spice電路仿真簡介

1、SPICE電路仿真簡介電信學院微電子研究所程 軍Email：微電子研究所電路模擬電路設計：根據(jù)電路性能確定電路結構和元件參數(shù)，沒有自動設計軟件設計人員根據(jù)電路性能要求，初步確定電路結構和元件參數(shù)，利用電路模擬軟件進行模擬分析，判斷修改；電路模擬：根據(jù)電路的拓撲結構和元件參數(shù)將電路問題轉換成適當?shù)臄?shù)學方程并求解，根據(jù)計算結果檢驗電路設計的正確性模擬對象：元件優(yōu)點：不需實際元件、可作各種模擬甚至破壞性模擬微電子研究所電路模擬在集成電路設計中起的作用：幅員設計前的電路設計，保證電路正確(包括電路結構和元件參數(shù))有單元庫支持的設計：單元需事先經過電路模擬無單元庫支持的全定制設計：由底向上，首先對單元門

2、電路進行電路設計、電路模擬，依此進行幅員設計，直至整個電路后仿真：考慮了寄生參數(shù)，由電路模擬預測電路性能典型軟件：PSPICE、HSPICE、SPECTRE微電子研究所SPICE電路模擬軟件SPICE: Simulation Program with Integrated CircuitEmphasis最早由美國加州大學伯克利分校(UCB)開發(fā)成功應用在電路設計領域由于源碼開放，出現(xiàn)了許多類SPICE模擬軟件產品，這些產品大都源自伯克利SPICE，如HSPICE,SPECTRE, PSPICE, SMARTSPICE等，所以根本語法相同。電路模擬的根本功能軟件根本結構電路描述微電子研究所電路模

3、擬的根本功能可處理的元器件：電阻、電容、電感、互感、獨立電流源、電壓源、傳輸線、四種受控源、四種器件二極管、雙極管、結型場效應管、MOS等可完成的分析功能：直流分析、直流掃描(.DC)典型的是求解直流轉移特性，輸入加掃描電壓或電流，求輸出和其他節(jié)點元件連接處電壓或支路電流；還有 .TF(直流小信號傳輸函數(shù))、.OP(直流工作點)。交流分析(小信號分析)(.AC)以頻率為變量，在不同的頻率上求出穩(wěn)態(tài)下輸出和其他節(jié)點電壓或支路電流的幅值和相位。還有.NOISE(噪聲分析) 和失真分析(.DISTO)。瞬態(tài)分析(.TRAN)以時間為變量，輸入加隨時間變化的信號，計算輸出和其節(jié)點電壓或支路電流的瞬態(tài)值

4、。還有.FOUR(傅立葉分析)和.FFT(快速傅立葉分析)。溫度特性分析(.TEMP)：不同溫度下進行上述分析，求出電路的溫度特性微電子研究所SPICE電路模擬軟件的根本結構五局部組成：輸入處理、元器件模型處理、建立電路方程、方程求解和輸出處理輸入處理：主要完成對輸入文件進行編譯，詞法語法檢查、存儲輸入數(shù)據(jù)、其他元件預處理等模型處理：元器件的數(shù)學模型：用數(shù)學公式描述器件的電流電壓特性、與物理參數(shù)和工藝參數(shù)的關系主要是非線性元件的模型：如MOS、BJT、二極管等這些模型編入模型庫，可調用；也可自行定義后參加模型庫電路模擬的精度：模型精度、參數(shù)選取微電子研究所SPICE電路模擬軟件的根本結構建立電

5、路方程根據(jù)電路結構、元件參數(shù)、分析要求，建立方程依據(jù)的根本原理是歐姆定律和基爾霍夫定律方程求解數(shù)值解法：線性代數(shù)方程組解法、非線性方程組解法、常微分方程組解法線性電路的直流分析：選主元的高斯消去法或LU分解法非線性電路的直流分析：對非線性元件進行線性化處理，迭代方法交流分析：線性電路、非線性電路，處理同上瞬態(tài)分析：常微分方程組，通過數(shù)值積分轉換輸出處理：選擇輸出內容和輸出方式表格和曲線微電子研究所SPICE仿真根本流程微電子研究所SPICE電路描述較大規(guī)模電路，一般用電路圖輸入，利用軟件將原理圖轉換為電路描述語言再進行模擬。電路描述語言：描述電路結構、元件參數(shù)、器件模型、電路運行環(huán)境、分析類型

6、和輸出要求等電路描述前首先要畫好電路圖，節(jié)點編號接地節(jié)點零號，其他正整數(shù)SPICE的描述語言：電路拓撲網表采用的模型元件屬性仿真內容控制微電子研究所電路描述舉例CMOS INVERTER DC TRANS. CHARACTERISTICSVCC 2 0 5VIN 1 0 pulse(0 5 0 1n 1n 49n 100n)M1 3 1 2 2 MOD1 L=2U W=18UM2 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=2E

7、15 UO=550.trans 1n 500n.PLOT DC V(3).END元件語句：元件名 與之相連的節(jié)點號D，G，S， G 元件參數(shù)(模型名，模型語句與元件語句分開)微電子研究所仿真輸出波形微電子研究所SPICE電路描述語言結點描述：使用數(shù)字或者字符串(如：data1, n5, 5 )；0結點總是地(Gnd)；地可以用0，Gnd，!Gnd表示；數(shù)字打頭的結點中的字符會被忽略，如：5A=5B=5所有結點指的都是局部結點，而不是全局結點；全局結點可以使用.Global語句描述；微電子研究所SPICE元器件描述無源器件(Passive Devices) :R - ResistorC - Ca

8、pacitorL - InductorK - Mutual Inductor有源器件(Active Devices) :D - DiodeQ - BJTJ - JFET and MESFETM - MOSFET其他:Subcircuit (X)Behavioral (E,G,H,F,B)(VCVS, VCCS, CCVS, CCCS, IBIS)Transmission Lines (T,U,O)(無損傳輸線, 有損傳輸線, )微電子研究所SPICE元件描述單位：R Ohm (e.g. R1 n1 n2 1K)C farad (e.g. C2 n3 n4 1e-12)L Henry (e.g.

9、 L3 n5 n6 1e-9)數(shù)量因子：FPNUM1e-151e-121e-91e-61e-3K 1e3Meg或者X 1e6G 1e9T 1e12DB 20log10例如：1pF1nH10MegHzvdb(v3)微SPICE元件描述無源器件 : R, C, L, and K 元件DTEMP：元件與電路的溫差，默認為0攝氏度；TC1，TC2溫度系數(shù)；M并聯(lián)個數(shù)；SCALE比例因子；L、W幾何尺寸；例如：C2 7 8 0.6pf IC=5V電子研究所微電子研究所SPICE元件描述雙極晶體管參數(shù)：雙極晶體管語法例如：BJT模型語法：.MODEL mname NPN (PNP) .微電子研究所SPIC

10、E元件描述MOSFET模型:MOSFET由:(1). MOSFET Model & Element Parameters(2). Two Submodel : CAPOP & ACM定義ACM : Modeling of MOSFET Bulk_Source & Bulk_Drain DiodesCAPOP : Specifies MOSFET Gate CapacitanceMOSFET模型的Levels :Available : 所有公開的SPICE模型(Level1, 2, 3)Level = 4 or 13 : BSIM1(Berkeley Short Channel IGFET Mo

11、del)Modified BSIM1Level = 5 or 39 : BSIM2Level = 8 : SBT MOS8微電子研究所SPICE元件描述MOSFET 元件語法:Mxxx nd ng ns mname + MOSFET 元件語句例如:M1 24 2 0 20 MODN L=5u W=100u M=4M2 1 2 3 4 MOD1 5u 100uM3 4 5 6 8 N L=2u W=10u AS=100P AD=100p PS=40u PD=40u.OPTIONS SCALE=1e-6M1 24 2 0 20 MODN L=5 W=100 M=4SPICE元件描述MOSFET模型

12、語法:.MODEL mname NMOS .MODEL mname PMOS .MOSFET模型語句例如:.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)微電子研究所.LIB MOS.MODEL NMOD NMOS

13、 (LEVEL=49+ TOXM=toxn LD=3.4e-8 , .).ENDL MOS微電子研究所SPICE分析結果輸出HSPICE輸出命令：.PRINT語句: 打印數(shù)值分析結果.PLOT: 在.lis文件中產生低分辨率的圖形.PROBE語句: 在圖形文件中保存輸出變量.MEASURE語句: 打印Measure指定的數(shù)值結果輸出變量:直流和瞬態(tài)分析: 顯示每個結點的電壓、電流以及各個電路的功耗；交流分析: 顯示所有電壓和電流量的實部和虛部；.MEASURE : 顯示用戶在.MEA語句中定義的變量，比方增益、電阻、周期、斜率等；Element Template Analysis: Display Element-Specific Voltage,Current.SPICE分析結果輸出例如DC & Transient分析:結點電壓輸出: V(1), V(3,4), V(X3.5)電流輸出(電壓源) : I(VIN), I(X1.VSRC)電流輸出 (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.mn1vthx1.mn1gdsx1.mn1gm,x1.mn1gbs,x1.mn1cgd