1K），從圖中可以看出輸出低電平不能達到0，且與輸入的直流電平有關，在不同的直流輸入下，輸出高電平確基本一樣。試分析這些影響并解釋原因。 噪聲分析主要包括閃爍噪聲和熱燥聲，其輸入等效噪聲如下：圖7 輸入共模范圍仿真無論運放的開環(huán)還是閉環(huán)模式都可以定義輸入輸出共模范圍，因為運放常工作在閉環(huán)狀態(tài)，這種測量使輸入輸出CMR更敏感。單位增益結構對于測量和仿真輸入CMR是有用的，如圖7所示為運算放大器的輸入CMR仿真。其中對輸入v1從0到VDD進行參數(shù)掃描，觀測輸出結構，傳輸曲線的線性部分對應于輸入共模電壓范圍的斜率是1。仿真設置和結果如下：圖8輸出共模范圍仿真在單位增益結構中，傳輸曲線的線性受到ICMR的限制。若采用高增益結構，傳輸曲線的線性部分與輸出電壓擺幅一致。圖8為反相增益為10 的結構可用來測試輸出CMR。設置同上，結果如下：圖9共模抑制比仿真圖9所示為運放共模抑制比的仿真電路結構，兩個相同的電壓源Vcm，與單位增益結構的運放的兩輸入端連接，V1提供輸入共模電平。對輸出的結果取倒數(shù)可以得出CMRR，這可以用計算器完成原理見Allen運算放大器仿真。仿真設置