第六章集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)與工具

1、第第6章章 基于基于SPICE的集成電路仿真的集成電路仿真 6.1 電路仿真與電路仿真與SPICE 6.2 電路描述語(yǔ)句電路描述語(yǔ)句 6.3 電路特性分析和控制語(yǔ)句電路特性分析和控制語(yǔ)句 6.4 基于基于SPICE核的工具軟件核的工具軟件 6.5 集成電路集成電路SPICE仿真示例仿真示例對(duì)設(shè)計(jì)電路的驗(yàn)證 傳統(tǒng)方法 搭實(shí)驗(yàn)裝置 隨著集成度的提高，電路規(guī)模的擴(kuò)大，已無(wú)法在實(shí)驗(yàn)裝置上搭接這樣的電路 即使搭接成功的話，也與實(shí)際的集成電路差別太大，失去其物理驗(yàn)證的意義 無(wú)法進(jìn)行容差分析和極限條件的驗(yàn)證 對(duì)設(shè)計(jì)電路的驗(yàn)證 用電路模擬分析的方法在計(jì)算機(jī)上驗(yàn)證 計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算方法的發(fā)展 不需要任何實(shí)際的元

2、器件和調(diào)試工具，可以很方便地改變各種條件進(jìn)行模擬分析 可以進(jìn)行各種破壞性的模擬 設(shè)計(jì)者可以在設(shè)計(jì)投入生產(chǎn)制造前就能預(yù)測(cè)電路的實(shí)際性能 對(duì)設(shè)計(jì)電路的驗(yàn)證 最為著名和廣為采用的電路模擬程序 SPICE（Simulation Program with IC Emphasis） 其第一版本于1972年由美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校電工和計(jì)算機(jī)科學(xué)系開(kāi)發(fā)完成，常稱為BSPICE BSPICE是現(xiàn)代各種SPICE的前身，它的源代碼公開(kāi) 其版本不斷更新SPICE 主要針對(duì)由元件、半導(dǎo)體器件、電源等組成的電路作分析 可以用于電路的直流分析 如靜態(tài)工作點(diǎn)、非線性電路、小信號(hào)傳輸函數(shù)等 可以用于交流小信號(hào)分析 如

3、頻域分析、噪聲分析等 還可用來(lái)進(jìn)行瞬態(tài)分析、溫度特性分析等一個(gè)簡(jiǎn)單的電路仿真的例子Rl1kRB20Kvcc+6VC210ufRc68021Q153C110ufvi* A BJT AMP *標(biāo)題行，不可少 VCC 1 0 6 * 0 為接地點(diǎn)，默認(rèn)；電源為6vQ1 2 3 0 MQ *連接按照集電極、基極、發(fā)射極的順序和模型為MQ RC 1 2 680 *節(jié)點(diǎn)1 與節(jié)點(diǎn)2之間為 680歐姆的電阻RB 2 3 20KRL 5 0 1KC1 4 3 10UC2 2 5 10UVI 4 0 AC 1MODEL MQ NPN IS=1E-14 *三極管的模型參數(shù)+BF=80 RB=50 VAF=100

4、* 模型參數(shù)寫不開(kāi)，接著另一行寫，但在前面加+號(hào) .OP * 分析類型，也叫做點(diǎn)命令作靜態(tài)工作點(diǎn)分析計(jì)算 .END *結(jié)束標(biāo)志；不可缺少簡(jiǎn)單的晶體管（BJT）放大電路SPICE輸入描述語(yǔ)句的構(gòu)成輸入描述語(yǔ)句的構(gòu)成 標(biāo)題語(yǔ)句標(biāo)題語(yǔ)句 描述文件的第一行描述文件的第一行 SPICE將第一行作為標(biāo)題行打印而不作為電路的一部將第一行作為標(biāo)題行打印而不作為電路的一部分進(jìn)行分析分進(jìn)行分析 這一行必須設(shè)置這一行必須設(shè)置 注釋語(yǔ)句注釋語(yǔ)句 一般形式是一般形式是“*”后加字符串后加字符串 注釋語(yǔ)句不參與電路的模擬仿真注釋語(yǔ)句不參與電路的模擬仿真 可以存在于輸入文件除第一行和最后一行之間的任何可以存在于輸入文件除第

5、一行和最后一行之間的任何位置，位置， SPICE輸入描述語(yǔ)句的構(gòu)成輸入描述語(yǔ)句的構(gòu)成 電路的描述語(yǔ)句電路的描述語(yǔ)句 定義電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和元件類型及其數(shù)值，半導(dǎo)體器件，定義電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和元件類型及其數(shù)值，半導(dǎo)體器件，電路描述語(yǔ)句等電路描述語(yǔ)句等 可以出現(xiàn)在文件的第二行到末行結(jié)束語(yǔ)句之間的任何可以出現(xiàn)在文件的第二行到末行結(jié)束語(yǔ)句之間的任何地方地方 電路特性分析和控制語(yǔ)句電路特性分析和控制語(yǔ)句 選擇要分析的電路特性，如頻率特性等，以及輸出的選擇要分析的電路特性，如頻率特性等，以及輸出的控制語(yǔ)句?？刂普Z(yǔ)句。 結(jié)束語(yǔ)句結(jié)束語(yǔ)句 標(biāo)志著電路描述語(yǔ)句的結(jié)束標(biāo)志著電路描述語(yǔ)句的結(jié)束 格式：格式： .END。位于

6、描述語(yǔ)句文件的最后一行。位于描述語(yǔ)句文件的最后一行 SPICE中元器件名稱的首字母 首字母首字母電路元器件電路元器件首字母首字母電路元器件電路元器件B砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管L電感C電容MMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管D二極管Q雙極型晶體管E電壓控制電壓源R電阻F電流控制電流源S電壓控制開(kāi)關(guān)G電壓控制電流源T傳輸線H電流控制電壓源V獨(dú)立電壓源I獨(dú)立電流源W電流控制開(kāi)關(guān)J結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管X子電路K互感（耦合系數(shù)）輸入描述語(yǔ)句的規(guī)定輸入描述語(yǔ)句的規(guī)定 名稱名稱 第一個(gè)字符必須是A到Z的某一個(gè)字符，其它位字符沒(méi)有限制， 前8個(gè)字符有效(名稱長(zhǎng)度) 在描述元件時(shí)第一個(gè)字符必須是規(guī)定的元件類型字母 節(jié)點(diǎn)編號(hào)節(jié)點(diǎn)編號(hào) 電路的節(jié)

7、點(diǎn)編號(hào)一般采用正整數(shù)，可以不連續(xù)，也可以用字符串代替節(jié)點(diǎn)編號(hào) 接地點(diǎn)必須規(guī)定為0節(jié)點(diǎn) 輸入描述語(yǔ)句的規(guī)定輸入描述語(yǔ)句的規(guī)定 元件參數(shù)值元件參數(shù)值 元件參數(shù)值寫在與該元件相連的節(jié)點(diǎn)后面，其值可用整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)書寫，后面可跟比例因子和單位后綴 比例因子后綴有： F1E-15；P=1E-12；N=1E-9；U=1E-6；MIL=25.4E-6；M=1E-3；K=1E3；MEG1E6；GlE9；T=1E12 比例因子后綴與它前面的數(shù)相乘后即得到該語(yǔ)句所描述的元件的參數(shù)值 輸入描述語(yǔ)句的規(guī)定輸入描述語(yǔ)句的規(guī)定 元件參數(shù)值元件參數(shù)值 單位后綴有： V=伏 ； A安 ； HZ赫 ； OHM歐（）； H=亨 ；

8、 F=法 ； DEG=度 元件值的第一個(gè)后綴總是比例因子后綴，然后是單位后綴 如果沒(méi)有比例因子后綴，那么頭一個(gè)后綴就可能是單位后綴，SPICE總是忽略單位后綴 沒(méi)有比例后綴和單位后綴的情況下，SPICE將電壓、電流、頻率、電感、電容和角度的量綱分別默認(rèn)為伏、安、赫、亨、法和度 輸入描述語(yǔ)句的規(guī)定輸入描述語(yǔ)句的規(guī)定 分隔符分隔符 用以區(qū)分一行語(yǔ)句的不同部分 空格、逗號(hào)、等號(hào)、左括號(hào)、右括號(hào)等都可以作為分隔符，多余的分隔符是無(wú)效的。 續(xù)行號(hào)續(xù)行號(hào) 一般一行最多有80個(gè)字符， 第二行的開(kāi)始加上“”號(hào)，表示是第一行的繼續(xù)。 方向方向 規(guī)定支路電路的正方向和支路電壓的正方向一致。 不能分析的問(wèn)題不能分析

9、的問(wèn)題 電路中不能包含以下部分：電壓源回路、電感回路、電壓源和電感組成的回路、開(kāi)路的電流源和（或電容） 元件描述語(yǔ)句元件描述語(yǔ)句 電阻電阻 電阻描述語(yǔ)句的語(yǔ)句格式為： RXXXXXXX N+ N- VALUE +TC=TC1 例：RADJ 18 2 4K TC=0.006 0.002 電容和電感電容和電感 語(yǔ)句的格式： CXXXXXXX N+ N- VALUE + LXXXXXXX N+ N- VALUE +元件描述語(yǔ)句元件描述語(yǔ)句 互感（耦合系數(shù)）互感（耦合系數(shù)） 互感是先描述兩個(gè)電感，再描述這兩個(gè)電感的耦合強(qiáng)度而得的。語(yǔ)法格式為： KXXXXXXX LYYYYYYY LZZZZZZZ +V

10、ALUE 無(wú)損耗傳輸線無(wú)損耗傳輸線 語(yǔ)法格式為： TXXXXXXX N1 N2 N3 N4 Z0=VALUE + F=FREQ +元件描述語(yǔ)句元件描述語(yǔ)句 電壓控制開(kāi)關(guān)電壓控制開(kāi)關(guān) 語(yǔ)法格式為：SXXXXXXX N+ N- NC+ NC- +(MODEL)NAME) 電流控制開(kāi)關(guān)電流控制開(kāi)關(guān) 語(yǔ)法格式為： WXXXXXXX N+ N- VNAME 半導(dǎo)體元器件描述語(yǔ)句半導(dǎo)體元器件描述語(yǔ)句 二極管二極管 語(yǔ)句格式為： DXXXXXXX N+ N- MNAME + 例： DBRIDGE 2 10 DIODE1 雙極型晶體管雙極型晶體管 語(yǔ)句格式為： QXXXXXXX NC NB NE MNAME

11、+ 例： Q23 10 24 13 QMOD1 IC=0.6, 5.0半導(dǎo)體元器件描述語(yǔ)句半導(dǎo)體元器件描述語(yǔ)句 MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管 語(yǔ)句格式為： MXXXXXXX ND NG NS NB MNAME + + + 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管 語(yǔ)句格式為： JXXXXXXX ND NG NS MNAME + 半導(dǎo)體元器件描述語(yǔ)句半導(dǎo)體元器件描述語(yǔ)句 半導(dǎo)體電阻器半導(dǎo)體電阻器 語(yǔ)句格式為： RXXXXXXX N1 N2 + 例：RLOAD 2 10 10K 半導(dǎo)體電容器半導(dǎo)體電容器 語(yǔ)句格式為： CXXXXXXX N1 N2 + 例：CLOAD 2 10 10P電源描述語(yǔ)句電源描述

12、語(yǔ)句 V 獨(dú)立電壓源 I 獨(dú)立電流源 H 電流控制電壓源 F 電流控制電流源 G 電壓控制電流源 E 電壓控制電壓源獨(dú)立電壓源和獨(dú)立電流源獨(dú)立電壓源和獨(dú)立電流源 直流源直流源 VXXXXXXX N+ N- VALUE IXXXXXXX N+ N- VALUE 交流源交流源 VXXXXXXX N+ N- AC IXXXXXXX N+ N- AC 瞬態(tài)脈沖源瞬態(tài)脈沖源 VXXXXXXX N+ N- PULSE IXXXXXXX N+ N- PULSE脈沖源參數(shù) 參數(shù)參數(shù)意義意義缺省值缺省值單位單位V1(I1)起始值V/AV2(I2)脈動(dòng)值V/ATD延遲時(shí)間0STR上升時(shí)間TSTEPSTF下降時(shí)間T

13、STEPSPW脈沖寬度TSTOPSPER周期TSTOPS各參數(shù)和波形圖之間的關(guān)系 瞬態(tài)正弦源瞬態(tài)正弦源瞬態(tài)正弦源瞬態(tài)正弦源VXXXXXXX N+ N- SIN (V0 VA F TD ALPHA PHASE)IXXXXXXX N+ N- SIN (I0 IA F TD ALPHA PHASE)正弦源的值由下面式子決定：V(T)=VO+VA*SIN(2*(FREQ*(T-TD)+PHASE/360)*EXP(-(T-TD)* ALPHA)I(T)=I0+IA*SIN(2*(FREQ*(T-TD)+PHASE/360)*EXP(-(T-TD)* ALPHA)正弦源參數(shù)獨(dú)立電壓源和獨(dú)立電流源獨(dú)立電壓

14、源和獨(dú)立電流源瞬態(tài)指數(shù)源瞬態(tài)指數(shù)源 VXXXXXXX N+ N- EXP(V1 V2 TD1 TAU1 TD2 TAU2) IXXXXXXX N+ N- EXP(I1 I2 TD1 TAU1 TD2 TAU2) 分段線性源分段線性源 VXXXXXXX N+ N- PWL (T1 V1 ) IXXXXXXX N+ N- PWL(T1 I1 ) 瞬態(tài)單調(diào)調(diào)頻源瞬態(tài)單調(diào)調(diào)頻源瞬態(tài)單調(diào)調(diào)頻源瞬態(tài)單調(diào)調(diào)頻源VXXXXXXX N+ N- SEFM (V0 VA FC MDI FS)IXXXXXXX N+ N- SEFM(I0 IA FC MDI FS)線性受控源線性受控源 電壓控制電壓源 EXXXXXXX

15、 N+ N- NC+ NC- VALUE 電壓控制電流源 GXXXXXXX N+ N- NC+ NC- VALUE 電流控制電壓源 HXXXXXXX N+ N- VNAME VALUE 電流控制電流源 FXXXXXXX N+ N- VNAME VALUE模型、子電路和文件包含語(yǔ)句模型、子電路和文件包含語(yǔ)句 模型描述語(yǔ)句模型描述語(yǔ)句 .MODEL ModelName TypeName (PName1=Pvalue1,PName2=Pvalue2,) 子電路描述語(yǔ)句子電路描述語(yǔ)句.SUBCKT SubName NodeNames.ENDS SubName 文件包含語(yǔ)句文件包含語(yǔ)句 .INCLUDE

16、 FileName電路特性分析語(yǔ)句電路特性分析語(yǔ)句 直流工作點(diǎn)分析直流工作點(diǎn)分析 計(jì)算電路的直流工作點(diǎn)計(jì)算電路的直流工作點(diǎn) 。格式： .OP 直流掃描分析直流掃描分析 定義對(duì)電路進(jìn)行直流掃描的掃描源及掃描限制。格式： .DC SRCNAM VSTART VSTOP VINCR 小信號(hào)傳輸函數(shù)小信號(hào)傳輸函數(shù) 計(jì)算電路的直流小信號(hào)傳輸函數(shù)值、輸入阻抗和輸出阻抗。格式： .TF OUTVAR INSRC電路特性分析語(yǔ)句電路特性分析語(yǔ)句 直流或小信號(hào)交流靈敏度分析直流或小信號(hào)交流靈敏度分析 在電路的偏置點(diǎn)附近將電路線性化后，計(jì)算在電感短路電容開(kāi)路的情況下所觀測(cè)變量OUTVAR（節(jié)點(diǎn)電壓或電壓源支路的電

17、流）對(duì)電路中所有非零器件參數(shù)的靈敏度 .SENS OUTVAR AC DEC ND FSTART FSTART 交流特性分析交流特性分析 計(jì)算電流在給定的頻率范圍內(nèi)的頻率響應(yīng) ，格式： .AC DEC ND FSTART FSTOP (十倍頻十倍頻) .AC OCT NO FSTART FSTOP (倍頻倍頻) .AC LIN NP FSTART FSTOP (線性線性)電路特性分析語(yǔ)句電路特性分析語(yǔ)句 噪聲分析噪聲分析 計(jì)算指定節(jié)點(diǎn)的噪聲輸出電壓，產(chǎn)生兩個(gè)輸出:噪聲頻譜密度曲線和指定頻域的全部積分噪聲 .NOISE OUTVAR SRC DEC ND FSTART FSTOP 瞬態(tài)特性分析瞬

18、態(tài)特性分析 計(jì)算電路的瞬態(tài)特性響應(yīng)，格式： .TRAN TSTEP TSTOP TSTART 電路特性分析語(yǔ)句電路特性分析語(yǔ)句 傅立葉分析傅立葉分析 必須與瞬態(tài)分析語(yǔ)句聯(lián)用，對(duì)瞬態(tài)分析的結(jié)果進(jìn)行傅立葉分析 .FOUR FREQ OUTVAR 失真分析失真分析 對(duì)電路進(jìn)行小信號(hào)失真分析 .DISTO DEC ND FSTART FSTOP 零極點(diǎn)分析零極點(diǎn)分析 .PZ NODE1 NODE2 NODE3 NODE4 CUR POL(ZERO/PZ)控制語(yǔ)句控制語(yǔ)句 初始節(jié)點(diǎn)電壓設(shè)置初始節(jié)點(diǎn)電壓設(shè)置 用于幫助SPICE直流或初始瞬態(tài)方程的求解過(guò)程收斂，常用于雙穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)電路中。格式： .NODE

19、SET V(NODENUM)=VAL V(NODENUM)=VAL 初始條件設(shè)置初始條件設(shè)置 用于設(shè)置瞬態(tài)特性分析的初始條件，格式： .IC V(NODENUM)=VAL V(NODENUM)=VAL 控制語(yǔ)句控制語(yǔ)句 輸出控制輸出控制 以列表的形式輸出1至8個(gè)變量的值，格式： .PRINT PRTTYPE OUTVAR1 重置參數(shù)重置參數(shù) 修改仿真控制參數(shù)，以調(diào)整仿真精度、速度或某些器件的默認(rèn)參數(shù)等。格式： .OPTIONS OPT=VAL .OPTIONS OPT1 OPT2 基于基于SPICE核的工具軟件核的工具軟件 Pspice 目前廣泛使用的Pspice是MicroSim的產(chǎn)品 它不僅具有SPICE原有的功能，而且在輸入輸出、圖形處理、算法的可靠性和收斂性、仿真速度、模擬功能擴(kuò)展以及模型參數(shù)庫(kù)和宏模型庫(kù)等方面都有所改善和擴(kuò)充 主要運(yùn)行于PC機(jī)平臺(tái)上基于基于SPICE核的工具軟件核的工具軟件 HSPICE Synopsys公司的工業(yè)級(jí)電路分析產(chǎn)品 可以對(duì)電路進(jìn)行穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)和頻域分析、蒙特卡洛分析、最壞情況分析、參數(shù)掃描分析、數(shù)據(jù)表掃描分析等 仿真的精度和速度都較好，具備可靠的自動(dòng)收斂能力 可運(yùn)行在Sun Ultra、Sun Blade、HP PA、IBM RS6000、DEC A