1、CMOS模拟集成电路实训模拟集成电路实训之之H-SPICE辅助设计辅助设计东南大学集成电路学院东南大学集成电路学院IC实验室实验室Leo_内容内容 H-SPICE概述概述 H-SPICE网表网表 Model&Sub circuits Component Source Control 实训实训开始前开始前 H-SPICE不要安装在中文目录下不要安装在中文目录下 任何任何H-SPICE需要调用的文件都不要放在中文目录下需要调用的文件都不要放在中文目录下 网表文件第一行为标题行网表文件第一行为标题行 H-SPICE并不是所见即所得模式，但可以借助并不是所见即所得模式，但可以借助Cadence实现实现
2、内容内容 H-SPICE概述概述 H-SPICE网表网表 Model&Sub circuits Component Source Control 实训实训(1)SPICE背景背景SPICE：Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis 由加州大学伯克利分校研制由加州大学伯克利分校研制 广泛使用，成为行业标准模型广泛使用，成为行业标准模型电路仿真的数字方法电路仿真的数字方法 电路节点定义一个矩阵电路节点定义一个矩阵电路元件特性依赖于子模型电路元件特性依赖于子模型 简单的如电阻：简单的如电阻：Resistor 复杂的如复杂的如MOS管：管：
3、MOSFET(2)SPICE简介简介SPICE是一个电路分析工具，用于电路的是一个电路分析工具，用于电路的稳态稳态、瞬态瞬态和和频域仿真频域仿真种类繁多：业界有很多种类繁多：业界有很多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程序开发，均支持通用的程序开发，均支持通用的SPICE网表文件网表文件SPICE工具的算法基本相似，可能在工具的算法基本相似，可能在时步控制时步控制、方程解算器方程解算器和和收敛控制收敛控制方面会有所
4、不同方面会有所不同(3)使用使用SPICE需具备的基础需具备的基础 了解元件的基本特性了解元件的基本特性 熟悉所设计的电路功能熟悉所设计的电路功能 了解需要验证的电路指标和对应的模拟种类、电路状态了解需要验证的电路指标和对应的模拟种类、电路状态 了解电路的输入信号特性了解电路的输入信号特性 了解电路各项指标的相依性及优先度了解电路各项指标的相依性及优先度 了解电路结构、元件参数与各项电路特性的相关性，以便于了解电路结构、元件参数与各项电路特性的相关性，以便于模拟结果的改进模拟结果的改进(4)HSPICE的具体功能的具体功能电路级和行为级仿真电路级和行为级仿真直流特性分析、灵敏度分析直流特性分析
5、、灵敏度分析交流特性分析交流特性分析瞬态分析瞬态分析电路优化（优化元件参数）电路优化（优化元件参数）温度特性分析温度特性分析噪声分析噪声分析傅立叶分析傅立叶分析蒙特卡罗最坏情况分析，参数扫描，数据表扫描蒙特卡罗最坏情况分析，参数扫描，数据表扫描功耗、各种电路参数功耗、各种电路参数（H参数、参数、T参数、参数、S参数）等参数）等可扩展的性能分析可扩展的性能分析(5)HSPICE的界面的界面(6)HSPICE的输入输出数据的输入输出数据(7)HSPICE的文件及其后缀的文件及其后缀 输出列表输出列表 .lis 瞬态分析结果瞬态分析结果 .tr#+瞬态分析测量结果瞬态分析测量结果 .mt#直流分析结
6、果直流分析结果 .sw#+直流分析测量结果直流分析测量结果 .ms#交流分析结果交流分析结果 .ac#+交流分析测量结果交流分析测量结果 .ma#输出状态输出状态 .st#工作点节点电压（初始条件）工作点节点电压（初始条件）.ic#：代表扫描分析序号或者硬拷贝文件序号，一般从：代表扫描分析序号或者硬拷贝文件序号，一般从0 开始。开始。+：表示在用：表示在用.POST语句产生图形数据后该文件才被确立。语句产生图形数据后该文件才被确立。内容内容 H-SPICE概述概述 H-SPICE网表网表 Model&Sub circuits Component Source Control 实训实训(1)电路
7、与网表电路与网表*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 dc 5 vin vin 0 dc VMOD ac 1 .op 网表是描述电路元件和连接关系的语句网表是描述电路元件和连接关系的语句 首先对电路节点进行标记首先对电路节点进行标记 说明各个元件的类型和模型说明各个元件的类型和模型 说明各个元件的引脚连接到哪个节点说明各个元件的引脚
8、连接到哪个节点VddM3M2M1CLVinVoutIREF1IO(2)HSPICE的网表结构的网表结构(3)HSPICE的网表编写规则的网表编写规则网表文件的第一个语句必须是标题行，最后一个语句必须是网表文件的第一个语句必须是标题行，最后一个语句必须是.END网表中语句的次序是随意的，但是续行（行首有网表中语句的次序是随意的，但是续行（行首有“”的行）除外的行）除外注释行（首字母为注释行（首字母为*或句末为或句末为$）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复定义节点不要重复定义节点不要有悬空节点不要有悬空节点关键节点最好使用有意义的命名关键节点最好使用有意义的命名文件名、语句、等
9、式的长度不能超过文件名、语句、等式的长度不能超过256字符字符不区分大小写不区分大小写(4)节点命名规则节点命名规则 可以是可以是字母字母或或数字数字(如如VIN1，12等等)0节点节点总是总是地地 节点数字后的字母可被忽略节点数字后的字母可被忽略(如如5A=5B=5)节点均为本地节点均为本地 可以使用可以使用.GLOBAL声明全局节点声明全局节点(例例.GLOBAL VDD VSS)(5)网表中的单位及比例因子网表中的单位及比例因子 单位可以省略单位可以省略 比例因子不可省略比例因子不可省略内容内容 H-SPICE概述概述 H-SPICE网表网表 Model&Sub circuits Com
10、ponent Source Control 实训实训(1)Model简介简介 Model主要内容为元件参数主要内容为元件参数 语法规则语法规则.MODEL 模型名 PMOS .MODEL 模型名 NMOS LEVEL=1常用于数字电路，精度低、速度快 LEVEL=2考虑了衬底电荷对电流的影响 LEVEL=13,39,49用于模拟电路，精度高、速度慢(2)元件参数说明元件参数说明 模拟电路仿真前的手工估算模拟电路仿真前的手工估算 VT0（零偏置阈值电压）KP（传输电导参数）GAMMA（体阈值参数）LAMBDA（沟道长度调制参数）CGS0/CGD0/CGB0（GS-GD-GB覆盖电容）CJ（零偏置
11、结电容）TOX（氧化层厚度）PHI（表面势）NSUB（衬底掺杂）NSS（等效表面电荷）NFS（快速表面态效应）U0（表面迁移率）CSMC 0.5um CMOS(3)Subckt简介简介 子电路是以子电路是以.SUBCKT 开头，以开头，以.ENDS 结束的一组语句结束的一组语句 子电路中子电路中可嵌套可嵌套其它子电路其它子电路 语法规则语法规则 定义定义 调用调用(4)子电路应用实例子电路应用实例内容内容 H-SPICE概述概述 H-SPICE网表网表 Model&Sub circuits Component Source Control 实训实训(1)元件描述元件描述 C Capacitor
12、 D Diode L Inductor M MOSFET Q BJT R Resistor X Subcircuit Call(2)语法示例语法示例内容内容 H-SPICE概述概述 H-SPICE网表网表 Model&Sub circuits Component Source Control 实训实训(1)常用常用电源类型电源类型 直流源直流源 交流源交流源 脉冲源脉冲源 分段线性源分段线性源 正弦源正弦源 指数源指数源(2)瞬态电压源实例瞬态电压源实例 脉冲源脉冲源 语法语法 例子例子a test of pulse.TRAN 200P 130NVIN IN 0 PULSE 0 5 10N 1
13、0N 10N 40N 100N.end(3)瞬态电压源实例（续）瞬态电压源实例（续）分段线性源分段线性源语法语法例子例子a test of PWL.TRAN 10N 10UVIN IN 0 PWL 0 0.5 10n 0.5 20n 4.5 2u 4.5 2.01u 0.5 4u 0.5 4.01u+2.49 6u 2.49 6.01u 2.6 8u 2.6 8.01u 2.4 10u 2.4.end(4)瞬态电压源实例（续）瞬态电压源实例（续）正弦源正弦源语法语法例子例子a test of SIN.TRAN 10N 10UVIN IN 0 SIN 2 1 0.5X 1U.end(5)瞬态电压
14、源实例（续）瞬态电压源实例（续）指数源指数源语法语法例子例子a test of EXP.TRAN 100P 800NVIN IN 0 EXP 0 2 2N 30N 60N 40N.end内容内容 H-SPICE概述概述 H-SPICE网表网表 Model&Sub circuits Component Source Control 实训实训(1)常用常用控制语句控制语句 直流工作点直流工作点 直流扫描和直流小信号分析直流扫描和直流小信号分析 交流扫描和小信号分析交流扫描和小信号分析 瞬态分析瞬态分析(2).OP直流工作点分析直流工作点分析 语法格式语法格式.OP 输出某一时间的直流工作点输出某一
15、时间的直流工作点 节点电压节点电压 电流源电流源 功率损耗功率损耗 半导体器件的电流、电导、寄生电容等半导体器件的电流、电导、寄生电容等 图例图例(3).DC直流传输特性扫描直流传输特性扫描 语法格式语法格式.DC var1 start1 stop1 incr1 可以进行可以进行 直流参数扫描直流参数扫描 电源值扫描电源值扫描 温度范围扫描温度范围扫描 输出扫描结果输出扫描结果(图形图形)图例图例(4).AC直流传输特性扫描直流传输特性扫描 语法格式语法格式.AC type np fstart fstop 特性特性 将交流分析变量作为指定频率的函数将交流分析变量作为指定频率的函数 先求直流工作
16、点作为交流分析的初值先求直流工作点作为交流分析的初值 非线性器件转换为小信号模型非线性器件转换为小信号模型 输出扫描结果输出扫描结果(图形图形)图例图例(5).OPTION 控制选项项语句控制选项项语句 允许用户重新设置程序的参数或允许用户重新设置程序的参数或/和控制程序的功能和控制程序的功能 满足用户的需要或特殊的模拟目的满足用户的需要或特殊的模拟目的 输出到输出到LIST文件文件 语法格式语法格式.OPTION opt1 optn为控制选项的名称为控制选项的名称 一般以一般以optn=x形式出现，形式出现，x表示控制选项的赋值表示控制选项的赋值 排列顺序任意排列顺序任意 示例示例.OPTI
17、ON post，用于在终端上显示模拟结果的高分辨率图形曲线，用于在终端上显示模拟结果的高分辨率图形曲线.OPTION acct，在电路模拟过程结束后，提供运行过程统计结果，在电路模拟过程结束后，提供运行过程统计结果.OPTION node，输出节点链接表，用于诊断与拓扑相关的不收敛，输出节点链接表，用于诊断与拓扑相关的不收敛.OPTION opts，输出当前所有控制选项的设置，输出当前所有控制选项的设置.OPTION nomod，禁止输出模型参数，用于减小，禁止输出模型参数，用于减小LIST文件长度文件长度(6).PARAM 参数及表达式定义语句参数及表达式定义语句 用来对用来对HSPICE
18、模拟中的元件和模型所指定的关键字进行赋值模拟中的元件和模型所指定的关键字进行赋值 适合要适合要调用不同参数调用不同参数进行模拟的场合进行模拟的场合 语法格式语法格式.PARAM xx=COSTANT FUNCTION CONSTANT为常数为常数 FUNCTION 为函数为函数 示例示例.PARAM m=1.PARAM WMOD=m*30u(7).PRINT 打印语句打印语句 规定了要输出的变量值规定了要输出的变量值 输出到输出到LIST文件文件 可以输出两变量之间的波形可以输出两变量之间的波形 语法格式语法格式.PRINT antype ov1 anytype可以是可以是DC、AC、TRAN
19、 ovn是要输出的变量是要输出的变量 示例示例.PRINT DC v(vin)i(m1)输出输出m1管的转移特性曲线管的转移特性曲线.PRINT&.PLOT(8)特殊控制语句特殊控制语句 数据测量语句数据测量语句.MEASURE.MEASURE type WHEN MAX 参数替换语句参数替换语句.ALTER 网表执行到网表执行到.ALTER处获取新参数，并重新执行处获取新参数，并重新执行 二次扫描关键字二次扫描关键字SWEEP 常与常与.DC、.AC、.TRAN连用，用以扫描输出一组波形连用，用以扫描输出一组波形 传递函数计算传递函数计算.TF 计算放大倍数、输入输出电阻计算放大倍数、输入输
20、出电阻 零极点分析零极点分析.PZ 获取零点极点获取零点极点内容内容 H-SPICE概述概述 H-SPICE网表网表 Model&Sub circuits Component Source Control 实训实训实训一实训一 Hspice安装与配置 单一mos管特性分析与仿真 反相器特性分析与仿真 差分放大器分析与仿真Lab1：电流源负单级放大器电流源负单级放大器 指标指标 VDD=5V CL=10pf Iref=100A AV=35 G.B.=9MHz 要求要求 原理分析原理分析 工作点选取工作点选取 HSPICE直流特性仿真直流特性仿真 HSPICE交流特性仿真交流特性仿真 实训一参考实训一参考Lab1：自举电压基准自举电压基准 指标指标 VDD=5V Vref=1.29V Iref=10A 要求要求 原理分析原理分析 工作点选取工作点选取 HSPICE直流特性仿真直流特性仿真 HSPICE交流特性仿真交流特性仿真 实训二参考实训二参考M3M4M1M5R2R1M6VDD0IrefVref启动电路偏置电路M2I11234
