Hspice 第三、四章
HSPICE教程
Call
clocktree.sp
.LIB ms018_v1p8.lib TT
……
.ENDL FF
Input & Controls
Others
.OPTION
modifies various aspects of simulation (input/output/analysis/accuracy/algorithm, etc.)
SPICE Overview
Simulation Input & Controls
Sources & Stimuli
Analysis Types Output Hspui & Waveview Exercise Tips
SPICE Overview
Circuit Design Background
Output
Output Files Summary
Output File Type Output Listing DC Analysis Results DC Analysis measurement Results AC Analysis Results AC Analysis Measurement Results Transient Analysis Results Transient Analysis Measurement Results Subcircuit Cross-Listing Operating Point Node Voltages Extension .lis .sw# .ms# .ac# .ma# .tr# .mt# .pa# ic
.TEMP
specifies circuit temperature for simulation
复旦大学模拟电路二级运放实例 (1)
尹睿
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目录
1 2 引言 ..................................................................................................................... 1 电路分析 .............................................................................................................. 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 3 3.1 3.2 3.3 3.4 电路结构 ....................................................................................................... 2 电路描述 ....................................................................................................... 2 静态特性 ....................................................................................................... 3 频率特性 ....................................................................................................... 5 相位补偿 ....................................................................................................... 7 调零电阻 ....................................................................................................... 7 偏置电路 ..................................................................................................... 10 共模输入范围 .............................................................................................. 13 输出动态范围 .............................................................................................. 13 单位增益带宽（GBW） .............................................................................. 14 输入失调电压 .............................................................................................. 14
Hspice应用讲解讲解
Hspice应⽤讲解讲解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 使用流程-推荐下载
南京拓科科技有限公司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南京拓科科技有限公司HSPICE使用流程的瞬态特性分析。
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。
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
Hsipce使用
Hsipce使⽤⽬录第1章Hspice简介...............................................................................................................- 1 - 第2章Hspice仿真准备.. (2)2.1 仿真以及相关⼯具准备 (2)2.2 ⼯具简介 (2)2.3 仿真所需⽂件 (2)2.4 ⽹表导出 (3)2.4.1 在cadence⾥导出⽹表⽂件 (3)2.4.2 在Hierux⾥导出⽹表 (4)2.4.3 Cadence⽹表修改 (5)2.4.4 Heirux⽹表修改 (7)2.4.5 器件模型的修改 (8)第3章仿真操作及注意事项 (9)3.1 编写.SP⽂件 (9)3.1.1 标题（TITLE） (9)3.1.2 电路的分析类型描述语句 (9)3.1.3 注释（COMMENTS） (9)3.1.4 结束（.END） (9)3.2 Hspice仿真操作 (10)3.3 注意事项 (13)3.3.1 ⽤cadence导出⽹表 (13)3.3.2 会查看Hspice中的错误 (13)第1章Hspice简介Hspice线路模拟软件在早期是美国Meta-Sofeware公司根据Berkeley SPICE2G.6、SPICE3以及其他线路模拟软件所发展的⼯业级线路分析软件。
Hspice在基本功能部分和其他SPICE软件相似，可应⽤于下列领域的电⼦研发，即稳态（直流分析）、暂态（时间分析）及频率（交流分析）等领域。
由于Meta-Sofeware公司在集成电路研制技术持续进步与元件尺⼨缩⼩下，对于MOSFET模拟的适⽤性与精确性的不断耕耘，以及该公司对元件与电路最佳化、蒙特卡罗与最坏情况分析等进阶级的模拟应⽤亦有⾃我突破，使得Hspice逐渐脱颖⽽出，超过PSPICE、ls-SPICE等软件，成为在集成电路设计上最普遍及最佳的晶体管层次线路模拟软件。
hspice使用指南
Sources: Dependent
• Dependent Sources (Controlled Elements)
– High level of abstraction
• Used for behavioral modeling and to simplify circuit descriptions • Faster execution time
Node Naming Conventions
• Node and Element Identification
– – – – – Either names or numbers (e.g. n1, 33, in1, 100) Numbers: 1 to 99999999 (99 million) Nodes with number followed by letter are all the same (e.g. 1a=1b) 0 is ALWAYS ground Global vs local Don‘t begin with a ? May contain: + - * / : ; $ # . [ ] ! < > _ % (not recommended) May NOT contain: ( ) , = ?<space> Ground may be either 0, GND, or !GND
Pulse value parameters defined in the .PARAM statement.
Independent Transient Sources: PWL
• Piecewise Linear
(Vol. 1, p. 4-8)
PWL t1 v1 <t2 v2 t3 v3...> <R <=repeat>> <TD=delay> PWL (t1 v1 <options>) PWL t1 I1 <t2 I2...> <options>
LDO线性稳压器嵌入式IP设计
复旦大学
硕士学位论文
LDO线性稳压器嵌入式IP设计
姓名：刘轶
申请学位级别：硕士
专业：电子与通讯工程
指导教师：洪志良
20070507
表５一ｌ中数据形成一个横轴为电源电压，纵轴为输出电压的曲线图，如图５—１所示。
留５—１等待模式下输出电压与屯源屯压的关系
从表５一ｌ和图５一ｌ中可以看出，随着负载电流的增加输出电压下降；
ＬＤＯＩＰ工作在等待模式下驱动电流小于４０ｍＡ时，输出电压都在１．７Ｖ—１．９Ｖ
范围内。
因此，ＬＤＯＩＰ在等待模式下负载电流为ｌｍＡ，输出电压满足电路设计指标。
５．１．２工作模式的输出电压
如同等待模式下测试一样，在常温下取１００个测试芯片设胃不同电源电压和负载电流进行测试。
电源电压范围在２Ｖ￣５．８Ｖ内，每隔Ｏ．２Ｖ测试～次负载电流分别为０ｍＡ、１０ｍＡ、２０ｍＡ、３０ｍＡ、４０ｍＡ、５０ｍＡ、６０ｍＡ时ＬＤＯＩＰ的输出电压，取这１００个芯片相同电源电压和负载电流条件下的输出电压平均值，得到表５—２中数据。
图５—２～ｒ作模式下输出电压与电源电压的关系
从表５一ｌ和图５一ｌ中可以看出，随着负载电流的增加输出电下降；ＬＤＯＩＰ工作在等待模式下驱动电流小于４０ｍＡ时，输出电压在１．７ｖ～１．９Ｖ范围内；当驱动电流大于４０ｍＡ时，输出电压超出了１．７Ｖ～１．９Ｖ范围：驱动电流为
１０ｍＡ的曲线最接近标准的输出电压值１．８Ｖ。
由于工艺偏差和较大的寄生电阻电容参数的影响，流片结果与仿真结果存在较大的差异。
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系统模拟特性
3.3 模拟技巧探讨
集成电路设计重在晶体管级电路的使用； 通过.lib、.inc、.option search=‘lib_directory’等命令 加入工艺库和已经编译好的网表文件； 运用.param命令提供代数运算；
对工艺制作过程中出现的各种偏差做蒙特卡罗分 析和工艺角分析，通过运用.alter； 对输出波形关键数据测量辅助分析。
Hspice的使用环境；
Input Requests .circuit parameters .circuit temp .circuit stimulus analysis .dc sweep .transient .AC/Pole/Zero Model selection .lib .inc .case selection
*.alter命令变换元件参数， 重新执行分析命令
.alter .param wp=8u .alter
.param wp=10u
.alter .param wp=12u .option post .end
.param wp=4u
.alter .param wp=6u
3.4 集成电路设计层次的考虑
目的：集成电路设计的必要认识和设计思路 假设基本前提条件
4.2 FET元件模型各时代探讨
MOSFET的SPICE模型发展的基础与演进主要根据下列原则：
1、进阶模型的改良保留原来模型的内容； 2、将小尺寸元件所带来的二阶几何效应加入原有模型； 3、对元件模型进行高效的数学描述与呈现以满足复杂电路模拟需求。
一个好的MOSFET元件模型，应该具备下列特点：
3.6 电路实例分析探讨
例3.2 源极跟随器电压增益。
3.6 电路实例分析探讨
例3.3 共栅极放大器的电压增益与频宽。
3.6 电路实例分析探讨
例3.5 宽长比(W/L)1= (W/L)2=4， (W/L)3=20，求电压增益
谢谢大家！
Hspice在元件、集 第4章 成电路中的模拟
作者:李蕾
对于HSPICE在此基础上加入：
简化源/漏二级管电流、电容与电阻的复杂度； 对于源、漏极寄生方式由模型参数ACM来主导； 加入参数的飘移，为最坏情况和蒙特卡罗分析做准备。
4.2 FET元件模型各时代探讨
BSIM3（LEVEL49）参数，如书中表4.1： （1）基本模型参数 （2）交流和电容参数 （3）够长度和宽度效应参数 （4）温度参数 （5）分区描述参数 （6）工艺参数
2、工作温度范围
商用温度范围：0~70℃ 军用温度范围：-55~125℃ 低温应用<-55 ℃ 高温应用>125 ℃ 恒温应用
4.5 最坏情况模型化方法
3、电源供应范围 根据工艺，具体电路要求而定
4、了解二阶效应对电路的影响
5、元件参数对电路设计的重要性 结论，模型的选择必须与所设计电路的特性与工作环境密 切配合，才能充分掌握产品的品质与可靠性。 最坏情况的漂移参数
M1 n2 n1 vcc vcc pch W=wp L=l M2 n2 n1 0 0 nch W=wn L=l .model pch pmos level=2 .model nch nmos level=2 vs n1 0 dc 1
*mos描述
*mos模型描述
3.3 模拟技巧探讨
*** object *** .dc vs 0 5 0.01 .print dc v(n2) I(m2) .alter
Hspice在元件、集 第3章 成电路中的模拟
作者:李蕾
目 录
3.1 简介
3.2 元件、集成电路的模பைடு நூலகம்特性 3.3 模拟技巧探讨 3.4 集成电路设计层次的考虑 3.5 电路及模型温度考虑 3.6 电路实例探讨
3.1 简介
目的：了解运用Hspice仿真元件、集成电路的流程、
技巧，以及需注意的问题。
4.2 FET元件模型各时代探讨
第三代元件模型探讨 BSIM3（LEVEL49）
是基于准二维分析的物理模型，着重解决器件工作的物理机制，并考 虑器件尺寸和工艺参数的影响，力求使每个模型参数与器件特性的关 系可预测，并设法减少模型参数的个数。每个模型参数基本上都与器 件某一方面的物理特性相对应。应用最为广泛，适于沟长小于0.2um 栅氧化层厚度为50Å的元器件。
输入需求
分析需求
.Parameterized .circuit netlist .Macro Circuit Definition
Spice Execution Circuit Stimulus Delay Calculation Speed/Power Optimization Analog Performance Optimization
漂移参数（skew parameter），模型参数中，有些参数是可 以测量的，而且其可以表现出统计平均值的漂移量，因此代 工厂或IC设计人员可用这些漂移量来预测电路性能的变化， 这些参数称之为模型漂移参数。
4.5 最坏情况模型化方法
将漂移参数加入最坏模型化分析，保证设计电路在工艺和环境变化状 态下仍能正常工作的依据。 以多晶硅栅的尺寸为例，假设XL为均值，多晶硅的实际尺寸围绕XL 均值变化，其各自会对电流有不同的影响，各自影响叠加有可能对元 件性能产生最坏影响。 如表4.2 从漂移参数的平均值，加减标准差后对整个电路的反应 速度的影响
3.6 电路实例分析探讨
例3.0 如图，m1,m2为大小相同的两个mos管（w/l=40u/4u）,但是所处 温度环境不同（m1,室温25℃；m2,有可能比m1高20℃ ）运用hspice中 dtemp的设定分别得到两者的漏极电流I-V特性曲线。
3.6 电路实例分析探讨
例3.1如图3.11所示共源放大电路中若含有Rs电阻，增益下降，但频宽会 增加。试求电压增益与频宽。
整个电路是处在同一模拟温度环境（Hspice默认温度25℃）； 整个电路是位于同一晶粒，模型参数会以同一方向递增或递 减； 模拟分析重在实际电路设计，包括晶体管大小、电路速度、 功耗及性能之间的最佳化。
3.4 集成电路设计层次的考虑
IC设计者使用环境
运用Hspice的目的是使模拟电路性能达到最佳；
目 录
4.1 引言
4.2 FET元件模型各时代的探讨 4.3 模型例子（LEVEL28）探讨 4.4 特别参数提取和测试电路验证 4.5 电路及模型温度考虑 4.6 实测电路仿真
4.1 引言
元件模型发展的背景及各时代的演进； 了解元件模型化的概念；
了解模型参数设计在布局过程中，如何地影响电路 性能。
1、准确性； 2、效率性； 3、可调性； 4、提取性与维护性； 5、统计能力； 6、可预估性。
4.2 FET元件模型各时代探讨
第一代模型
• 1968年前：LEVEL1，所熟知的元件漏极电流描述方程元件的基本线 性与饱和漏极电流方程式、λ修正、适于均匀掺杂的长沟器件，精确 度低； • 1969~1978： LEVEL2，加入小尺寸几何效应，引入3/2次项，，引 入ECRIT参数等效应，适于长沟器件，效率不高； • 1979年： LEVEL3，一阶泰勒展开式，引入ETA参数解释漏极引起的 势垒降低效应和二维度效应，效率较高，适于2um以上沟长器件。
4.5 最坏情况模型化方法
最坏情况模型化特点
•要求设计者在电路设计过程中，考虑到工艺变化和环境因 素，保证即使电源电压或温度变化等因素改变，仍能够正 常工作； •需要了解电路，确定哪些参数属于最灵敏和关键的参数
4.5 最坏情况模型化方法
模型化选择与电路设计的相关考虑 1、电路形态
数字电路； 标准零件 模拟电路 数模混合电路
性能优化
结果分析，图形 处理
设计检查与修正
Result Analysis .post Graphical Processing
Design Review/Modifications
3.4 集成电路设计层次的考虑
电路层次模组化
将常用的网表写在一个网表文件中，通过.inc命令调用；
重复出现的电路通常写成子电路，重复调用；
3.3 模拟技巧探讨
例，通过CMOS反相器说明.param,.alter的使用技巧
***( CMOS inverter-ch3_1.sp) *** .param wn=5u wp=16u l=1.0u +vdd=5v ***************************
*定义变量
vd vcc 0 dc vdd
仿真模型通常来自库文件，例如，nmos_3p3,nmos_lv等；
用模型漂移参数来预测电路性能。
3.5 电路与模型的温度考虑
实际应用中除了电路所处的环境温度影响， 还受元件自身温度影响；
模型参考温度备调用； 元件接面温度； 环境温度。
仿真中通过设置参数将主要温度因素的影响 考虑在内
例如，m1 d g s b nch w=10u l=1u dtemp=20 ,其中dtemp表示界面温 度与环境温度之差，例中、m1界面温度比环境温度高20 ℃
3.2 节点、集成电路及系统模拟特性
元件模拟特性
调用元件来自于工艺库，网表通过.lib命令加 载工艺库文件；
3.2 节点、集成电路及系统模拟特性
仿真元件的I/V特性曲线，获得参数值方便后 续计算仿真；
集成电路模拟特性
单一晶圆上，采用同一个工艺文件进行模拟 通过Hspice的分析能力辅助设计者对电路参数 做最佳调整
谢谢大家！
第二代模型
• 1984年：BSIM1，沟长沟宽灵敏度因数，多项式描述，实验性参数， 2um以下器件，元件行为不易控制； • 1990年：LEVEL28，解决了BSIM1的问题，包括了加入长度和宽度 积的灵敏度因数，适于亚微米描述，目前广泛使用； • 1991年：LEVEL39，修正BSIM1，描述了漏/源区寄生电阻、热电子 引起的输出电阻的下降、反型区电容效应，0.25um