Cadence电路参数变量扫描分析说明.pdf

Cadence 电路参数变量扫描分析
庞则桂 2006-12-22 Version-1.0

在使用 Cadence 的 Affirma Analog Circuit Design Environment 对电路进行仿真的时候， 适当地使用 Design Variables 将会获得事半功倍的效果。
什么是 Design Variables？直观地说它们就是出现在 Affirma Analog Circuit Design Environment 界面中的一些可变的参数值。如下图红色虚线框中所示的就是一些已经定义好 了的变量。
图 1 Affirma Analog Circuit Design Environment 界面 变量可以是一些全局的参数。例如 temp，就是系统默认的温度参数，当设置对温度变 量进行扫描分析时，可以获得一组代表了整个电路在不同温度下某个参数的变化曲线。 变量还可以是电路中某些元器件的具体数值。通过扫描该参数可以获得该器件的这个参 数值在一定范围内变化对整个电路的影响。Cadence 还可以对多个变量进行扫描，可以获得 电路多个参数同时变化时的最优值，这对设计电路，确定元器件的取值具有非常重要的作用。 变量的取值可以是具体的数值、等式或者表达式。这里我们主要讨论数值的情况，关于 等式和表达式的变量取值还没有用到，以后接触到之后再继续详述之。 对变量进行扫描，例如电路中激励源 vdc 的直流电压大小，电路中某个电容，电阻的大 小等等，使用 Analyses 菜单下的 Choose dc，即 DC sweep（直流参数扫描）也可以分析电 路某个参数变化对整体的影响，为什么还要刻意地进行 Design Variables 的参数变量扫描分 析呢？两者有什么不同？我们可以先假设这样一种情况。假如，我有一个电路，在上电之后， 要延时一定的时间电路才能开始正常工作，而且这个启动的过程不可忽略，那么，我就需要 进行时域上的分析，即采用瞬态分析（tran）才能仿真出这个过程。如果我想考察电路启动 模块中某个电容对电路启动时间的影响，假设我使用 DC sweep，对电容的参数进行扫描， 那么很显然，在整个扫描的过程中，由于 DC sweep 本身并没有考虑到时域上的过程，所以 电容变化的整个过程都是在 t=0 的时刻进行的，而这时电路还没有开始工作，所以无论电容 值怎么变化，电路的状态都是一样的，未进入工作状态，由这个仿真结果看来，电容值似乎 对电路没有产生什么影响，但是，实际上该电容的数值可能对电路的启动过程，甚至于启动 之后的电路工作状态都有着至关重要的影响，因此，在这种情况下，DC sweep 并不能真实

地反映出电路的真实工作情况。如果我将电容的数值设置成一个 Design Variable，那么我可 以给这个变量赋予一个固定的值，不影响我对电路进行时域上的瞬态分析，并且我还可以设 定该变量的变化范围及变化的步长，进行参数变量扫描分析。此时 Cadence 会自动地按照设 定的步长和范围自动地改变变量的数值，每变化一次变量值进行一次瞬态分析，最后把不同 变量值下的瞬态分析结果都绘制到一个 wave 窗口上，形成一簇曲线，用户就可以知道变量 取值为多少时能够获得较好的曲线。而且采用参数变量扫描分析可以一次进行多个变量同时 变化的分析，从而可以知道电路中多个变量相互制约的复杂情况下各个变量取值为多少才能 获得全局最优的结果。这些都是 DC sweep 无法完成的功能。
下面我们以一个简单的电路为例，介绍一下使用参数变量扫描分析的具体实现步骤。我 们来看考察以下的一个电路
图 2 实验原理图 电路中激励源 V3，V4 和管子的模型名 n18，长宽的具体参数都已经在图中标得很明确 了，不再详述。我们要观察的是 R1 取不同数值的时候电路的变化情况，那么我们就要把 R1 的值设为变量，这么设置呢？在原理图中，选中 R1，按下键盘上的 Q 键调出元件属性 窗口，如图 3。 通常，如果我们不需要设置元器件参数的话，比如我就需要让 R 取值为 1KΩ，那么我 可以在属性窗口的 CDF Parameter 下的 Resistance 一栏中填入 1K。这里我们要让电阻值成 为一个参数，所以，我将要在这一栏中填入一个参数变量名 aa。参数变量名是以字母开头 的，表示该器件参数，如电阻阻值已经被定义成为一个参数变量，而不是一个具体的数值。 后面的 Ohms 单位是系统自动加的，不需要理会。你可以把这一过程看成 C 语言中的宏替 换，将来如果定义了 aa 为 1K，那么这里 CDF Parameter 中 Resistance 中的 aa 将会被 1K 替 换，然后进行仿真。那 aa 什么时候会被赋予一个具体的数值呢，这在后面会讲到，请继续 往下看。

图 3 元件属性窗口
好，参数按照上图设置好之后，点击左上角的 OK 回到原理图窗口。通过窗口左上角的 Tools Analog Environment 调出 Affirma Analog Circuit Design Environment 界面。下面要做 的就是具体定义参数变量的数值了。
你可以有两种办法将原理图中刚刚设定的元器件参数变量调入到 Affirma Analog Circuit Design Environment 的 Design Variables 窗口中：

（1） 通过 Affirma Analog Circuit Design Environment 界面的菜单 Variables Edit 调出变量 编辑窗口，如图 4。
图 4 变量编辑窗口
在 name 这一栏中，填入 aa，在 Value（Expr）一栏中，填入 aa 的具体数值，或者 一个表达式或者等式。这里我们可以填入 1K，aa 的具体数值就在这一步被确定了。 填完后，点击 Add 就将该变量添加到右边的变量列表（Table of Design Variables）中 了。如果你要更改变量的数值或者删除一个变量也可以在这里完成，在变量列表中 选中一个变量，可以对其进行更改或者删除。对变量的添加，更改或者删除完成后， 点击左上角的 OK，回到 Affirma Analog Circuit Design Environment 界面。 （2） 通 过 Affirma Analog Circuit Design Environment 界 面 的 Variables Copy From Cellview 可 以 一 次 将 原 理 图 中 的 所 有 变 量 调 入 Affirma Analog Circuit Design Environment 界面中的变量列表。然后双击你想要编辑的一个变量，可以调出图 4 的 Editing Design Variables 界面，从而可以对变量进行修改。 设置好变量的 Affirma Analog Circuit Design Environment 界面如下图所示。
图 5 完成变量设置的 Affirma Analog Circuit Design Environment 接下来，要对这个电路进行一次仿真。用 Affirma Analog Circuit Design Environment 进 行仿真过程包括以下几个步骤：

（1） 添加模型库； （2） 选择分析类型； （3） 选择要输出到波形窗口进行观察的变量； （4） 导入网表开始仿真； 下面简单介绍一下仿真的过程。 （1） 添加模型库
在 Affirma Analog Circuit Design Environment 的 Setup 的窗口
Model Libraries 调出加载模型库
图 6 加载模型库窗口
点击右下角的 Browse…在弹出的 Browse 窗口中找到模型库所在的路径，选择要加载的 模型库，选好后点击 OK，然后点击 Add 将模型库加载到上面的窗口中，然后在点击 OK， 回到 Affirma Analog Circuit Design Environment 界面。 （2） 选择分析类型
在 Affirma Analog Circuit Design Environment 界面中的 Analyses Choose…调出分析类 型窗口
图 7 分析类型窗口
这里默认的就是我们要做的瞬态分析。不用改，填入仿真停止时间 Stop Time，激励源

是 10K 的 sin 信号，我们访 10 个周期，就是 1ms，所以填入 1m，点击 OK 返回。
（3） 选择要输出到波形窗口进行观察的变量 在 Affirma Analog Circuit Design Environment 界面中的 Outputs To Be Plotted Select On Schematic，激活原理图窗口，此时原理图窗口的左下角会显示 modify_plot，表示当 前状态是选择输出信号。我们要观察的是 MOS 管输出输出的关系，所以用鼠标在原理 图上点选了分别与 M9 漏极和栅极相连的两根导线被选中的导线颜色随之改变，如果鼠 标点中了图中元器件的某个端点，该端点会被彩色的椭圆包围，表示将来在波形窗口中 可以看到流入或者流出该点的电流。
（4） 导入网表开始仿真 在 Affirma Analog Circuit Design Environment 界面中的 Simulation Netlist and Run 仿真 顺利结束后会弹出一个波形窗口，如图 8 所示。
图 8 波形窗口
上图中粉红色的是输入信号，青色的是输出信号，可以看到尽管输入信号幅度很大，输 出信号的幅度却很小，现在我们就要选择一个合适的电阻值使得电路能够有足够的放大倍数 又不会导致失真，这就是参数变量扫描要完成的工作。
由于在整个参数变量变化的过程中输入信号始终是不变的，而输出将有很多条曲线，指 示了在不同电阻值下的波形，为了使波形更加容易观察，我们将去掉输入信号的显示，只显 示输出信号的波形。这需要在 Affirma Analog Circuit Design Environment 中去掉输出信号的
节点 net8。点击输出列表中的 net8 节点，然后点击 Delete 按钮
即可将其删除。

下面开始进行参数变量扫描分析。点击 Affirma Analog Circuit Design Environment 的 Tools Parametric Analysis 调出参数分析窗口
图 9 参数分析窗口
点击 Setup Pick Name For Variable Sweep 1，会弹出一个参数选择窗口
图 10 参数选择窗口
可以看到窗口中有两个参数 temp 和 aa，其中 aa 就是我们刚才在 Affirma Analog Circuit Design Environment 中添加的参数变量，而 temp 是一个默认的系统参数变量，表示环境温 度变量。我们选择 aa，点击 OK 回到参数分析窗口，此时窗口中 Variable Name 一栏中出现 了 aa 的字符，当然我们也可以在一开始就在 Variable Name 中输入 aa。接下来，我们在扫描 范围 Range Type 后的 From，To 中分别填入扫描的下限和上限，我们可以先从大的范围开始 搜索，比如分别填入 1k 和 100k。然后在 Step Control 中如果没有在 Total Steps 中填入任何 数值，那么 Cadence 将会自动选择步长，为了观测得更精细一点，填入 10，表示将 Cadence 将在 1k～100k 的范围内选择 10 个点进行分析。

分析的要求定义完成后要开始仿真了。在参数分析窗口中，选择菜单 Analysis Start， 仿真即开始，经过一段时间后，波形窗口将会被更新，将会出现 10 条新的曲线。如下图
可以看到，下面的曲线已经出现了明显的削顶失真，而上面的曲线幅度太小，这样你就可以 在中间选择有可以接受的幅度的一条曲线的作为新的下限和一条失真不太严重的曲线作为 新的上限值进行更精细的扫描最终获得达到要求的数值。对于这个电路的进一步优化参数选 择已经没有多少可以探讨的东西了，剩下的工作基本上可以算作是体力活。
有一点需要提及的就是利用参数变量扫描分析对电路中多个变量均变化的情况找出各 个变量的最优值的应用。添加变量的过程都是一样的，例如，在上述电路中如果我需要将电 源电压的变化也考虑进去，可以将电源电压值作为一个变量添加到 Affirma Analog Circuit Design Environment 中，如果要使这两个变量同时变化的话，只需要在参数分析窗口中的 Setup Add New Variable To Top 或者 Setup Add New Variable To Bottom 就可以多出一个变 量相关的设置选项，剩下的操作和前述的操作是一样的。
在 Affirma Analog Circuit Design Environment 的 Tools 菜单下，还有蒙特卡洛分析，最 优化分析等许多非常有用的工具可以进一步探讨。
结论：Cadence 是个好东西！ *?*