CMOS实验课1HSPICE介绍

HSPICE介绍

1、为什么要使用Hspice进行电路仿真

Avant! Star_Hspice（Synopsys公司）是IC设计中最长用的仿真工具，是目前业界使用最为广泛的IC设计工具，甚至可以说是事实上的标准。目前，一般的书籍中都采用比较简单的MODEL对MOS 电路进行计算和估算。而工艺厂商提供的MODEL往往要高级的多、复杂的多。因此设计者除了利用书本上的公式对电路进行估算外，还需要使用更高级的MODEL对电路进行精确的仿真，这就有赖于仿真工具的使用，如Hspice，Spectre。

2、Hspice仿真的流程

3、Hspice所使用的单位（不区分大小写）

4、输入文件格式（.net /.sp）

5、电路元器件在Hspice文件中的表示方法

在器件名字前面加上前缀字符，即可被Hspice程序识别，如：MOS器件前缀为：M

BJT器件前缀为：Q

Diode器件前缀为：D

子电路的前缀为：X

电阻、电容、电感的前缀分别为R、C、L

下面表示一个器件名为M1的MOS管

MM1 ND NG NS NB MNAME L=VAL W=VAL M=VAL

下面表示一个器件名为C1的电容

CC1 net1 net2 1pf

定义子电路的语句如下：

.SUBCKT SUBNAM（子电路的名字） 1 2 3 4（子电路外部节点）例子：

.SUBCKT 2NAND 1 2 3

(描述电路结构)

.ENDS 2NAND

调用子电路时，使用X前缀加实例名，将SUBCKT实例化，如：

.XOPAMP1 4 5 6 OPAMP

6、信号源描述（激励描述）：

电压源－V，电流源－I

Vxxx/Ixxx n+ n- < dcval> >

+

直流：V1 1 0 DC=5V 或V1 1 0 5V

I1 1 0 DC=5mA 或I1 1 0 5mA

交流模式：V1 1 0 AC=0.5V,90 幅度为0.5v，相位为90度

交直流模式：V1 1 0 3v AC=0.5V,90 直流分量是3v

Vxxx/ Iyyy n+ n-

+

tranfun：EXP, PULSE, PWL…。

只用来描述电流源，表示并联的电流源个数。默认为1。脉冲源：

Vxxx n+ n- PULSE (v1 v2 td tr tf pw per)

（脉冲电流源有类似的书写方法）

正弦源：

Vxxx n+ n- SIN ( vo va freq td Θφ) （正弦电流源可以类似的方式给出）

任意方波源：

Vxxx n+ n- pwl ( t1 v1 t2 v2 t3 v3……R TD )

7、分析命令

工作点分析

.OP 会在输出文件中列出一些直流参数。如，各结点的工作点电压、支路电流、器件工作状态等等。如

.OP 20us 30us *打印出20us,30us时电路的直流参数

直流分析

.DC var1 START STOP STEP/,

Type: DEC(十进位）/OCT（倍频）/LIN（线性）/DATA＝datanm/POI(列表）

Np －单位范围内的点数（依type而定）。SWEEP后的变量可是电压、电流或温度等变量。

例：

.DC xval 1k 10k 0.5k SWEEP TEMP LIN 5 25 125

交流分析

.AC type np fstart fstop

例：

.AC DEC 10 1K 100MEG

*1kHz-100MHz,每10倍频程取10个点打印。

瞬态分析

.TRAN var1 START=start1 STOP=stop1 STEP=incr1 或者

.TRAN tincr1 tstop1 < tincr2 tstop2 ...tincrN tstopN>

+

注意：Tran分析时起止时刻及步长指的是输出打印点的时刻，Hspice真正的计算步长是由Hspice自己决定的。

例：

.TRAN 0.1NS 25NS 1NS 40NS START=10NS

*0－25ns，步长0.1ns, 25ns-40ns,步长1ns; 从10ns开始输出结果。.TRAN1NS 100NS *以1ns的步长输出到100ns

8、测量命令：

MEASURE命令

.MEASURE result TRIG … TARG …

Result是测量结果的名字，

TRIG … TARG 为起始···中止（依分析内容不同可是时刻、频率···）TRIG 和TARG的格式如下：

TRIG trig_var V AL=trig_val

TARG targ_var V AL=targ_val *last表示最后一次事件。

例：

.meas tran tdlay trig v(1) val=2.5 td=10n rise=2

+ targ v(2) val=2.5 fall=2

该例测量一个名为tdlay的时间，在节点1处的电压第二次超过2.5v，时开始测量（注意在超过2.5v以后10n秒才开始计算），到节点2处的电压第二次回落到2.5v时停止测量。

9、输出命令

.PRINT P(element_or_subcircuit_name) POWER

*打印功率值

.PRINT TRAN P(M1) P(VIN) P(CLOAD) POWER

.PLOT DC POWER P(IIN) P(RLOAD) P(R1)

.PROBE antype ov1 …

*antype 可以是DC /AC/TRAN……后面的变量可以是电压或者电流及器件的参数等等。

10、例题

下图反相器中的MOS 管L=0.5u ，W=1.2u 。试建立反相器子电路，并考察子电路的VTC 特性。建立完整电路后，分析该反相器链的直流传输特性、时序特性及带负载能力（负载为电容0.5P 1P 2P ）。

第一步：设计反相器单元

Vout

Vdd

第二步：写出输入文件，执行DC 分析获得反相器的VTC 特性图

.TITLE 1.2UM CMOS INVERTER

.options probe

.options tnom=25

.options ingold=2 limpts=30000 method=gear

.options lvltim=2 imax=20 gmindc=1.0e-12

.protect

.lib'E:\cmos25_level49.lib' TT

.unprotect

.global vdd

Mn out in 0 0 NMOS W=1.2u L=0.5u *（工艺中要求尺寸最大0.5u）Mp out in vdd vdd PMOS W=1.2u L=0.5u * 此处W需做更改) CL OUT 0 0.5PF

VDD VDD 0 5V

VIN VIN 0 PULSE(0 5V 10NS 1N 1N 50N 100N)

.DC VIN 0 5V 0.1V

.op

.probe dc v(V out)

.end

第三步写出SUBCKT并实例化三个，来实现反相器链对反相器链执行DC扫描。

.TITLE 1.2UM CMOS INVERTER CHAIN

.options probe

.options tnom=25

.options ingold=2 limpts=30000 method=gear .options lvltim=2 imax=20 gmindc=1.0e-12 .protect

.lib'E:\cmos25_level49.lib' TT

.unprotect

.global vdd

.SUBCKT INV IN OUT wn=1.2u wp=1.2u Mn out in 0 0 NMOS W=wn L=1.2u

Mp out in vdd vdd PMOS W=wp L=1.2u

.ENDS

X1 IN 1 INV WN=1.2U WP=3U

X2 1 2 INV WN=1.2U WP=3U

X3 2 OUT INV WN=1.2U WP=3U

CL OUT 0 1PF

VDD VDD 0 5V

VIN VIN 0 0

.DC VIN 0 5V 0.1V

.measure DC V1 when v(out)=2.5v

.PROBE dc v(V out)

.END

第四步执行measure 命令测量延迟时间。

VIN VIN 0 PULSE(0 5V 10NS 1N 1N 50N 100N)

.TRAN 1N 200N

.measure tran tdelay trig v(in)

＋val=2.5 td=8ns rise=1

+ targ v(out) val=2.5 td=9n fall=1

.PRINT V(OUT)

.end

第五步考察电路带容性负载的能力，同学们自己完成（提示：建立DATA包含三个容值，瞬态分析时执行SWEEP DATA=DATANM）相关命令变为

.Param C1=0

.CL OUT 0 C1

.TRAN 1N 200N sweep data=d1

.data d1 C1

+ 0.5p

+ 1P

+ 2P

.enddata