第七讲HSPICE
HSPICE基础知识
一、HSPICE基础知识Avant! Start-Hspice（现在属于Synopsys公司）是IC设计中最常使用的电路仿真工具，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，一般书籍都采用Level 2的MOS Model进行计算和估算，与Foundry 经常提供的Level 49和Mos 9、EKV等Library不同，而以上Model要比Level 2的Model复杂的多，因此Designer除利用Level 2的Model进行电路的估算以外，还一定要使用电路仿真软件Hspice、Spectre等进行仿真，以便得到精确的结果。
本文将从最基本的设计和使用开始，逐步带领读者熟悉Hspice的使用，并对仿真结果加以讨论，并以一个运算放大器为例，以便建立IC设计的基本概念。
在文章的最后还将对Hspice的收敛性做深入细致的讨论。
Hspice输入网表文件为.sp文件，模型和库文件为.inc和.lib，Hspice输出文件有运行状态文件.st0、输出列表文件.lis、瞬态分析文件.tr#、直流分析文件.sw#、交流分析文件.ac#、测量输出文件.m*#等。
其中，所有的分析数据文件均可作为AvanWaves的输入文件用来显示波形。
表1 Hspice所使用的单位独立电压和电流源包括：1. 直流源（DC）：电压源Vxxx n+ n- dcval电流源 Ixxx n+ n- dcval2. 交流源（AC）：Vxxx n+ n- AC=acmag,acphase3. 瞬态源（随时间变化）：脉冲源：pulse v1 v2 td tr tf pw per线性源：pwl t1 v1 <t2 v2 t3 v3…>正弦源：sin vo va freq td damping phasedelay4. 混合源：可以包括以上所有的形式，如：VIN 13 2 0.001 AC 1 SIN(0 1 1Meg)二、输入网表文件TITLE.INCLUDE.LIB MACRO元件描述信号源描述分析命令测量命令.ALTER.END图1 输入网表（Netlist）文件标准格式二、有源器件和分析类型有源器件包括二极管（D）、MOS管（M）、BJT管（Q）、JFET和MESFET （J）、子电路(X)和宏、Behavioral器件（E,G）、传输线（T,U,W）等。
HSPICE-使用流程
HSPICE 使用流程HPICE软件主要用于模拟电路的仿真。
模拟电路仿真工具是以电路理论、数值计算方法和计算机技术为基础实现的，由于模拟电路在性能上的复杂性和电路结构上的多样性，对仿真工具的精度、可靠性、收敛性以及速度等都有相当高的要求。
HSPICE程序由于收敛性好，适于做系统及电路仿真，又有工作站版和微机版本，在国内外的用户十分广泛。
一、HSPICE可模拟的内容1.直流分析：包括非线性电路的直流分析①电路的直流工作点：分析时电路中的电感全部短路，电容全部开路，得到电路的每一节点的电流和电压（相对参考点）值。
②直流小信号传输值：传输函数的直流小信号值为直流小信号工作下的输出变量和输入变量之比值，包括电路的输入电阻和输出电阻。
③直流转移曲线：HSPICE可在用户指定的范围内，逐步改变指定的独立电压或电流源，对每一个电源值的变化，都得到储存的输出变量。
④灵敏度分析：求出指定输出变量对于电路参数（包括电路中所有的元件，器件参数，直流电源的输入电平）的直流小信号灵敏度。
2.交流小信号分析：将交流输出变量作为频率的函数计算出来。
先计算电路的直流工作点，决定电路中所有非线性器件的线性化小信号模型参数，然后在用户所指定的频率范围内对该线性化电路进行分析。
①频域分析：在用户规定的频率范围内完成电路的交流分析。
②噪声分析：HSPICE可计算每个频率点上总的输出噪声电平及其等效输入噪声电平。
③失真分析：计算电路交流小信号工作下电路的失真特性，分析时是在输入端加有一个或两个频率的信号，在用户给定的输出负载电阻时，求出在该负载上的输出失真功率。
3.瞬态分析①瞬态响应：是从时间为零开始，到用户规定的时间范围内进行电路的瞬态特性分析。
②傅立叶分析：可以对输出波形进行傅立叶分析，得到在用户指定的基频及时间间隔范围的傅立叶系数。
4.电路的温度特性分析：HSPICE在用户未说明时，是在27℃的标称温度下进行各种模拟的。
当用户指定电路在什么温度下工作时，HSPICE也能进行不同温度下的电路特性分析，在温度低于-273℃时不予模拟。
Hspice应用讲解
Hspice应用讲解Hspice是一种通用电路分析程序，可用来进行集成电路和电子线路的分析模拟。
它可以用来分析电路的非线性直流特性，线性交流小信号特性，非线性瞬态特性，温度特性等。
其中，直流分析（.DC）不光可进行直流转移特性分析，还可进行直流工作点（.OP），直流小信号传输特性（.TF），直流小信号灵敏度（.SENS）分析；在进行交流分析（.AC）的同时还可进行噪声特性（.NOISE）和失真特性（.DISTO）分析；在进行瞬态分析（.TRAN）的同时还可进行傅立叶（.FOUR）分析；进行温度特性分析（.TEMP）以求得电路的温度特性。
在进行交流分析和瞬态分析前先进行直流分析，以决定其非线性元件的线性化小信号模型和其初始条件。
Hspice输入描述文件格式：Hspice的输入描述文件格式是一种自由格式，其输Array入的第一条语句必须是标题语句，且不能省略；最后一条语句必须是结束语句（.END），其余语句的顺序是任意的。
在输入描述文件的任何地方都可插入注释语句（在语句前加“*”或“$”），程序只对注释语句进行原样打印而不进行任何处理。
元件语句是说明该元件的拓扑关系和元件值的。
每个元件给予一个元件名，元件名的第一个字母说明该元件的类型，Hspice并对各种类型的元件所对应的英文字母作了规定，元件名不能重复。
元件的节点号可以用一正整数表示，也可以用网点名表示。
模型语句是说明该元件的模型参数的。
在模型语句中定义一组元件模型参数并赋予一个唯一的模型名，在元件语句中即可引用此模型名，表明此元件具有该组模型参数值。
子电路是用一组元件语句来定义，程序会自动将这组元件插入到子电路被调用的地方，其大小和复杂性没有限制，并允许其包含其他子电路。
在电路中不能包括短路的电压源和电感，开路的电流源和电容，电路中的每个节点都不能悬空。
控制语句是控制程序的运行和规定分析及输出的内容。
如温度语句，工作点分析语句，交流分析语句，瞬态分析语句，打印语句，绘图语句和可选项语句等。
Hspice（中文实用版）
Hspice（中⽂实⽤版）第⼀章概论§1.1 HSPICE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柏克莱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 （Simulation Program with ICEmphasis）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MetaSoftware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，它在柏克莱的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Candence,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100MHz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。
§1.2 HSPICE的特点与结构HSPICE除了具备绝⼤多数SPICE特性外，还具有许多新的特点，主要有：优越的收敛性精确的模型参数，包括许多Foundry模型参数层次式节点命名和参考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具备蒙特卡罗（Monte Carlo）和最坏情况（worst-case）分析对于参数化单元的输⼊、出和⾏为代数化具备较⾼级逻辑模拟标准库的单元特性描述⼯具对于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在HSPICE中电路的分析类型及其内部建模情况如图1.2.1和图1.2.2所⽰：图1.2.1HSPICE的电路分析类型图1.2.2 HSPICE的内部建模技术集成电路设计中的分析和验证是⼀种典型的围绕⼀系列结构的试验和数据管理。
第七讲HSPICE
.DCVOLT 11 5 4 -5 2 2.2
node：节点名。 注意：.IC可以设置任意变量初始值，而.DCVOLT只能设置电压
20
初始值。
信号与系统
瞬态分析初始条件的设定
节点电压语句一般形式：
.NODESET V(node1) = val1 <V(node2) = val2...> 或 .NODESET node1 val1 <node2 val2...>
23
信号与系统
瞬态分析.TRAN
一般形式：
.TRAN TSTEP TSTOP <TSTART> <UIC>
注释：
UIC：①当.TRAN语句中规定了UIC参数，HSPICE不去计算初始直流工作点， UIC .TRAN UIC HSPICE 而用.IC语句规定的节点电压计算电路中的初始条件。这时，要仔细设置 各个节点的直流电压值。 ②当.TRAN语句未规定UIC参数时，HSPICE在瞬态分析前先计算直流 工作点。这时，若有.IC语句，则仅当作求解直流工作点时相应的节点初 始值。而瞬态分析忽略这些电压限制。
22
信号与系统
瞬态分析.TRAN
一般形式：
.TRAN TSTEP TSTOP <TSTART> <UIC>
注释：
TSTEP：瞬态分析的步长。 TSTEP TSTOP：分析终止时间。 TSTART：分析的起始时间，若不写，默认为0. 注意：瞬态分析总是从时间0开始分析，到稳态结束。但只打印TSTART到 TSTOP时间段的结果。
6
信号与系统
噪声的定义
电路总的输入噪声：一定的频率下，总的输出噪声除以电 路电压(或电流)增益或者传输函数。单位：V2/Hz
Hspice_的使用
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, LVS 8. 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有哪些功能？
Hspice的输出
输出文件：一系列文本文件
– *.ic ：initial conditions for the circuit – *.lis ：text simulation output listing – *.mt0 ：post-processor output for MEASURE statements – *.pa0 ：subcircuit path table – *.st0 ：run-time statistics – *.tr0 ,*.tr1…：post-processor output for transient analysis – *.ac0,*.ac1…: post-processor output for AC analysis
Hspice是一个在cmd shell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的输出也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。
Hspice的样子
两种工作模式——非提示行模式
一般情况下的输入举例如下： hspice demo.sp 或者 hspice demo.sp > demo.lis
HSPICE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v1.0 可编辑可修改3、Hspice所使用的单位（不区分大小写）4、输入文件格式（ /.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：MBJT器件前缀为：QDiode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定义字电路的语句如下：.SUBCKT SUBNAM（子电路的名字） 1 2 3 4（字电路外部节点）例子：.SUBCKT OPAMP 1 2 3 4(描述电路结构).ENDS OPAMP调用子电路时，使用X前缀加实例名，将SUBCKT实例化，如：.XOPAMP1 1 2 3 4 OPAMP6、信号源描述（激励描述）：电压源－V，电流源－IVxxx/Ixxx n+ n- <<DC=> dcval> <AC=acmag, <acphase>>+ <M=val>直流：V1 1 0 DC=5V 或 V1 1 0 5VI1 1 0 DC=5mA 或I1 1 0 5mA交流模式：V1 1 0 AC=10V,90 幅度为10v，相位为90度交直流模式：V1 1 0 AC=10V,90 直流分量是Vxxx/ Iyyy n+ n- <tranfun>+ <M=val>tranfun：EXP, PULSE, PWL…。
HSPICE中文讲解
第一章概论§1.1 HSPICE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柏克莱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（Simulation Program with IC Emphasis）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，它在柏克莱的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Candence,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100MHz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。
§1.2 HSPICE的特点与结构HSPICE除了具备绝大多数SPICE特性外，还具有许多新的特点，主要有：!优越的收敛性!精确的模型参数，包括许多Foundry模型参数!层次式节点命名和参考!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!具备蒙特卡罗（Monte Carlo）和最坏情况（worst-case）分析!对于参数化单元的输入、出和行为代数化!具备较高级逻辑模拟标准库的单元特性描述工具!对于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在HSPICE中电路的分析类型及其内部建模情况如图1.2.1和图1.2.2所示：图1.2.1HSPICE的电路分析类型图1.2.2 HSPICE的内部建模技术集成电路设计中的分析和验证是一种典型的围绕一系列结构的试验和数据管理。
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瞬态分析的初始条件
直流工作点(静态工作点) 必须配合.OP语句，以直流工作点为初始条件。
直流工作点为初始条件常常出现不收敛！
HSPICE的收敛问题：Internal time step too small！
迭代算法，无法收敛到1pA或1uV
•模型参数不连续 •不适当的.OPTIONS •初始条件不合适
更改模型 更改初始条件
瞬态分析初始条件的设定
初始条件语句一般形式：
.IC var1=val1 <var2=val2> <…>
.DCVOLT V(node1)/node1=val1 <…>
注例释：： V.aICr1/2V…(1：1设) =置5初V始(值4)的=变-5量V名(称2)，=如2.电2 压V(1)指节点1的电压，
第七讲 HSPICE网表的语法(续)
纲要
31
基本语法
2 标题、结束及注释语句
3
电路描述语句
4
命令语句
命令语句
1.直流分析
电路性能仿真
2.交流分析 3.瞬态分析
4.蒙特卡罗最坏情况分析
5.温度分析
输入控制
输出控制
交流分析
交流小信号分析(.AC) 极零点分析(.PZ) 交流小信号失真分析(.DISTO) 交流噪声分析(.NOISE) 噪声叠加分析(.SAMPLE) 交流网络分析(.NET)
1/f 0.
total 8.233e-20
rx 5.0000
**** total output noise voltage = 8.233e-20 sq v/hz
= 286.9260p v/rt hz
transfer function value:
v(2)/v1
= 1.0000
equivalent input noise at v1
例： .NODESET V (12) = 4.5 V(4) = 2.23 .NODESET 12 4.5 4 2.33
瞬态分析初始条件的设定
初始条件设置的三种形式： ①：IC=?，描述元器件两端的初始电压。
如：C1 2 0 1uF IC=2V ②：初始条件语句.IC ③：节点电压语句.NODESET(.DCVOLT) 优先次序：(1) IC = ... (2) .IC (3) .NODESET。
注意：交流噪声分析时必须进行交流小信号分析DEC 10 1 100MEG 思考：本例共计算了几个频率点的交流噪声？
.NOISE 举例
例：求出图中输出节点2的噪声，频率范围1Hz~100MEGHz，20
Task1:
个点打印一次。
Noise run.sp
A simple noise run R1 1 2 5 C1 2 0 500pf V1 1 0 0 AC=10V, 37 .AC DEC 10 1 100MEG .noise v(2) v1 20 .END
1 R1=5
V1
+
AC 10V -
2 C1=500P
0
Output noise information (in noise run.lis file)
对负载参数电容Cload为1pf，5pf以及10pf时分别进行瞬态扫描，时间从0~10pf， 步长为10ns。POI代表参数列表。
.TRAN举例(1)
例：这是一个简单的RC电路，请利用HSPICE分析各个节点
的瞬态电压和流过各个元件的电流。输入V1增加了一个脉冲 函数。
.TRAN举例(1)
Task1: tran run.sp A SIMPLE AC RUN
.DI(CR)V指O通L过T 电11阻R5的4电-流5 等2 。2.2
node：节点名。 注意：.IC可以设置任意变量初始值，而.DCVOLT只能设置电压
初始值。
瞬态分析初始条件的设定
节点电压语句一般形式：
.NODESET V(node1) = val1 <V(node2) = val2...> 或 .NODESET node1 val1 <node2 val2...>
noise run
**title
****** noise analysis
tnom= 25.000 temp= 25.000
① frequency = 1.0000 hz
**** resistor squared noise voltages (sq v/hz)
element 0:r1
rs 8.233e-20
断开)、电路中元件参数的改变。 换路定理1：在换路瞬间，电容上的电压、电感
中的电流不能突变。这就意味着瞬态分析中需要 设置初始条件。 换路定理2：换路瞬间，电感相当于理想恒流源I0， 电容相当于理想恒压源U0
瞬态分析
瞬态分析目的：
低阶电路的时间常数τ的物理意义？ 瞬态分析的目的：电路的响应速度。 电路的瞬态响应：
R1 1 2 1K
R2 2 0 1K
C1 2 0 .001U
V1 1 0 10 AC 1 PULSE 0 5 10N 20N 20N 500N 2U
.OPTIONS LIST NODE POST
.OP
.TRAN 10N 2U
$仿真区域为0~2us
.PRINT TRAN V(1) V(2) I(R2) I(C1)
例：这是一个简单的RC电路，请利用HSPICE分析各个节点
的瞬态电压和流过各个元件的电流。C1两端的初始电压分别 为0V和2V。
.TRAN分析中初始条件作用举例
Task2: A SIMPLE AC RUN tran run.sp R1 1 2 1K
R2 2 0 1K
C1 2 0 .001U IC=0V
单位：V2/Hz
噪声的定义
电路总的输入噪声：一定的频率下，总的输出噪声除以电 路电压(或电流)增益或者传输函数。单位：V2/Hz
均一化噪声：(onoise/BW)0.5，单位：V H z
交流噪声分析.NOISE
一般形式：
.NOISE OVV srcnam inter
注释：
OVV：指定节点总的噪声输出电压。 srcnam：是作为噪声输入基准的独立电压源或独立电流源 inter：打印噪声分析结果的频率间隔
V1 1 0 10 AC 1 PULSE 0 5 10N 20N 20N 500N 2U
.OPTIONS LIST NODE POST
.OP
.TRAN 10N 2U UIC
$仿真区域为0~2us
.PRINT TRAN V(1) V(2) I(R2) I(C1)
分析和打印10ns~25ns，步长为0.1ns；25ns~40ns，步长1ns.
q .TRAN 10NS 1US UIC SWEEP TEMP -55 75 10
对温度-55, -45…~75分别进行瞬态扫描，时间从从0~1us，步长10ns。初始条件 为IC规定的。
q .TRAN 10NS 1US SWEEP Cload POI 3 1pF 5pF 10pF
= 286.9260p /rt hz
**** the results of the sqrt of integral (v**2 / freq)
from fstart upto 1.0000 hz. using more freq points
results in more accurate total noise values.
noise run
****** noise analysis ******
② frequency = 100.0000
… …
tnom= 25.000 temp= 25.000 hz
交流分析
交流小信号分析(.AC) 交流小信号失真分析(.DISTO) 交流噪声分析(.NOISE) 噪声叠加分析(.SAMPLE) 交流网络分析(.NET)
2.00000u 0. 85.8690m 85.8690u -171.7379u
.TRAN分析结果输出—电压
V(1)=PULSE 0 5 10n 20n 20n 500n 2u
V(2)
? V(2), Right
.TRAN分析结果输出—电流
I(C1) I(R2) I(R1)
? Right
.TRAN分析中初始条件作用举例
六种基本的交流分析
交流小信号分析(.AC)
极零点分析(.PZ)
summary
交流小信号失真分析(.DISTO) 交流噪声分析(.NOISE)
噪声叠加分析(.SAMPLE)
交流网络分析(.NET)
命令语句
1.直流分析
电路性能仿真
2.交流分析 3.瞬态分析
4.蒙特卡罗最坏情况分析
5.温度分析
输入控制
.END
TRAN sweep information (in tran run.lis file)
a simple ac run ****** transient analysis ******
tnom= 25.000 temp= 25.000
time voltage voltage current current
输出控制
瞬态分析
瞬态分析：
也称为时域的暂态分析(时域分析)，是指对所选 定的电路节点的时域响应进行分析，即观察该节 点在整个显示周期中每一时刻的波形。
KR
uC
+
E
_
uC
E C 旧稳态
开关闭合的过程
暂态 新稳态 t
瞬态分析
瞬态分析条件：
电路中含有储能元件，如电容、电感等。 换路的条件：电源值的升高与降低(包括接通与
如.IC 语句和.NODESET语句共存时，.IC 语句将取代.NODESET 语句。