Hspice 简明手册
HSPICE使用_tsinghua
• 元件名：以关键字母起始、不超过16个字符的元 件标识； • 节点映射表：依次排列的接口节点； • 参数表：元件参数赋值，不写明则取默认值。
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池保勇 张凌炜 清华大学微电子所
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Laboratory of Integrated Circuits and Systems, Tsinghua University
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Hspice 简介
• 工业界最广泛使用的 IC 设计工具 • 支持 Bsim3v3、Bsim4 等深亚微米级纳米级 MOSFET模型 • 电路仿真能得到精确有结果
• 混合源 ▫ V1 1 0 0.5V AC=10V,90
直流电压 0.5 V，交流电压幅度 10 V，相位 90 度
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独立源——瞬态源
• 用不同的关键字标识不同的瞬态波形
▫ ▫ ▫ ▫ ▫ ▫ ▫ Trapezoidal pulse (PULSE function) Sinusoidal (SIN function) Exponential (EXP function) Piecewise linear (PWL function) Single-frequency FM (SFFM function) Single-frequency AM (AM function) Pattern (PAT function)
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 实战手册
Hspice实战手册Perface最初写作本文的目的是希望提供一份中文版的Hspice手册从而方便初学者的使用，本文的缘起是几位曾经一起工作过的同事分别进入不同的新公司，而公司主要是使用Hspice，对于已经熟悉了Cadence的GUI界面的使用者转而面对Hspice的文本格式，其难度是不言而喻的，而Hspice冗长的manual（长达2000页以上）更让人在短时间内理不出头绪。
鉴于我曾经使用过相当一段时间的Hspice，于是我向他们提供了一份简单而明了的handbook来帮助他们学习，本来是准备借助一个具体运放的设计例子，逐步完善成为一份case by case的教程，但由于工作比较浩大，加之时间的关系，一直难以完成，愈拖愈久，在几个朋友的劝说下，与其等其日臻完善后再发布，不如先行发布在逐步完善，以便可以让更多的朋友及早使用收益。
本文虽通过网络发表，但作者保留全部的著作权，转载时务请通知本人。
由于水平的有限，讨论范围的局限及错误不可避免，恳请读者指正。
联系方式为e-mail: nkchenliy@。
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 Mo del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Mod el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的使用手册
hspice的使用手册第一章Star-Hspice介绍Star-Hspice优化仿真电路仿真器试Anvant!公司的工业级的电路分析软件，用以电子电路的稳态、瞬态及频域的仿真和分析。
该软件可以精确的仿真、分析、优化从直流到高于100GHz频率的微波的电路。
Star-Hspice是理想的电路单元设计和模型处理的工具，也是信号完整性和传输线分析的选择工具。
本章包括下列内容：◆ Star-Hspice应用◆ Star-Hspice 特点Star-Hspice应用Star-Hspice有着无与伦比的优势用于快速精确的电路和行为仿真。
它使电路级性能分析变得容易，并且生成可利用的Monte Carlo、最坏情况、参数扫描（sweep），数据表扫描分析，而且还使用了最可靠的自动收敛特性。
Star-Hspice是组成全套Avant！工具的基础，并且为那些需要精确的逻辑校验和电路模型库的实际晶体管特性服务。
被Star-Hspice仿真的电路的大小局限于计算机所使用的虚拟内存。
Star-Hspice软件对接口可用于各式各样设计框架的各种计算机平台作了优化。
Star-Hspice的特征图1－1：Star-Hspice Design FeatureStar-Hspice 与绝大多数SPICE的变种相兼容，并有如下附加的特征：◆ 优秀的收敛性◆ 精确的模型，包括许多加工模型◆ 层次节点命名参考◆ 对模型和电路单元的最优化，在AC，DC和瞬态仿真中，带有递增和同步的多参数优化。
◆ 带解释的Monte Carlo和极坏设计支持◆ 可参数化单元的输入输出及行为算术描述（algebraics）◆ 有对高级逻辑仿真器校验库模型的单元特征化工具◆ 对PCB板，多芯片，包装，IC技术的几何损耗耦合传输线◆ 离散部件，针脚，包装和销售商IC库◆ 来自于多重仿真的AvanWaves 交互式波形图和分析图1－2:Star-Hspice电路分析类型图1－3:Star-Hspice 模型技术集成电路级和系统级的仿真需要组织结构的计划和晶体管模型与子电路(Subcircuit)间的交互作用。
hspice_Chinese Hspice avant中文手册系列(二)
1。
PROBE
限制后分析输出到变量――这些变量被指定
在.PROBE， .PRINT， .PLOT， 和 .GRAPH语句中。缺省情况下Star-
Hspice输出所有的电压和功率电流到另外的变量，这些变量列
在.PROBE/.PRINT/.PLOT/.GRAPH中。使用PROBE大大地减少了仿真
输出文件的大小。
选项关键字总结
表2－4：列出的是.OPTION语句的关键字，按他们典型的使用分组。 一般的控制选项的说明如下表。对所列的每种分析类型的选项的说明，参看那一章，分析 类型。
在本章结尾“控制选项缺省值比较”中，提供一个列表的选项的缺省值。
一般控制.OPTION关键字的说明
一般控制选项的说明如下。说明按照关键字的字母顺序排列。参看瞬态分析，DC分析，
量。
2 开启SPICE-type绘图，在其中一个不同的刻度和坐标轴在每次绘制
变量的时候被创建。
此选项在图像数据POST处理时无效。
POST=x
开启仿真结果存储，为使用AvanWaves图形接口和其他方法分析。
POST=2以ASCII格式保存结果。POST=1以二进制保存结果。设置
POST选项并使用.PROBE语句以规定那个数据你想要保存。缺省值＝
（CPTIME＝x）产生终止。缺省值＝2（秒）。此缺省值正常情况下足够
短的打印输出和绘图。
LIST，VERIFY 产生一个将要被打印的输出数据的元件摘要列表。计算元件的有效的字节
和关键的值。LIST被BRIEF所禁止。VERIFY是LIST的一个别名。
MEASDGT=x 在列表文件和.MEASURE输出文件（.ma0，.ma0，.ms0，等等）中，用
一般，当没有赋予一个值时选项的缺省值为0（关），要么使 用.OPTIONS<opt>=<val>或简单地语句选项不赋值：.OPTIONS<opt>。Option缺省值在此 节选项说明中被语句。
hspice_Chinese Hspice avant中文手册(一)
图 2－3：RC 网络节点 1 和节点 2 电压 反相器的瞬态分析 作为最后一个例子，如图 2－4 所示分析简单的 MOS 反相器的行为：
图 2－4：MOS 反相器电路 1. 输入如下网表数据到一个名叫 quickINV.sp 的文件中。 Inverter Circuit .OPTIONS LIST NODE POST .TRAN 200P 20N .PRINT TRAN V(IN) V(OUT) M1 OUT IN VCC VCC PCH L=1U W=20U M2 OUT IN 0 0 NCH L=1U W=20U VCC VCC 0 5 VIN IN 0 0 PULSE .2 4.8 2N 1N 1N 5N 20N CLOAD OUT 0 .75P .MODEL PCH PMOS LEVEL=1 .MODEL NCH NMOS LEVEL=1 .END 2．输入如下命令运行 StarHspice。 hspice quickINV.sp > quickINV.lis 使用 AvanWaves 去检查反相器 IN 和 OUT 节点的电压波形。波形如图 2－5 所示：
quickAC.st0. 3．使用一个编辑器去看.lst 和.st0 文件以检查仿真的结果和状态。 4．运行 AvantWaves 并且打开.sp 文件。从结果浏览器窗口中选择 quickAC.ac0 文件以观察
hspiceD使用手册
hspiceD使用手册一、HSPICE基础知识 (2)二、HSPICED的使用 (3)1．选择仿真环境 (3)2．确定model库 (3)3．加载激励 (5)4．Choose Analyses (8)三、HSPICED的注意事项 (9)1．HSPICES的state用于HSPICED需注意 (9)2．HSPICE仿真速度快造成卡机的问题 (10)一、HSPICE基础知识Avant!Start-Hspice现在是Synopsys公司的电路仿真工具，是目前业界使用最广泛的IC设计工具，甚至可以说是标准。
hspice和Spectre这两种仿真器每种都有两个接口，就是hspiceD 和hspiceS(hspice Direct,和hspice Socket)，以及spectre和spectreS(Spectre Direct,和spectre Socket)。
"Socket"接口是仿真器的一个比较老的接口。
因为在过去，很多仿真器没有强大的参数化语言，所以Cadence工具所做的就是使用cdsSpice （这个工具有强大的宏语语言，但实际上是一个比较脆弱的仿真器）来充当仿真器。
所有的网表都用cdsSpice的宏语言生成，然后再翻译成目标仿真器的语言——不保留任何参数化的东西。
这种方法是可行的，但是我们没有办法使用主流仿真器的所有特征。
大约1999年，以IC443为例，引入了"direct"接口的概念，我们就去掉了中间手段而直接用相应的语言生成网表。
这样更快，更有效，并且给出了更强大的读取主流仿真器的接口。
"Direct"接口的仿真工具输出的网表可读性更好，可以在只读模式下仿真，能够执行更高级的运算等等，所以在两大EDA工具提供商的仿真器中，hspiceD和spectre是优选。
我们根据书籍对电路的计算和估算都采用Level 2的MOS Model,与实际的Level 49和Mos9 、EKV等Liabrary不同，这些model要比Level 2的Model复杂得多，因此Designer使用Hspice、Spectre等工具进行仿真，以便得到精确的结果，是必须的。
HSPICE使用简介
• 详细使用方法参见 Hspice 各版本手册相关章节
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受控源
• 受控源是输出电信号受输入电信号控制的行为级 电路元件模型。 • 受控源可实现多种形式的输出－输入关系：
各版本的使用手册主体 内容差别不大，主要是 在内部组织和目录编排 上不太相同。
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Synopsys, HSPICE®Simulation and Analysis User Guide (2007); Synopsys, HSPICE®and RF Command Reference (2007)
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一个输入文件的例子
文件标题
注释
引用网单文件与库文件
分析及输出配臵
元件描述
激励源
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子电路调用
.param prn=2 .global VDD GND
X1 node0 node1 inv w=0.6u
子电路定义时共使用了三个参加：l、w、prn 其中 l、w 在定义时给出了默认值 子电路调用时只对 w 进行了调用赋值，l 为定义的默认值，prn 为全局参数值
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Hspice简明手册Hspice简明手册Hspice是一个模拟电路仿真软件，在给定电路结构和元器件参数的条件下，它可以模拟和计算电路的各种性能。
用Hspice分析一个电路，首先要做到以下三点：（1）给定电路的结构（也就是电路连接关系）和元器件参数（指定元器件的参数库）；（2）确定分析电路特性所需的分析内容和分析类型（也就是加入激励源和设置分析类型）；（3）定义电路的输出信息和变量。
Hspice规定了一系列输入，输出语句，用这些语句对电路仿真的标题，电路连接方式，组成电路元器件的名称，参数，模型，以及分析类型，以及输出变量等进行描述。
一Hspice输入文件的语句和格式Hspice输入文件包括电路标题语句，电路描述语句，分析类型描述语句，输出描述语句，注释语句，结束语句等六部分构成，以下逐一介绍：1 电路的标题语句电路的标题语句是输入文件的第一行，也成为标题行，必须设置。
它是由任意字母和字符串组成的说明语句，它在Hspice的title框中显示。
2 电路描述语句电路描述语句由定义电路拓扑结构和元器件参数的元器件描述语句，模型描述语句和电源语句等组成，其位置可以在标题语句和结束语句之间的任何地方。
（1）电路元器件Hspice要求电路元器件名称必须以规定的字母开头，其后可以是任意数字或字母。
除了名称之外，还应指定该元器件所接节点编号和元件值。
电阻，电容，电感等无源元件描述方式如下：R1 1 2 10k (表示节点1 与2 间有电阻R1,阻值为10k 欧)C1 1 2 1pf (表示节点1 与2 间有电容C1,电容值为1pf)L1 1 2 1mh (表示节点1 与2 间有电感L1,电感值为1mh)半导体器件包括二极管，双极性晶体管，结形场效应晶体管，MOS 场效应晶体管等，这些半导体器件的特性方程通常是非线性的，故也成为非线性有源元件。
在电路CAD工具进行电路仿真时，需要用等效的数学模型来描述这些器件。
（a）二极管描述语句如下：DXXXX N+ N- MNAME <AREA><OFF><IC=VD>D 为元件名称，N+和N-分别为二极管的正负节点，MNAME 是模型名，后面为可选项：AREA 是面积因子，OFF时直流分析所加的初始条件，IC=VD 时瞬态分析的初始条件。
（b）双极型晶体管QXXXX NC NB NE <NS> MNAME <AREA><OFF><IC=VBE,VCE>Q 为元件名称，NC NB NE <NS>分别是集电极，基极，发射极和衬底的节点。
缺省时，NS 结地。
后面可选项与二极管的意义相同。
（c）结型场效应晶体管JXXXX ND NG NS MNAME <AREA><OFF><IC=VDS,VGS>J为元件名称，ND NG NS为漏，栅，源的节点，MNAME 是模型名，后面为可选项与二极管的意义相同。
（d）MOS 场效应晶体管MXXXX ND NG NS NB MNAME <L=VAL><W=VAL>M为元件名称，ND,NG,NS,NB 分别是漏，栅，源和衬底节点。
MNAME 是模型名，L沟道长，M为沟道宽。
（2）元器件模型许多元器件都需用模型语句来定义其参数值。
模型语句不同于元器件描述语句，它是以“.”开头的点语句，由关键字.MODEL,模型名称，模型类型和一组参数组成。
电阻，电容，二极管，MOS 管，双极管都可设置模型语句。
这里我们仅介绍MOS 管的模型语句，其他的可参考Hspice帮助手册。
MOS 场效应晶体管模型MOS 场效应晶体管是集成电路中常用的器件，在Hspice有20 余种模型，模型参数有40――60 个，大多是工艺参数。
例如一种MOS 模型如下：.MODEL NSS NMOS LEVEL=3 RSH=0 TOX=275E-10 LD=.1E-6 XJ=.14E-6+ CJ=1.6E-4 CJSW=1.8E-10 UO=550 VTO=1.022 CGSO=1.3E-10+ CGDO=1.3E-10 NSUB=4E15 NFS=1E10+ VMAX=12E4 PB=.7 MJ=.5 MJSW=.3 THETA=.06 KAPPA=.4 ETA=.14.MODEL PSS PMOS LEVEL=3 RSH=0 TOX=275E-10 LD=.3E-6 XJ=.42E-6+ CJ=7.7E-4 CJSW=5.4E-10 UO=180 VTO=-1.046 CGSO=4E-10+ CGDO=4E-10 TPG=-1 NSUB=7E15 NFS=1E10+ VMAX=12E4 PB=.7 MJ=.5 MJSW=.3 ETA=.06 THETA=.03 KAPPA=.4上面：.MODEL为模型定义关键字.NSS 为模型名，NMOS为模型类型，LEVEL=3 表示半经验短沟道模型，后面RSH=0等等为工艺参数。
（3）电路的输入激励和源Hspice中的激励源分为独立源和受控源两种，这里我们仅简单介绍独立源。
独立源有独立电压源和独立电流源两种，分别用V 和I 表示。
他们又分为直流源，交流小信号源和瞬态源，可以组合在一起使用。
（a）直流源VXXXX N+ N- DC VALUEIXXXX N+ N- DC VALUE例如：VCC 1 0 DC 5v （表示节点1,0 间加电压5v）（b）交流小信号源VXXXX N+ N- AC <ACMAG <ACPHASE>>IXXXX N+ N- AC <ACMAG <ACPHASE>>其中，ACMAG 和ACPHASE 分别表示交流小信号源的幅度和相位。
例如：V1 1 0 AC 1v （表示节点1,0 间加交流电压幅值1v，相位0）（c）瞬态源瞬态源有几种，以下我们均只以电压源为例，电流源类似:* 脉冲源（又叫周期源）VXXXX N+ N- PULSE（V1 V2 TD TR TF PW PER）V1 初始值，V2 脉动值，TD 延时，TR 上升时间，TF下降时间，PW 脉冲宽度，PER 周期例如：V1 5 0 PULSE（0 1 2NS 4Ns 4Ns 20NS 50NS）* 正弦源VXXXX N+ N- SIN(V0 VA FREQ TD THETA PHASE)V0:偏置，VA:幅度，FREQ: 频率，TD :延迟，THETA: 阻尼因子，PHASE:相位* 指数源VXXXX N+ N- EXP(V1 V2 TD1 TAU1 TD2 TAU2)V1初始值，V2中止值，TD1上升延时，TAU1上升时间常数，TD2下降延时，TAU2下降时间常数例如:V1 3 0 EXP(0 2 2ns 30ns 60ns 40ns)* 分段线性源VXXXX N+ N- PWL(T1 V1 <T2 V2 T3 V3 。
>)其中每对值（T1，V1）确定了时间t＝T1是分段线性源的值V1。
例如：Vpwl 3 0 PWL（0 1，10ns 1.5）(4) 子电路* 子电路语句.SUBCKT SUBNAM N1< N2 。
>子电路的定义由.SUBCKT 语句开始。
SUBNAM是子电路名，N1< N2 。
>是外部节点号* 终止语句.ENDS (表示结束子电路定义)* 子电路调用语句XYYYY N1< N2 。
> SUBNAM在Spice中调用子电路的方法是设定以字母X 开头的伪元件名，其后是用来连接到子电路上的节点号，在后面是子电路名。
例如：.SUBCKT OPAMP 1 2 3 4具体运放电路描述.ENDSXop 1 2 3 4 OPAMP (调用该运放子电路)3 电路的分析类型描述语句分析类型描述语句由定义电路分析类型的描述语句和一些控制语句组成，如直流分析（.OP），瞬态分析（.TRAN）等分析语句，以及初始状态设置（.IC）,选择项设置(.OPTIONS)等控制语句。
它的位置可在标题语句和结束语句之间的任何地方。
(1) .TRAN(瞬态分析语句)一般形式: .TRAN TSTEP TSTOP <TSTART <TMAX>><UIC>TSETP 为时间增量,TSTOP 为终止时间,TSTART 为初始时间（若不设定，则隐含值为0）例如：.TRAN 1NS 10000NS 500NS (瞬态分析500—10000NS，步长为1NS)（2）.AC(交流分析语句)在规定的频率范围内完成电路的交流小信号分析.AC DEC ND FSTART FSTOP （数量级变化）其中，DEC 为10 倍频，ND 为该范围内点的数目，FSTART初始频率，FSTOP 中止频率。
例如：.AC DEC 10 1 10K (指从1 到10KHZ范围，每个数量级取10 点，交流小信号分析)（3）.DC(直流扫描语句)是在指定的范围内，某一个独立源或其他电路元器件参数步进变化时，计算电路滞留输出变量的相应变化曲线。
DC SRCNAN VSTART VSTOP VINCR <>例如：.DC VIN 0.25 5.0 0.25 (表示电压源VIN 的值从0。
25V扫描到5V,每次增量0。
25V)（4）.OPTION(可选项语句)ACCT(打印出计算和运行时间统计)LIST（打印出输入数据总清单）NODE（打印出结点表）NOMOD(抑制模型参数的打印输出)具体电路的分析类型描述语句可查阅Hspice在线帮助。
4 输出描述语句（1）文本打印语句.PRINT.PRINT TYPE ov1<ov2…>TYPE 为指定的输出分析类型，如（DC）；OV1 为输出变量名。
例如：.PRINT DC V(5)(2) 文本绘图语句.PLOT.PRINT TYPE ov1<ov2…>5 注释语句注释语句以”*”为首字符，位置是任意的，它为非执行语句。
6 结束语句结束语句是输入文件的最后一行，用.END 描述，必须设置。
二Hspice仿真示例Hspice可以执行各种模拟电路仿真，它的精度很高。
通过点击桌面快捷方式Hspice2001.4，启动Hspice界面如下:Hspice模拟步骤如下：（1）由电路图提取网表或手工编写网表，注意网表文件以.sp结尾。
例如，上图中电路网表文件为eyediag.sp；标题为：*Eye Diagrams;输出报告文件：eyediag.lis。
(2) 运行模拟，完成后检查输出报告文件后缀.lis文件察看模拟结果。
(3) 运行查看输出波形。