HSPICE中的瞬态分析
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
hspiceHSPICE⼀、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伯克利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，它在伯克利的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Cadence,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100GHz 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。
⼆、HSpice特殊性能HSpice不但具备了绝⼤多数Spice具有功能外,还具有许多新的特点[5],如下所述:(1)优越的收敛性。
Synopsys公司借着修正元件模型,⽅程式及演算法(algorithm)改善电脑程式求解时的收敛性。
在早期的Spice模型中,由于实际元件的特性是连续的,⽽很多电路的饱和区与线性区的⼯作点在两区交界点处并不连续,故造成不收敛情况。
⽽在HSpice中有多项设定选择,所以有极好的收敛性(2)精确的模型参数,包括许多Foundry模型参数。
Hspice应用讲解剖析
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，以决定其非线性组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。
组件语句是说明该组件的拓扑关系和组件值的。
每个组件给予一个组件名，组件名的第一个字母说明该组件的类型，Hspice并对各种类型的组件所对应的英文字母作了规定，组件名不能重复。
组件的节点号可以用一正整数表示，也可以用网点名表示。
模型语句是说明该组件的模型参数的。
在模型语句中定义一组组件模型参数并赋予一个唯一的模型名，在组件语句中即可引用此模型名，表明此组件具有该组模型参数值。
子电路是用一组组件语句来定义，程序会自动将这组组件插入到子电路被调用的地方，其大小和复杂性没有限制，并允许其包含其它子电路。
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基础知识
hspice基础知识元件描述语句1.1 R、L、C 元件描述语句元件语句一般由元件名、元件所连接的电路节点号和元件参数值组成。
元件在输入中以一行表示，该行不能以“.”开始。
语句中的第一个字母是关键字，它确定了该元件的类型。
一般形式：elname或elname其中：elname: 元件名，是一个带有一个关键字母的不超过15个字符的字符串。
HSPICE 中表示元件的关键字母的含义：C－电容K－耦合互感L－电感R－电阻T－无损耗传输线U－有损耗传输线node1... 节点名，用来说明元件所连接的节点，节点名的第一个字符必须是字母，整个字符串不超过16 个字符（连第一个字母在内）。
＝（）′[ ]等符号不能出现在节点名中。
mname: 模型参考名，对除了无源器件外所有元件都是必需的。
当基本元件参数不能充分描述时，调用相应的模型来描述。
pname1... 元件参数名，用来标明一些元件的参数值。
val1... 赋于的参数值或模型节点，这些数值可以是数值，也可以是代数表达式。
M=val 元件的倍增因子。
二. 电容、电感和电阻(1) 电容：一般形式：CXXX n1 n2 capval > ++或CXXX n1 n2 C=val++或CXXX n1 n2 C=equation CTYPE=0 or 1例：C1 3 2 10U IC=3VCBYP 13 0 1UFC2 1 2 CMOD 6PF若系统中所用电容是非线性的，则其一般形式是：CXXX n1 n2 POLY C0 C1 C2 ...电容值＝C0＋C1*V＋C2*V**2＋…(2) 电感：一般形式：LXXX n1 n2 Lval >+或LXXX n1 n2 L=val+或LXXX n1 n2 L=equation LTYPE=0 or 1例：LLINK 42 69 1UHLSHUNT 23 51 10U 0.001 0 15 IC=15.7MALH8 5 80 LMOD 2MH若系统中所用电感是非线性的，则其一般形式是:LXXX n1 n2 POLY L0 L1 L2 ...电感值＝L0＋L1*i＋L2*i**2＋…在非线性电容和电感的表达式中，POLY 表示其中的数值C0,C1,C2…（和L0,L1,L2…）是描述元件值的多项式系数。
HSPICE_简介
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。
附录B.3 PSpice的瞬态分析
PSpice的瞬态分析PSpice的瞬态分析（Transient Analysis）•常用的瞬态分析元件•暂态电路知识点回顾•一阶电路的瞬态分析•二阶电路的瞬态分析电阻脉冲电源指数电源电感电容分段线性电源主要参数：L 、C (IC ，初始值)参数名称V1初始电压V2脉冲电压TD 延迟时间TR 上升时间TF 下降时间PW 脉冲宽度PER 脉冲周期脉冲源VPULSE参数名称V1T1时电压V2T2时电压…………V8T8时电压T1转折点时间…………T8转折点时间分段线性源VPWL暂态电路知识点回顾（1）一阶电路暂态过程三要素公式(激励为直流时)：时间常数τ：经3~5倍τ，充、放电过程结束。
（2）二阶电路暂态过程时，响应非振荡；时，响应处于临界状态；时，响应振荡。
/()()[(0)()]e t f t f f f τ-+=∞+-∞2/R L C >2/R L C =2/R L C <一阶电路的瞬态分析例1、RC 一阶电路如图所示，电压源为周期脉冲电源，幅值为2V ，周期为2ms，占空比为50%。
试讨论C 分别为0.01μF 、0.1μF 和1μF 时的响应u C 。
S u 2k ΩC Cu +-400mH -+u CC Ω2k uS 二阶电路的瞬态分析例2、RLC 二阶电路如图所示，电压源为周期脉冲电源，幅值为2V ，周期为10ms ，占空比为50%。
试讨论C 分别为0.04μF 、0.4μF 和4μF 时的响应u C 。
有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）本节小结有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）本节要点：1、动态元件的初始值需要在参数IC中设定；2、线性时变电源的上升时间下降时间等不可以设为0，否则系统将自动设定一个值，导致波形失真。
解决方法：设一个足够小值如1ns等。
第八讲HSPICE
格式：
.PARAM XX=VALUE, …/formula +<YY=VALUE formula…>
例：
.PARAM WVAL=15U VDD=5
23
信号与系统
Example of ALTER contains PARAM
Example of ALTER contains PARAM .OPTION LIST NODE POST .TRAN 200P 20N .PRINT TRAN V(IN) V(OUT) M1 OUT IN VCC VCC PCH L=1U W=Wx M2 OUT IN 0 0 NCH L=1U W=Wx VCC VCC 0 5 VIN IN 0 0 PULSE .2 4.8 2N 1N 1N 5N 20N CLOAD OUT 0 Cx .MODEL PCH PMOS LEVEL=1 .MODEL NCH NMOS LEVEL=1 .PARAM Wx=20U Cx=.75p
.ALTER .PARAM .ALTER .PARAM .ALTER .PARAM .ALTER .PARAM .ALTER .PARAM .END Wx=20U Cx=.50p Wx=20U Cx=.25p Wx=20U Cx=.10p Wx=10U Cx=.10p Wx=5U Cx=.10p
信号与系统
注：若缺省，则电路温度为TNOM(.option设定，若未设定，25)
单个元件温度：这是用 DTEMP 参数的扩展功能。
指的是元件温度与电路温度的差值
模型参考温度：这个温度由.MODEL语句中的TREF 参数决定。
15
信号与系统
举例
$电路温度
.TEMP 100
D1 N1 N2 DMOD DTEMP=30 $二极管D1温度100+30 D2 NA NC DMOD R1 NP NN 100 DTEMP =-30 $二极管D2温度100 $电阻温度100-30
Hspice基础仿真分析与电路控制描述
Hspice基础仿真分析与电路控制描述WRITTEN BY XIAOYU2016年6月1日1.三类仿真功能（1）直流仿真（2）瞬态仿真（3）交流仿真2.在这三类仿真功能基础上可以细分为（1）敏感性仿真（2）零极点仿真（3）传输函数仿真（4）傅里叶仿真（5）噪声仿真（6）蒙特卡洛仿真3.下面进行详细介绍（1）直流仿真直流仿真主要分为五类：.DC .OP .SENSE .PZ .TF.DC：直流仿真基础，设置电源电压、温度、参数变量及直流扫描转移曲线的扫描范围.OP：分析电路直流工作点，包括各节点电压和支路电流.SENSE：计算指定输出变量对电路其他元件参数的直流小信号敏感度.PZ：在频率响应中计算电路的零点和极点.TF：计算指定输出变量对输入源的直流小信号传输函数，在仿真结果的list文件中打印增益值、输入阻抗和输出阻抗（2）瞬态仿真瞬态仿真主要分为两类：.tran .four.tran：瞬态仿真基础，在指定的时间范围内输出电路节点电压和电流的时域波形（时间扫描分析，可以看成一个虚拟的示波器）.four：瞬态仿真的子仿真语句，可以实现对电路某一节点的傅里叶分析（3）交流小信号仿真交流小信号仿真主要分为五类：.ac .disto .noise .sample .net.ac：定义交流小信号的频率扫描范围、扫描类型及扫描点.disto：计算电路中在交流仿真下的失真特性，主要计算电路输出的高次谐波特性.noise：噪声仿真，在电路直流工作点的基础上，计算交流节点电压的噪声值，计算包括热噪声、1/f噪声和闪烁噪声在内的总输出噪声。
并通过电路增益折算回输入端，得到等效输入噪声的功率谱密度.sample：实现对输出节点的电压信号的采样功能分析，尤其是在采样/保持电路、模数转换、数模转换设计中应用.net：计算电路的阻抗输入矩阵、导纳矩阵、混合矩阵及散射矩阵。
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瞬态分析语句
• 在HSPICE中,使用.TRAN语句进行瞬态分析,
除基本的瞬态分析外,还可同时对第二个参 数进行扫描,有多种语句格式.
瞬态分析格式1
• .TRAN 步长 停止时间
例: .TRAN 1n 10u • 瞬态分析总是从0时刻开始的,只需要给出停 止时间. • 步长小,分析精度高,但运行时间长,占用资源 大.
例1：脉冲信号源参数研究
• 做一个简单的瞬态分析,研究脉冲信号源的
参数定义. • 研究PULSE信号各项参数的作用。 • 研究SIN信号源各项参数的作用。
例2：简单放大器
nvdd R1 m1 nd V2 dc
ng V1 sin
ห้องสมุดไป่ตู้
例3：CMOS反相器的瞬态分析
• 一个st02工艺的CMOS反相器,L都为0.6u,W
HSPICE中的瞬态分析
集成电路CAD(3)
瞬态分析的概念
• 瞬态分析(Transient analysis)即时域分析,
目的是分析一个电路的输出或内部节点的 电压或电流在某种输入信号的作用下,或在 振荡状态下,随时间变化的规律. • 瞬态分析类似于用示波器观察波形.
瞬态分析中使用的信号源
• 方波信号(Pulse),可以是电压源,也可以是电
脉冲信号源的完整格式
• 应写出DC和AC的初值，以便进行各种分析。
语法： VX N+ N- dc 直流分析初值 pulse V1 V2 td tr tf pw per 这样写可以进行两种分析。
正弦信号源的基本格式
• 语法
Vx n+ n- dc 直流分析初值 ac AC分析时的振 幅 sin 直流平均值 振幅 频率。 例：v1 n1 gnd dc 0 ac 1 sin 0 1m 1k 直流分析初值主要用于DC分析，但对AC分 析也有影响。直流平均值叫偏置电压，只 用于瞬态分析。
流源.以下以电压源为例. 基本格式的语法: VX 正端接点 负端接点 + PULSE V1 V2 TD TR TF PW PER 例:VIN 1 0 0 5 5N 5N 5N 20N 50N
参数定义
• • • • • • •
V1:起始电压 V2:脉冲电压 TD:延迟时间 TR:上升时间 TF:下降时间 PW:脉冲宽度 PER:周期
格式2和3的变化
• 非等间隔扫描
格式: .TRAN 0.01n 20n sweep supply poi 3 3 3.3 4.5
实验二
• 以st02工艺最小尺寸
(NL=0.5,NW=0.8U,PL=0.55U,PW=1.1U)反 相器为例进行基本瞬态分析,在负载电容为 0.1P,VDD=3V的条件测量平均延迟时间. • 在瞬态分析时,改变W,分别为1.5U,3U,10U. • 在瞬态分析时,改变CL,范围为0.05P-0.2P,步 长0.05P.
反相器在不同工作电压下的特性分析
• 分析CMOS反相器在3V,4V,5V时的延迟时间. • 首先要使用.PARA语句定义一个参数
SUPPLY • 问题: 电压高时速度快,还是电压低时速度快?
瞬态分析格式3
• 在瞬态分析时,进行温度扫描
格式: .TRAN step stop SWEEP TEMP start stop incr 例: .TRAN 0.01n 20n SWEEP temp -40 80 40 问题:温度高快还是温度低快?
均为1.5u.负载电容10f,输入信号为方波,频 率100MHz.工作电压5V.
瞬态分析格式2
• 在进行瞬态分析时,可以对另一个参数进行
扫描,可以是一个独立源,也可以是一个用户 定义的参数. 格式: .TRAN step stop SWEEP var start stop incr 例:.TRAN 0.01N 20N SWEEP SUPPLY 3 5 1