第1-2讲 SPICE数模混合仿真程序的设计流程及方法
spice仿真
spice仿真Spice仿真引言Spice (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) 是一种电路仿真程序，它可以模拟各种电路的性能和行为。
历经多年的发展，Spice已经成为电子设计领域中最为常用和广泛认可的仿真工具之一。
本文将介绍Spice仿真的基本原理、应用领域以及使用方法，帮助读者更好地了解和应用这一强大的工具。
一、Spice仿真的基本原理Spice仿真基于电路的数学模型和电路分析方法，通过求解一组线性或非线性的代数和微分方程来模拟电路的行为。
Spice可以对各种类型的电路进行仿真，包括模拟电路、数字电路以及混合信号电路。
它考虑了电路中各个元件的电性能，并基于电流和电压的关系对电路进行建模和分析。
Spice程序需要用户提供电路的拓扑结构以及各个元件的参数。
通过这些输入，Spice可以根据预定义的电路分析方法和解算器来计算电路中各个节点和元件上的电压、电流以及功率等参数。
通过对电路的相应参数进行实时仿真和分析，Spice可以为设计者提供准确的电路行为信息，帮助他们对电路性能进行优化和改进。
二、Spice仿真的应用领域Spice仿真在电子设计和电路分析中有广泛的应用。
以下列举了几个常见的应用领域：1.模拟电路设计：Spice可以用于模拟电路的设计和验证，帮助设计者检查电路的性能和稳定性。
通过Spice仿真，设计者可以预测电路的频率响应、幅频特性以及相位延迟等参数，从而改进电路的设计方案。
2. 数字电路分析：Spice可以模拟数字电路中的逻辑门、触发器和时序电路等元件，帮助设计者验证电路的正确性和稳定性。
通过仿真结果，设计者可以找出可能存在的逻辑错误和电路延迟，并及时进行优化和调整。
3.射频电路分析：Spice也可以用于射频电路的仿真和分析。
射频电路中经常涉及到高频信号的传输和耦合问题，通过对射频电路进行Spice仿真，设计者可以预测电路中的信号衰减、失真以及噪声等问题，从而优化电路的性能。
OrCAD-PSpice混合电路仿真与基本使用教程
5.7 绘制总线BUS
绘制总线
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总线连接线（bus entry）不具有电气意 义； 应用网络标号进行导线连接；
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总线应用实例
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5.3 变更鼠标选取对象部方分选式中、
还是全部选中
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数模混合仿真设计流程详解
数模混合仿真设计流程详解1.确定仿真对象与目标：首先确定要仿真的对象是什么，比如电路、通信系统等。
然后确定仿真的目标，比如系统的性能评估、故障模拟等。
2.收集仿真所需的数据：根据仿真对象和目标，收集所需的数据，包括电路元件的参数、信号源的特性等。
3.建立数字模型：根据收集到的数据，建立数字系统的数学模型。
这个模型可以是差分方程、状态空间方程等形式。
还可以使用一些仿真软件来建立模型，比如MATLAB、SPICE等。
4.建立模拟模型：根据仿真对象和目标，建立模拟系统的模型。
这个模型可以是电路图、信号流图等形式。
5. 进行系统级仿真：将数字模型和模拟模型结合起来，进行系统级的仿真。
可以使用专门的混合仿真软件，比如Multisim、PSPICE等。
6.分析仿真结果：对仿真结果进行分析，比如观察系统的响应、性能指标等。
根据分析结果，对系统进行优化或改进。
7.优化系统设计：根据仿真结果，对系统进行优化设计。
可以进行参数调整、电路结构改进等操作。
8.重新进行仿真：在优化设计之后，重新进行仿真，以验证优化效果。
9.验证仿真结果：将仿真结果与实际系统进行验证，比较其一致性。
如果两者一致，则说明仿真模型是可靠的。
10.提出改进方案：如果仿真结果与实际系统存在差异，根据差异提出改进方案，并重新进行仿真与验证。
11.输出仿真报告：根据仿真结果，编写仿真报告，包括仿真目标、仿真方法、仿真结果、分析与改进等内容。
总结起来，数模混合仿真设计流程包括确定仿真对象与目标、收集仿真所需数据、建立数字模型与模拟模型、进行系统级仿真、分析仿真结果、优化系统设计、重新进行仿真、验证仿真结果、提出改进方案和输出仿真报告。
这个流程是一个迭代的过程，需要根据实际情况进行调整和修改。
数模混合仿真基本流程
数／模混合仿真基本步骤1、输入命令“which verilog.vmx”，参看仿真所需的“verilog.vmx”文件是否存在，“which icfb”，查看所需的系统文件是否存在；2、在需要进行仿真的文件目录下启动icfb，将系统中模拟电路部分电路结构做成symbol，数字电路部分用verilog编写，做成view名称为“functional”的模块；3、除了有schematic view之外，增加config view：library manager→file→new→cell view→如图填写后，点击ok弹出对话框点击use template ,弹出对话框在name选项中选择spectreV erilog，点击ok，关闭new configuration对话框，在new configuration对话框中，将view名称改为schematic，如图保存后关闭对话框；4、开始仿真时关闭双击config，弹出对话框一般按照默认值，只显示schematic，不显示config，点击ok5、在弹出的schematic对话框中，tool→ analog environment→set up→simulator/directory/host，弹出对话框将simulator改为如图，ok；schemati c中将出现mixed signal选项，点击该选项，下拉菜单中出现三个选项，其中display partition选项中可选择显示模拟信号线，数字信号线、或混合信号线；interface elements选项中的library选项，应根据工艺条件与设计要求填写相关的A→D、D →A相关信息，如信号上升、下降时间，模拟信号向数字信号转换的高低电平等；6、填写完毕后关闭该对话框，在design environment对话框中，set up →model library中填写工艺模型文件（与模拟电路仿真相同），开始进行仿真（后与模拟电路仿真相同）。
第二讲ORCAD之SPICEAD数模混合仿真模块
? 培训主题： OrCAD PSpice A/D ? 编写：
?
Pspice A/D 的主要功能
? 1.可以进行电路的数模混合仿真 ，对电路进行 有效适当的分析。
? 2.可以根据用户的需要建立自己的仿真模块， 提供行为描述模块，允许对电路进行行为描述。
? 仿真结果如下：
PSpice 中的噪声分析
? 噪声分析是针对电路中固有噪声（如电阻和半导体的工作 噪声）所做的分析，它的计算结果时所求节点相对于输入 独立源的等效噪声。
? 伴随AC交流分析而进行 ? 所涉及的噪声种类：
热噪声： 电子的无序运动引起 散弹噪声：单位时间通过PN结的载流子数目变化造成 闪烁噪声： 能量主要集中在低频段，由于生产工艺的缺陷而引起
6.设置扫描类型为线性
开始为 0V 结束为 5V
增量为 1V
7.确定，点击 运行仿真
程序，系统将自动调用
PSpice A/D
以上设置把电压源V1设置为直流电压扫描变量，
扫描值从0V到5V，每次递增1V
请看演示……
PSpice 直流分析
? 运行仿真程序后放置电压探针在 D1的K脚（或 者在PSpice的环境中选择菜单 Trace>Add Trace 选择V(D1:K) )
2.建立新的仿真文件
或者编辑旧的仿真文件
3.设置分析类型 为AC SWEEP/NOISE
4.设置中选择General Settings
5.扫描类型设置为以十为底
的对数
起始频率设为 1Hz
结束频率设为 1MEGHz
每单位取样点数设为 10
6.先不选用噪声分析
PSPICE仿真课件
软件仿真程序 PSPice
印刷电路板程序 Layout Plus
可编程逻辑元件程序 Express
由图可以看到，目前的 OrCAD 设计环境将两个公司最佳的 EDA 程序产品紧紧地结合 在一起形成超强的阵容， 其功能之完整强悍当然是不必赘述了。 它的前段处理程序为 OrCAD Capture CIS(component information system)，负责电路图的绘制、仿真参数的设置以及产生 网络表( netlist )等报告文件，然后就是 OrCAD PSpice 登场，负责软件验证的工作。一旦绘 制的电路图可以通过验证，就可以进入后续的 Layout Plus 程序进行印刷电路板(PCB>设计， 或是进入 Express 程序进行可编程逻辑元件(PLD)的设计。 在 OrCAD Capture 眼中，OrCAD PSpice 就像是一块软件的电路面包板，我们可以在上 面放入电源与触发信号后， 再根据需求来测试设计的电路是否合乎要求， 然后予以必要的调 整， 等到仿真结果顺利通过检测， 就可以转移流程到实际， 接触硬件层次的过程( PCB 或 PLD 设计)。 在 OrCAD Capture 准备转移到 OrCAD PSpice 进行仿真之前，Capture 会先将绘好的电 路与仿真设置转换成一系列的电路文件以供 PSpice 读取。 这些电路文件包括使用元件种类、 网络连接状态、仿真相关指令、自建仿真元件库与激励源信号等等信息。 本书的内容为 OrCAD Pspice 介绍。由于 Capture CIS 是 PSpice 的前端处理程序，所以 我们也将使用四章(第 2 章到第 5 章)的篇幅介绍在 Capture CIS 中有关于 PSpice 界面的功能 与操作。对于完整的 Capture CIS, Layout Plus 和 Express 介绍限于篇幅，有兴趣可自行参考 相关书籍。 1-2 OrCAD PSpice 的特点
Spice仿真介绍和操作
数字逻辑基础LOGOEDA工具在数字逻辑课程中的应用--Multisim工具之Spice仿真在模拟电子课程中，我们通过使用晶体管的小信号模型，手工计算得到小规模模拟电子电路电压增益、电流增益、输入阻抗、输出阻抗、频率响应特性等。
⏹这种通过人工计算的分析方法就显得效率很低。
⏹随着计算机性能的不断提高，电子设计自动化（ElectronicDesign Automation，EDA）工具出现。
它成为电子系统设计和分析的强有力的助手。
⏹EDA工具取代了传统的手工计算方法，显著的提高了设计电路和分析电路的效率。
EDA工具在数字逻辑课程中的应用--Multisim工具之Spice仿真以集成电路为重点的仿真程序（Simulation Programwith Integrated Circuit Emphasis，SPICE），它是为了执行日益庞大而复杂的集成电路仿真工业而发展起来的，它是一个通用的、开源的模拟电子电路仿真工具。
⏹SPICE是一个程序用于集成电路和板级设计，用于检查电路设计的完整性，并且预测电路的行为。
⏹SPICE最早由加州大学伯克利分校开发，1975年改进成为SPICE2的标准，它使用FORTRAN语言开发。
在1989年，Thomas Quarles 开发出SPICE3，它使用C语言编写，并且增加了窗口系统绘图功能。
EDA 工具在数字逻辑课程中的应用--Multisim 工具之Spice 仿真在目前流行的NI 公司的Mutisim Workbench 工具、Altium 公司的Altium Designer 工具和Cadence 公司的OrCAD 工具中都嵌入了SPICE 仿真工具。
⏹在SPICE仿真工具中，包含下面的模块：☐电路原理图输入程序。
☐激励源编辑程序。
☐电路仿真程序。
☐输出结果绘图程序。
☐模型参数提取程序。
☐元器件模型参数库。
下面将通过Multisim 环境下的设计实例，演示EDA工具在数字逻辑课程中的应用--Multisim工具之Spice仿真SPICE的基本分析功能包含三大类：⏹直流分析⏹交流分析⏹时域分析EDA工具在数字逻辑课程中的应用--Multisim工具之Spice仿真注1：直流分析是所有其它分析的基础。
数模混合设计流程
Confidential
2
准备好需要用到的文件. 准备好需要用到的文件.
用verilog语言定义模电模块,模块与模电的每个网表相对应, 并用verilog语言定义好这 些模电模块的顶层模块.(只定义该部分的输入输出脚.) 准备好模电的仿真.sp文件,并把模电的网表用include命令包含进来.加入下面三条命令, 定义出数模信号转换时的依据. .model a2d_mdl a2d mode=std_logic vth=1.25 .model d2a_mdl d2a mode=std_logic vhi=5 vlo=0 trise=0.1ns tfall=0.1ns .defhook a2d_mdl d2a_mdl 加入下面命令生成模电的波形文件.tro .options compat .options nojwdb .option mach .option post=1 probe .probe 准备好数电的仿真Case文件,并在该文件中加入两条命令 &dumpfile(文件名.vcd); 打开一个数据库用于记录波形数据 &dumpvars(层数,case名);选择要记录的信号 用verilog语言做一个数模顶层模块,把数字的verilog顶层和模电的verilog两部分连起 来.
Confidential 12
�
Confidential
9
做好模电的.sp文件,给端口SCEN输入激励 .GLOBAL GROUND agnd dgnd .GLOBAL VDD VCC ****************************SIGNAL************************************** v1 vdd 0 h v2 agnd 0 0 v3 dgnd 0 0 V0 VCC 0 H v4 SCEN 0 pwl 0 0 4.9u 0 5u h 9.9u h 10u 0,r 0 ***** .inc '' .option post=1 probe .option compat .option nojwdb .option mash .op .param h=5 .tran 1u 100u .probe v(*) .protect .lib '/users/mickey/model/umc/ptsmd07a/sim/spice/umc035-5V.lib' tttt .unprotect .model a2d_mdl a2d mode=std_logic vth=1.25 .model d2a_mdl d2a mode=std_logic vhi=5 vlo=0 trise=0.1ns tfall=0.1ns .defhook a2d_mdl d2a_m一个反向器,名字bcdef 及管脚名SCEN,SC,要与verilog定义的模块名与端口名一致. *.GLOBAL VDD *.GLOBAL VDD VCC *.GLOBAL VDD *.GLOBAL GROUND AGND PGND *.GLOBAL GROUND *.GLOBAL GROUND *.PARAM .SUBCKT inv + ain o1 + LN=1.2U + WN=3.0U + LP=1.2U + WP=3.0U MXI208 o1 ain VDD VDD PT W=2.8u L=0.7u M=1 $ pmos3 MXI2 o1 ain GROUND GROUND NT W=1.3u L=0.6u M=1 $ nmos3 .ENDS $ inv $ **** Main Circuit **** .SUBCKT bcdef SCEN SC XI48 SCEN SC inv .ENDS $ OSC0_OSCTOP3 $
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第7章 SPICE数模混合仿真程 序的设计流程及方法
1
第7章 SPICE数模混合仿真程序的 设计流程及方法
7.1 采用SPICE的电路设计流程 7.2 电路元件的SPICE输入语句格式 7.3 电路特性分析语句 7.4 电路特性控制语句 7.5 缓冲驱动器设计实例 7.6 跨导放大器设计实例
2
3
.NODESET var1=val1 <var2=VAL2>··· 直流分析的初始条件设定语句
进行含有多稳态电路的模拟时往往需要给出初始化条件。
36
初始化问题举例：
含有双稳态的电路
A1 A1
固定A端为1，扫描输出－输入B
的直流特性：
va a 0 5v
vb b 0
B
A1
.dc vb lin 10 0 5
＋ val=2.5 td=8ns rise=1
+
targ v(out) val=2.5
＋ td=9n fall=1
.PRINT V(OUT)
.end
53
3.考察驱动能力
扫描负载电容，观察时序
波形：
……
.param cload=1pf
……
.data cv
cload
0.5p
1p
2p
.enddata
……
6.1 采用SPICE的电路设计流程 6.2 电路元件的SPICE输入语句格式 6.3 电路特性分析语句 6.4 电路特性控制语句 6.5 缓冲驱动器设计实例 6.6 跨导放大器设计实例
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20
第7章 SPICE数模混合仿真程序的 设计流程及方法
X1 IN 1 INV WN=1.2U WP=3U
X2 1 2
INV WN=1.2U WP=3U
X3 2 OUT INV WN=1.2U WP=3U
CL OUT 0
1PF
VCC VDD 0 5V
VIN IN 0
……
51
直流特性分析
…… .DC VIN 0 5V 0.1V .measure DC ttrans when
.op
.probe dc v(out)
.end
49
输出的直流传输特性曲线
50
利用含参数的子电路组成反相器链
.TITLE 1.2UM CMOS INVERTER CHAIN .INCLUDE "models.sp" .global vdd .SUBCKT INV IN OUT wn=1.2u wp=1.2u Mn out in 0 0 NMOS W=wn L=1.2u Mp out in vdd vdd PMOS W=wp L=1.2u .ENDS
+
targ v(out) val=2.5 td=9n fall=1
.END
41
42
5
43
44
第7章 SPICE数模混合仿真程序的 设计流程及方法
7.1 采用SPICE的电路设计流程 7.2 电路元件的SPICE输入语句格式 7.3 电路特性分析语句 7.4 电路特性控制语句 7.5 缓冲驱动器设计实例 7.6 跨导放大器设计实例
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设计基本反相器单元
根据模型参数、设计要求设定管子尺寸
写出反相器网单：
.TITLE 1.2UM CMOS INVERTER CHAIN
.INCLUDE "models.sp"
.global vdd
Mn out in 0 0 NMOS W=1.2u L=1.2u
Mp out in vdd vdd PMOS W=3u L=1.2u
.OPTIONS POST R1 in 1 5 C1 1 0 500pf V1 IN 0 0 AC=10V,37 .AC OCT 10 1 100MEG .noise v(1) v1 20－－分析1点电压的噪声情况，噪声源为V1端口 .END
29
30
31
8
32
33
9.温度分析
与直流或瞬态分析等命令结合使用：例 如对反相器链瞬态特性的温度扫描：
.enddata
X1 IN 1 INV WN=wu WP=wpt
X2 1 2 INV WN=wu WP=wpt
X3 2 OUT INV WN=wu WP=wpt
CL OUT 0
1pf
……
.TRAN 1N 200N sweep data=cv
.measure tran td trig v(in) val=2.5 td=8ns
.SUBCKT INV IN OUT wn=1.2u wp=1.2u
……
.ENDS
X1
IN 1
INV WN=1.2U WP=3U
X2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1
2
INV WN=1.2U WP=3U
X3
2
OUT INV WN=1.2U WP=3U
CL
OUT 0
1PF
VCC VDD 0 5V
VIN
IN 0
.DC VIN0 5V 0.1V
7.1 采用SPICE的电路设计流程 7.2 电路元件的SPICE输入语句格式 7.3 电路特性分析语句 7.4 电路特性控制语句 7.5 缓冲驱动器设计实例 7.6 跨导放大器设计实例
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7.3 电路特性分析语句
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23
直流分析举例
例：分析反相器链的直流传输特性和工作点
……
.global vdd
45
一个例子：缓冲驱动器分析
——HSPICE分析举例
46
准备模型文件
选用1.2um CMOS工艺level II模型 (Models.sp)
.MODEL NMOS NMOS LEVEL=2 LD=0.15U TOX=200.0E-10 VTO=0.74 KP=8.0E-05 +NSUB=5.37E+15 GAMMA=0.54 PHI=0.6 U0=656 UEXP=0.157 UCRIT=31444 +DELTA=2.34 VMAX=55261 XJ=0.25U LAMBDA=0.037 NFS=1E+12 NEFF=1.001 +NSS=1E+11 TPG=1.0 RSH=70.00 PB=0.58 +CGDO=4.3E-10 CGSO=4.3E-10 CJ=0.0003 MJ=0.66 CJSW=8.0E-10 MJSW=0.24
Mn out in 0 0 NMOS W=1.2u L=1.2u
Mp out in vdd vdd PMOS W=1.2u L=1.2u
CL OUT
0 0.5PF
VCC VDD 0 5V
VIN IN 0 PULSE(0 5V 10NS 1N 1N 50N 100N)
.DC VIN 0 5V 0.1V
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第7章 SPICE数模混合仿真程序的 设计流程及方法
7.1 采用SPICE的电路设计流程 7.2 电路元件的SPICE输入语句格式 7.3 电路特性分析语句 7.4 电路特性控制语句 7.5 缓冲驱动器设计实例 7.6 跨导放大器设计实例
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1.初始化
.IC var1=val1 <var2=VAL2>··· 瞬态分析的初始化语句
2.重置参数--.OPTIONS
.OPTIONS:
该语句允许用户重新设置程序的参数或控制程序的 功能。常用的一些如下： node: 列出个节点的元件端点，便于查错； post: 使输出数据可以使用 MetaWaves 浏览（即 将数据输出到post processor） list: 列出元件列表； MEASDGT：.MEASURE语句输出的有效数字位数
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控制卡——噪声分析
噪声分析：
用来计算各个器件的噪声对输出节点的影响并给出其均方根并输出，可 完成.AC语句规定的各频率的计算，应在.AC分析之后。
.NOISE ovv srcnam inter Ovv－输出变量，srcnam－输入源，inter－频率间隔 例：.title ac sweep example
CL
OUT 0 cload
VIN IN 0 PULSE(0 5V 10NS 1N 1N ＋50N 100N)
.TRAN 1N 200N sweep data=cv
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……
固定负载，扫描管子尺寸
…… .param wu=1.2u .param wpt='2.5*wu' …… .data cv wpt 1.2u 2.4u 3u
…… VIN IN 0 PULSE(0 5V 10NS 1N 1N 50N
100N) .TRAN 1N 200N sweep temp 0 125 20 .PRINT V(OUT) .END