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HSPICE基础知识  

2007-09-29 23:35:43|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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转自http://www.ednchina.com/blog/nkchenliy/

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。

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- dcval

2. 交流源(AC):Vxxx n+ n- AC=acmag,acphase

3. 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 phasedelay

4. 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。这里值得注意的是MOS、JFET和MESFET的L和W的scale是m,而不是um。

分析的类型包括:直流、交流和瞬态分析。

1.直流分析:

对DC、AC和TRAN分析将自动进行直流操作点(DC OP)的计算,但.TRAN UIC将直接设置初始条件,不进行DC OP的计算。

.DC var1 start1 stop1 inc1 sweep var2 type np start2 stop2

直流分析包含以下五种语句:

.DC:直流扫描分析;

.OP:直流操作点分析;

.PZ:Pole/Zero分析;

.SENS:直流小信号敏感度分析;

.TF:直流小信号传输函数分析。

2.交流分析:

交流分析是指输出变量作为频率的函数。

.AC var1 start1 stop1 inc1 sweep var2 type np start2 stop2

交流分析包括以下四种语句:

.NOISE:噪声分析;

.DISTO:失真分析;

.NET:网络分析;

.SAMPLE:采样噪声分析。

3.瞬态分析:

瞬态分析是指计算的电路结果作为时间的函数。

.TRAN tinc1 tstop1 tinc2 tstop2… START=.. UIC SWEEP..

三、输出格式和子电路

(1) 输出命令包括:.PRINT、.PLOT、GRAPH、.PROBE和.MEASURE。

.PLOT antype ov1 ov2… plo1,phhi1…plo32,phi32

.PROBE ov1 ov2… ov32

.PRINT antype ov1 ov2… ov32

有五种输出变量形式:

1. 直流和瞬态分析:

用于显示单个节点电压,支路电流和器件功耗。

.print V(node) 或 .plot I(node),也可用.graph、.probe。

V(node)表示节点电压,I(node)表示节点电流,p(rload)表示在负载rload上的分析点的功耗。

2. 交流分析:

用于显示节点电压和支路电流的实部、虚部和相位。

vi(node)表示节点电压的虚部,ip(node)表示节点电流的相位,vp(4,6)表示节点4,6间的相位角。

3. 器件模版:

用于显示制定的器件节点的电压、支路电流和器件参数。

lv16(m3)表示MOS管m3的漏电流,其他表示方式见手册。

4. MEASURE语句:

用于显示用户自定义的变量。

可以采用的句法包括:raise,fall,delay,average,RMS,min,max,p-p等。

5. 参数语句:

用于显示用户自定义的节点电压等表达式。

语法格式:.print tran out_var_name=PAR(‘expression’)

(2)还可以采用AvanWave进行波形输出,启动AvanWave的命令为:awaves <filename> &

(3)子电路:

1. 采用.GLOBAL设置全局节点:

.GLOBAL node1 node2 node3…

2. 子电路语句.SUBCKT和.MACRO:

.SUBCKT subnam n1 n2 n3… parnam=val…

.MACRO subnam n1 n2 n3… parnam=val…

子电路的调用:

Xyyy n1 n2 n3… sunnam parnam=val… M=val

四、控制语句和option语句

1.OPTION语句:

.options语句格式:.options opt1 opt2 opt3… opt=x

一般在每个仿真文件中设置options为.options acct list post,也可以设置为.options node opts,其中.option list表示将器件网表、节点连接方式等输入到列表文件,用于debug与电路拓扑结构有关的问题,.option node表示将输出节点连接表到列表文件,用于debug与由于电路拓扑结构引起的不收敛问题,.option acct表示在列表文件中输出运行时间统计和仿真效率,.option opts在列表文件中报告所有的.option设置,.option nomod表示不输出MODEL参数,以便减小列表文件的大小,.option brief=1表示不输出网表信息,直到设置.option brief=0,.protect/.unprotect用于屏蔽网表文件中要保护的信息,.option bypass=1不计算latent器件,.option autostop表示当所有.measure语句完成时,终止仿真,.option accurate=1表示设置为最精确的仿真算法和容差,tstep表示仿真步长值,delmax表示最大允许时间步长,其中delmax=tstep*max,.option dvdt=4用于数字CMOS电路仿真(默认设置),.option dcca=1在直流扫描时强行计算随电压变化的电容,.option captab对二极管、BJT管、MOS、JFET、无源电容器,打印出信号的节点电容值,.option dcstep=val将直流模型和器件转换为电导,主要应用于“No DC Path to Ground”或有直流通路,但不符合Hspice定义的情况。

2.MODEL OPTION语句:

SCALE影响器件参数,如:L、W、area,SCALM影响model参数,如:tox、vto、tnom。

五、仿真控制和收敛

Hspice仿真过程采用Newton-Raphson算法通过迭代解矩阵方程,使节点电压和支路电流满足Kirchoff定律。迭代算法计算不成功的节点,主要是因为计算时超过了Hspice限制的每种仿真迭代的总次数从而超过了迭代的限制,或是时间步长值小于Hspice允许的最小值。

(1) 造成Hspice仿真不收敛主要有“No Convergence in DC Solution”和“Timestep too Small”,其可能的原因是:

1.电路的拓扑结构:

电路拓扑结构造成仿真不收敛主要有:电路连线错误,scale、scalm和param语句错误,其他错误可以通过查找列表文件中的warning和errors发现。

解决的方法是:将电路分成不同的小模块,分别进行仿真;简化输入源;调整二极管的寄生电阻;调整错误容差,重新设置RELV,ABSV,RELI,ABSI,RELMOS,ABSMOS等。

2.仿真模型:

由于所有的半导体器件模型都可能包含电感为零的区域,因此可能引起迭代的不收敛。

解决的方法是:在PN结或MOS的漏与源之间跨接一个小电阻;将.option中默认的GMINDC、GMIN增大。

3.仿真器的options设置:

仿真错误容差决定了仿真的精度和速度,要了解你所能接受的容差是多少。

解决的方法是:调整错误容差,重新设置RELV,ABSV,RELI,ABSI,RELMOS,ABSMOS等。

(2) 针对仿真分析中可能出现的不收敛情况进行分析:

1.直流工作点分析:

每种分析方式都以直流操作点分析开始,由于Hspice有很少的关于偏置点的信息,所以进行DC OP分析是很困难的,分析结果将输出到.ic文件中。

对DC OP分析不收敛的情况,解决方法是:删除.option语句中除acct,list,node,post之外的所有设置,采用默认设置,查找.lis文件中关于不收敛的原因;使

用.nodeset和.ic语句自行设置部分工作点的偏置;DC OP不收敛还有可能是由于model引起的,如在亚阈值区模型出现电导为负的情况。

2.直流扫描分析:

在开始直流扫描分析之前,Hspice先做DC OP计算,引起直流扫描分析不收敛的原因可能是快速的电压或电流变化,模型的不连续。

解决的方法是:对于电压或电流变化太快,通过增加ITL2来保证收敛,.option ITL2是在直流扫描分析中在每一步允许迭代的次数,通过增加迭代次数,可以在电压或电流变化很快的点收敛。对于模型的不收敛,主要是由于MOS管线性区和饱和区之间的不连续,Newton-Raphson算法再不连续点处进行迭点计算产生震荡,可以通过增减仿真步长值或改变仿真初始值来保证收敛,如:.dc vin 0v 5v 0.1v的直流分析不收敛,可以改为.dc vin 0v 5v 0.2v增大步长值,.dc vin 0.01v 5.01v 0.1v改变仿真的范围。

3.AC频率分析:

由于AC扫描是进行频率分析,一旦有了DC OP,AC分析一般都会收敛,造成不收敛的原因主要是DC OP分析不收敛,解决的方法可以参看前面关于DC OP的分析。

4.瞬态分析:

瞬态分析先进行直流工作点的计算,将计算结果作为瞬态分析在T0时刻的初始值,再通过Newton-Raphson算法进行迭代计算,在迭代计算过程中时间步长值是动态变化的,.tran tstep中的步长值并不是仿真的步长值,只是打印输出仿真结果的时间间隔的值,可以通过调整.options lvltim imax imin来调整步长值。

瞬态分析不收敛主要是由于快速的电压变化和模型的不连续,对于快速的电压变化可以通过改变分析的步长值来保证收敛。对模型的不连续,可以通过设置CAPOP和ACM电容,对于给定的直流模型一般选择CAPOP=4,ACM=3,对于level 49,ACM=0。

对瞬态分析,默认采用Trapezoidal算法,精度比较高,但容易产生寄生振荡,采用GEAR算法作为滤波器可以滤去由于算法产生的振荡,具有更高的稳定性。

六、输入语句

对于.param语句,.param PARHIER=GLOBAL是默认的,使得参数可以按照Top-Down变化,.param PARHIER=LOCAL,可以是参数只在局部有效。

对于.measure语句,可以采用的模式有rise,fall,delay,average,rms,min,peak-to-peak,Find-When,微分和积分等。对Find-When语句,.measure <dc|tran|ac> result find val when out_val=val <optimization options>,对微分和积分语句,.measure <dc|tran|ac> result <deriv|integ> val <options>。

对于.ALTER语句,可以通过改变.ALTER来改变使用不同的库,其中.ALTER语句可以包含element语句、.data、.lib、.del lib、.include、.model、.nodeset、.ic、.op、.options、.param、.temp、.tf、.dc、.ac语句,不能包含.print、.plot、.graph或其他I/O语句,同时应该避免在.ALTER中增加分析语句。

七、统计分析仿真

主要是对器件和模型进行Monte Carlo分析,随机数的产生主要依赖Gaussian、Uniform、Limit分析,通过.param设置分布类型,将dc、ac、tran设置为Monte Carlo分析,用.measure输出分析结果,如:

.param tox=agauss(200,10,1)

.tran 20p 1n sweep MONTE=20

.model … tox=tox …

其中,对Gaussian分析.param ver=gauss(nom_val,rel_variation,sigma,mult),

.param ver=agauss(nom_val,abs_variation,sigma,mult),

对Uniform分析,.param ver=unif(nom_val,rel_variation,mult),

.param ver=aunif(nom_val,abs_variation,mult),

对Limit分析,.param ver=limit(nom_val,abs_variation),如果你拼错Gauss或Uniform、Limit,不会产生警告,但不将产生分布。

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