第3讲-Hspice电路仿真

Lec3HSPICE的使用徐江涛电子信息工程学院主要内容3.1HSPICE的流程与功能3.2HSPICE输入与输出3.3电路网表3.4模型卡3.5控制卡3.6输出控制3.7HSPICE的输出3.8Awaves浏览波形3.1HSPICE的流程与功能简单电路正向设计的典型流程1.功能定义2.行为设计3.逻辑级电路设计——得到由基本逻辑单元组成的电路（数字电路）4.逻辑级仿真（迭代）5.选择合适的工艺库。把各基本功能单元映射至其上；或设计各单元晶体管级电路——得到电路级网表Hspice是什么？—从设计流程说起6.电路级仿真：验证各单元电路是否具有期望的功能，性能估计。（迭代）7.版图设计、DRC,LVS8.提取版图网表，进行后仿真：验证功能，估计性能。（迭代）Hspice主要应用于电路级仿真、分析。可以辅助调整电路参数。得到功耗、延时等性能估计。Hspice的流程后处理SchematicNetlisterHSPICENetlistHSPICESimulationAnalysisWaveDataParameterChangesMetaLibCDFSymbolLibrary前端功能反标注Hspice有哪些功能？§电路级和行为级仿真§直流特性分析、灵敏度分析§交流特性分析§瞬态分析§电路优化（优化元件参数）§温度特性分析§噪声分析§傅立叶分析§MonteCarlo,最坏情况，参数扫描，数据表扫描§功耗、各种电路参数（如H参数、T参数、s参数）等可扩展的性能分析Hspice的样子Hspice是一个在cmdshell窗口中运行的程序，无图形化界面；Hspice的输入网单文件是一个有特定格式的纯文本文件—可在任意的文本编辑工具中编辑；Hspice的输出是一系列纯文本文件，根据不同分析要求，输出不同扩展名的文件。如：.lis.mea.dat.smt等。3.2Hspice的输入与输出文件结构：.title.optionsAnalysisstatement.print/.plot/.graph/.probeSources(IorV)netlist.lib.modellibraries.end输入文件的标题设置模拟的条件设置扫描变量、设置分析模式设置输出结果的显示方式设置输入激励电路网表元件库元件模型描述结束语句Hspice的输入——网单文件例（TheStar-HspicenetlistfortheRCnetworkcircuit）：.titleASIMPLEACRUN.OPTIONSLISTNODEPOST.OP.ACDEC101K1MEG.PRINTACV(1)V(2)I(R2)I(C1)V11010AC1R1121KR2201KC120.001U.ENDHspice的输出输出文件：一系列文本文件输出列表.lis或由用户自己定义瞬态分析结果.tr#+瞬态分析测量结果.mt#直流分析结果.sw#+直流分析测量结果.ms#交流分析结果.ac#+交流分析测量结果.ma#硬拷贝图形数据.gr#++数字输出.a2dFFT分析图形数据.ft#++子电路交叉列表.pa#输出状态.st#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0开始。+：表示在用.POST语句产生图形数据后该文件才被确立。++：表示该文件需要一个.GRAPH语句或有一个针对meta.cfg文件中存在的文件的地址计数器。该文件在HSPICE的PC版中不产生。+++：表示只有当应用了.FFT语句后该文件才被确立。MetaWave(avanwaves)：观察波形(post-processor),人机交互界面3.3电路网表.TITLE语句.TITLEstringofupto72characters或者：stringofupto72characters如果是第二种形式，字符串应该是输入文件的首行；如果一个HSPICE语句出现在文件的首行，则它将被认为是标题而不被执行。.END语句.ENDcomment在.END语句之后的文本将被当作注释而对模拟没有影响。Hspice的输入——网单文件网表：网表是描述电路元件和连接关系的部分，首先对电路的结点进行标记，不同结点起不同的名字。再说明各个元件的引脚连接到哪个结点及元件的类型和模型。一般格式为：名称器件的类型器件所连接的节点参数值例：……V11010AC1R1121KR2201KC120.001U……R1R2c1210v1Hspice的输入——网单文件输入行格式•输入网表文件不能是压缩格式；•文件名、语句、等式的长度不能超过256字符；•上标和下标将被忽略；•用加号（+）表示续行，此时加号应该是新续之行的第一个非数字、非空格字符；•星号（*）和美圆符号（$）可以引出注释行，但*必须是每行第一个字母，而$一般跟在一个语句后，并与语句有至少一个空格。Hspice的输入——网单文件分隔符•包括：tab键，空格，逗号，等号，括号•元件的属性由冒号分隔，例如M1:beta•级别由句号指示，例如X1.A1.V表示电路X1的子电路A1的节点V常量：M－毫，p－皮，n－纳，u－微，MEG－兆,例如c11210pF；单位可以省略，例如c11210p电路网表§元件名:•元件名以元件的关键字母开头:电阻－R，电容－C……•子电路的名字以“X”开头•元件名不超过16个字符§节点:•节点名长度不超过16个字符，可以包括句号和扩展名•开始的零将被忽略：•节点名可以用下列符号开始：#_!%•节点可以通过.GLOBAL语句定义成跨越所有子电路的全局节点：.GLOBALnode1node2node3…node1node2node3都是全局节点，例如电源和时钟名•节点0，GND,GND!,GROUND都指全局的地电位节点§元件语句：名称器件的类型器件所连接的节点参数值电路网表无源器件：电阻：Rxxxn1n2mnameR=resistanceAC=val电阻值可以是表达式。例：RterminputgndR=’sqrt(HERTZ)’Rxxx981AC=1e10直流电阻1欧姆，交流电阻为1e＋10欧姆电路网表无源器件：电容：一般形式：Cxxxn1n2mnameC=capacitance例，Cloaddriveroutput1.0e-6。电路网表无源器件：电感：一般形式：Lxxxn1n2L=inductance电路网表有源器件：二极管：Dxxxnplusnminusmname/params模型中的寄生电阻串联在正极端。双极型晶体管：QxxxncnbnensmnameJFET：Jxxxndngnsnbmname电路网表有源器件：MOSFET:MxxxndngnsnbmnameparamsOrMxxxndngnsnbmnamewidthlengthotheroptions...下面是一个CMOS反相器网表：……Mnoutin00NMOSW=1.2uL=1.2uMpoutinvddvddPMOSW=3uL=1.2u……电路网表§子电路语句子电路定义开始语句.SUBCKTSUBNAMnode1node2…其中，SUBNAM为子电路名，node1…为子电路外部节点号，不能为零。子电路中的节点号（除接地点），器件名，模型的说明均是局部量，可以和外部的相同。例.SUBCKTOPAMP1234电路网表§子电路语句子电路终止语句.ENDSSUBNAM若后有子电路名，表示该子电路定义结束；若没有，表示所有子电路定义结束。例.ENDSOPAMP子电路调用语句X*****node1node2…SUBNAM例.X1241731MULT1子电路使用举例下面是由前面举例的CMOS反相器组成的三级反相器链网表：…….globalvdd.SUBCKTINVINOUTwn=1.2uwp=1.2uMnoutin00NMOSW=wnL=1.2uMpoutinvddvddPMOSW=wpL=1.2u.ENDSX1IN1INVWN=1.2UWP=3UX212INVWN=1.2UWP=3UX32OUTINVWN=1.2UWP=3UCLOUT01PFVCCVDD05V……12outIN电路网表激励源：独立源：电压源－V，电流源－IVxxx/Ixxxn+n-DC=dcvalAC=acmag,acphase+M=val例，V110DC=5V或V1105VI110DC=5mA或I1105mA交流模式：V110AC=10V,90幅度为10v，相位为90度交直流模式：V1100.5vAC=10V,90直流分量是0.5vorVxxx/Iyyyn+n-tranfun+M=valtranfun：EXP,PULSE,PWL…。M=val表示并联的电流源个数。电路网表激励源：独立源：脉冲形式：Vxxxn+n-PULSE(v1v2tdtrtfpwper)V1值1V2值2td上升延迟时间tr上升时间tf下降时间pw脉冲宽度per周期脉冲形式举例例：VPU30PULSE(125N5N5N20N50N)电路网表激励源：独立源：正弦形式：Vxxxn+n-SIN(vovafreqtdq＋φ)v0失调值va幅度freq频率td延迟时间q阻尼因子相位电路网表Time=0~tdv0+va·sin(2πφ/360+Time）Time=td~瞬态分析的结束时间vo＋vaExp[-(Time-td)×θ]·Sin{2π·[freq(Time-td)+φ/360]}得到的波形：正弦形式举例例：VIN30SIN(01100MEG1NS1e10)电路网表激励源：独立源：逐段线性形式：pwl(t1v1t2v2t3v3…R=repeat+TD=delay)vi是ti时刻的值，repeat是开始重复的起始点；delay是延迟时间。指数形式：EXP(v1v2td1t1td2t2)V1是初始值，v2是峰值，td1是上升延迟时间，t1是上升时间常数，t2是下降时间常数。完整的网表部分举例前面反相器链的网表：…….SUBCKTINVINOUTwn=1.2uwp=1.2uMnoutin00NMOSW=wnL=1.2uMpoutinvddvddPMOSW=wpL=1.2u.ENDSX1IN1INVWN=1.2UWP=3UX212INVWN=1.2UWP=3UX32OUTINVWN=1.2UWP=3UCLOUT01PFVCCVDD05VVININ0PULSE(05V10NS1N1N50N100N)……3.4模型卡模型卡中列出了一系列元件的类型，并给出了各类型元器件的有关参数，对于不同类型的元件，参数的集合有不同的内容。一个模型对应于一类元件，不同的元件可以对应同一模型，其中各元件间的参数值可能不同，但参数集是一样的，一般值相同的参数的值在模型说明中给出。模型卡的语句是一条条.MODEL引导的模型说明语句。每个模型有一个名字。模型卡电阻模型（wireRC）：.MODEL模型名Rkeyword=valueNOISE，RX:热噪声参数，inr＝SQRT(NOISE·4KT/R),噪声＝电容模型：.MODEL模型名Cparameter=value22RXinr模型卡有源器件的模型说明都有一个LEVEL参数，不同的LEVEL对应不同的模型参数集。二极管模型：包括齐纳二极管、Schottky、硅扩散结.MODEL模型名DLEVEL=valkeyword=val...nongeometricjunctiondiode：LEVEL＝1电阻、电容、电流参数例：.MODELDD(CO=2PF,RS=1,IS=1P).MODELDFOWLERD(LEVEL=2,TOX=100,JF=1E-10,EF=1E8).MODELDGEO