hspice

HSPICE一、简介随着微电子技术的迅速发展以及集成电路规模不断提高，对电路性能的设计要求越来越严格，这势必对用于大规模集成电路设计的EDA工具提出越来越高的要求。自1972年美国加利福尼亚大学伯克利分校电机工程和计算机科学系开发的用于集成电路性能分析的电路模拟程序SPICE（SimulationProgramwithICEmphasis）诞生以来，为适应现代微电子工业的发展，各种用于集成电路设计的电路模拟分析工具不断涌现。HSPICE是Meta-Software公司为集成电路设计中的稳态分析，瞬态分析和频域分析等电路性能的模拟分析而开发的一个商业化通用电路模拟程序，它在伯克利的SPICE（1972年推出），MicroSim公司的PSPICE（1984年推出）以及其它电路分析软件的基础上，又加入了一些新的功能，经过不断的改进，目前已被许多公司、大学和研究开发机构广泛应用。HSPICE可与许多主要的EDA设计工具，诸如Cadence,Workview等兼容，能提供许多重要的针对集成电路性能的电路仿真和设计结果。采用HSPICE软件可以在直流到高于100GHz的微波频率范围内对电路作精确的仿真、分析和优化。在实际应用中，HSPICE能提供关键性的电路模拟和设计方案，并且应用HSPICE进行电路模拟时，其电路规模仅取决于用户计算机的实际存储器容量。二、HSpice特殊性能HSpice不但具备了绝大多数Spice具有功能外,还具有许多新的特点[5],如下所述:(1)优越的收敛性。Synopsys公司借着修正元件模型,方程式及演算法(algorithm)改善电脑程式求解时的收敛性。在早期的Spice模型中,由于实际元件的特性是连续的,而很多电路的饱和区与线性区的工作点在两区交界点处并不连续,故造成不收敛情况。而在HSpice中有多项设定选择,所以有极好的收敛性(2)精确的模型参数,包括许多Foundry模型参数。由于VISI制作过程的进步,使得元件进入次微米或毫微米时代。所以,在电路模拟上对元件模型的精确性与应用有更严格的要求。(3)层次式节点命名和参考。(4)基于模型和库单元的电路优化,逐项或同时进行AC,DC和瞬态分析中的优化。(5)具备蒙特卡罗(MonteCarlo)和最坏情况(worst-case)分析。集成电路产品的性能好坏,除了设计及制作过程外,在产品的使用或可靠性的测试等都可以反应出产品的品质及合格率。在HSpice中,可用蒙特卡罗统计分析,用测试的结果修正原来的设计规则;同时还可以进行最坏情况分析(worst-case)模拟,以便提供产品性能的评估与合格率的分析。(6)参数化单元的输入、输出和行为代数化。在HSpice中对于任何元件或电路单元都可以参数化,其输出、输入都可以用代数式来描述,并做运算。(7)有较高级逻辑模拟标准库的单元特性描述工具。(8)能对PCB、多芯片系统、封装以及IC技术中连线间的几何损耗加以模拟。(9)图形化处理。在HSpice中,对于输出资料的图形处理器(postproessing),可用AvanWaves处理器及.GRAPH等功能,而AvanWaves是属于视窗处理及交谈的方法,并可以做各种代数运算,其中还包括节点电压、元件电流、及电路效能的分析等。(10)极/零点分析。此分析是HSpice中特有的功能之一,特别是对于网路分析与类比电路如放大器、滤波器等设计尤为重要。通过分析极点、零点的分布,可以分析系统的稳定度。在电路性能分析中,一般都要在不同应用条件下,根据需要加入各种容差和限制进行直流分析(.DC)、交流分析(.AC)和瞬态分析(.TRAN)。HSpice能够通过不同的源文件去访问各种输入和模拟控制信息,并绘制和输出有关节点的分析曲线和结果。三、HSPICE和PSPICE比较(l)模型识别和仿真精度HSPICE有着众多的模型,PSIIE就相对少得多。以MOS管为例,HSI)ICE拥有从1到58级的MOS管模型,而PSI,ICE只能处理到第3级模型。当然,有一些厂家也提供了自己的高lovel的PSI,Icl二模型,但毕竟比HSPICE的模型少。,在低级模型的处理上,由上面表格可以看到,PSICE在运行时间上优于HSPICE。另一方面,由上表数据与实际电路比较,我们也应当肯定,在模型仿真时,选用Leve卜49的模型会比levd=3的模型更接近于实际电路、一般说来,只要厂家给的SIUCE模型是正确的,用HSPICE仿真出来的结果与实验结果是符合得较好的。而PSPICE的模型则较少,不易得到高的仿真精度。(2)网表接口和仿真预处理HSPICE可以直接对多种软件生成的网表进行仿真,如Caelenee软件包的comproser和AnalogArtist,Desig:1Arelliroer以及WorkView都可以直接生成网表为HSPICE所用,而不需再进行一些非控制性的修改。而邢PICE软件在网表的接口方面就明显不如HSPICE。另外,我们还在应用中发现:PSPICE在对电路仿真前首先作偏置点的计算。这是PSPICE程序本身的功能,无论对电路作交流分析或者作瞬态分析,它都先自动完成对电路进行偏置点的分析运算,而不管PSPICE源程序是否提出。由于两种软件所采用的算法不完全一致,所以,仿真出来的波形也有所差异。pSPICE在仿真前首先计算电路中的直流参数,并以此直流参数为初始条件再计算瞬态结果。因此,在碰到不收敛情况时,仍有一定曲线结果。而HSPICE在瞬态仿真之前就没有作这样的运算,它直接作瞬态分析。如果不收敛,则直接报告不收敛。四、HSPICE应用1两级运放可以同时实现较高增益和较大输出摆幅[1]，其设计思路是将增益和摆幅要求分别处理，而不是在同一级中兼顾增益与摆幅。即运用第一级放大器得到高增益，可以牺牲摆幅，第二级放大器主要实现大输出摆幅，以补偿第一级牺牲的摆幅，并进一步提升增益，从而克服了单级运放增益与摆幅之间的矛盾，同时实现高增益和大摆幅。因此，利用两级放大器结构设计放大器的思想在通用运放的设计中被广泛采用。本文详细介绍了一个CMOS两级运算放大器的设计过程。2电路与设计指标设计指标如表1所示。基于这些指标选择了如图1示的电路结构[2]。该运放主体结构为两个单级放大器：差分输入级和共源增益级，辅助电路为偏置电路和频率补偿电路。差分输入级采用PMOS输入对管，NMOS电流镜负载；共源级采用NMOS放大管，PMOS负载管；由六个MOS管和一个电阻构成的电流源为两级放大电路提供偏置，另外还为频率补偿MOS管提供偏压；一个NMOS管和一个电容构成频率补偿电路，连接在共源级的输入输出之间作为密勒补偿。该运放的工作原理：信号由差分对管两端输入，差模电压被转化为差模电流，差模电流作用在电流镜负载上又转化成差模电压，信号电压被第一次放大后被转化为单端输出，随即进入共源级再一次被放大后从漏端输出。电路特点是通过两级结构可以同时满足增益和输出摆幅的要求，即第一级电路设计与应用。提供高增益，可以牺牲摆幅，第二级弥补摆幅，同时进一步增大增益。3电路几何参数设计本设计采用0.8μmCMOS工艺，基于Levelone模型设计各管尺寸，提取典型工艺参数如下：（1）设计Cc为了得到60°的相位裕度，理论上要求零点在10GBW之外，可以证明：考虑单位增益带宽要尽可能大，在参照以上比例的同时稍微加大第一级的电流，分配如下：4Hspice仿真将M9-M13构成的偏置电路用一个20uA恒流源代替，M14频率补偿管用一个2KΩ电阻代替，采用Hspice对电路进行仿真。主要的仿真图形如下：5主要性能参数的仿真结果总结如下：由图2的频率特性曲线可知，该运放的直流开环增益为87.6dB,单位增益带宽为80.5Mhz,相位裕度为68度；由图3的转换速率仿真曲线可知，正向压摆率为48.4V/uS；由图4共模抑制比仿真曲线可知结果为90.6dB；由Hspice仿真输出的.lis文件获得运放的直流功耗为2.2776mW。另外，仿真得到的运放在1Khz时的等效输入噪声电压为:310nV/Hz@1Khz。负电源抑制比为95.8dB。本文基于设计要求，选择电路结构，详细设计了MOS管的尺寸，并在直接用恒流源代替偏置电路，用电阻代替补偿MOS管的情况下对运放进行了HSPICE仿真，仿真结果表明，开环直流增益，相位裕度，转换速率，共模抑制比，负电源抑制比等性能参数均达到预期设计要求，但是静态功耗和等效输入噪声两项未能达到设计要求，说明还需要对设计进行优化。优化设计主要针对静态功耗和等效输入噪声两项未达标的参数，思路是适当减小静态电流以降低功耗，同时优化M1-M4管尺寸以减小噪声[3]。参考文献：1、百度百科2、《HSpice在电路内部参数容差统计分析中的应用》田武平,郭杰荣3、《HSPICE和PSPICE应用中的几个问题》陈苑锋4、《CMOS两级运算放大器设计与HSPICE仿真》何红松