《Hspice實戰(zhàn)手冊》word版

1、羅膆莁蠆袁芅蒄襖螇芄 如何安裝Hspice2004.09？.1運行安裝程序hspicehspice.exe，安裝到默認目錄c:synopsysHspice2004.091.2生成liense文件，將hspicelicense目錄拷貝到硬盤上 1)在MS-DOS下運行IPCONFIG /ALL,察看自己的網(wǎng)卡ID 2)用記事本打開HSPICE.SRC，把HOSTID=FFFFFFFFFFFFF中FFFFFFFFFFFF改為自己的網(wǎng)卡ID,中間沒有-號。 3)運行BUIL.BAT即可生成license.dat文件。 4)將license.dat文件復(fù)制到c:synopsys目錄下1.3設(shè)置環(huán)境變量

2、 右擊我的電腦，選擇屬性-高級-環(huán)境變量，新建如下系統(tǒng)變量 LM_LICENSE_FILE C:SYNOPSYSLICENSE.DAT SNPSLMD_LICENSE_FILE C:SCLadminlicenselicense.dat installdir C:synopsysHspice2004.09 installdir_2004_09 C:synopsysHspice2004.09注：后面三個環(huán)境變量不用自己設(shè)置。Hspice實戰(zhàn)手冊(一)HSPICE基礎(chǔ)知識Hspice實戰(zhàn)手冊最初寫作本文的目的是希望提供一份中文版的Hspice手冊從而方便初學(xué)者的使用，本文的緣起是幾位曾經(jīng)一起工作過的

3、同事分別進入不同的新公司，而公司主要是使用Hspice，對于已經(jīng)熟悉了Cadence的GUI界面的使用者轉(zhuǎn)而面對Hspice的文本格式，其難度是不言而喻的，而Hspice冗長的manual（長達2000頁以上）更讓人在短時間內(nèi)理不出頭緒。鑒于我曾經(jīng)使用過相當(dāng)一段時間的Hspice，于是我向他們提供了一份簡單而明了的handbook來幫助他們學(xué)習(xí)，本來是準(zhǔn)備借助一個具體運放的設(shè)計例子，逐步完善成為一份case by case的教程，但由于工作比較浩大，加之時間的關(guān)系，一直難以完成，愈拖愈久，在幾個朋友的勸說下，與其等其日臻完善后再發(fā)布，不如先行發(fā)布在逐步完善，以便可以讓更多的朋友及早使用收益。本

4、文雖通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)表，但作者保留全部的著作權(quán)，轉(zhuǎn)載時務(wù)請通知本人。由于水平的有限，討論范圍的局限及錯誤不可避免，懇請讀者指正。聯(lián)系方式為e-mail: 。(參考來源：電路設(shè)計/200603/20060317093256.html)一、HSPICE基礎(chǔ)知識Avant! Start-Hspice（現(xiàn)在屬于Synopsys公司）是IC設(shè)計中最常使用的電路仿真工具，是目前業(yè)界使用最為廣泛的IC設(shè)計工具，甚至可以說是事實上的標(biāo)準(zhǔn)。目前，一般書籍都采用Level 2的MOS Model進行計算和估算，與Foundry經(jīng)常提供的Level 49和Mos 9、EKV等Library不同，而以上Model要比Lev

5、el 2的Model復(fù)雜的多，因此Designer除利用Level 2的Model進行電路的估算以外，還一定要使用電路仿真軟件Hspice、Spectre等進行仿真，以便得到精確的結(jié)果。本文將從最基本的設(shè)計和使用開始，逐步帶領(lǐng)讀者熟悉Hspice的使用，并對仿真結(jié)果加以討論，并以一個運算放大器為例，以便建立IC設(shè)計的基本概念。在文章的最后還將對Hspice的收斂性做深入細致的討論。Hspice輸入網(wǎng)表文件為.sp文件，模型和庫文件為.inc和.lib，Hspice輸出文件有運行狀態(tài)文件.st0、輸出列表文件.lis、瞬態(tài)分析文件.tr#、直流分析文件.sw#、交流分析文件.ac#、測量輸出文件

6、.m*#等。其中，所有的分析數(shù)據(jù)文件均可作為AvanWaves的輸入文件用來顯示波形。表1 Hspice所使用的單位單位符號數(shù)值單位符號數(shù)值單位符號數(shù)值F1E-15MIL25.4E-6G1E9P1E-12M1E-3T1E12N1E-9K1E3U1E-6MEG1E6獨立電壓和電流源包括：1. 直流源（DC）：電壓源Vxxx n+ n- dcval電流源 Ixxx n+ n- dcval2. 交流源（AC）：Vxxx n+ n- AC=acmag,acphase3. 瞬態(tài)源（隨時間變化）：脈沖源：pulse v1 v2 td tr tf pw per線性源：pwl t1 v1 正弦源：sin vo

7、 va freq td damping phasedelay4. 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、輸入網(wǎng)表文件TITLE.INCLUDE.LIB MACRO元件描述信號源描述分析命令測量命令.ALTER.END圖1 輸入網(wǎng)表（Netlist）文件標(biāo)準(zhǔn)格式三、有源器件和分析類型有源器件包括二極管（D）、MOS管（M）、BJT管（Q）、JFET和MESFET（J）、子電路(X)和宏、Behavioral器件（E,G）、傳輸線（T,U,W）等。這里值得注意的是MOS、JFET和MESFET的L和W的scale是m，而不是um。

8、分析的類型包括：直流、交流和瞬態(tài)分析。1.直流分析：對DC、AC和TRAN分析將自動進行直流操作點（DC OP）的計算，但.TRAN UIC將直接設(shè)置初始條件，不進行DC OP的計算。.DC var1 start1 stop1 inc1 sweep var2 type np start2 stop2直流分析包含以下五種語句：.DC：直流掃描分析；.OP：直流操作點分析；.PZ：Pole/Zero分析；.SENS：直流小信號敏感度分析；.TF：直流小信號傳輸函數(shù)分析。2.交流分析：交流分析是指輸出變量作為頻率的函數(shù)。.AC var1 start1 stop1 inc1 sweep var2 ty

9、pe np start2 stop2交流分析包括以下四種語句：.NOISE：噪聲分析；.DISTO：失真分析；.NET：網(wǎng)絡(luò)分析；.SAMPLE：采樣噪聲分析。3.瞬態(tài)分析：瞬態(tài)分析是指計算的電路結(jié)果作為時間的函數(shù)。.TRAN tinc1 tstop1 tinc2 tstop2 START=. UIC SWEEP.四、輸出格式和子電路（1） 輸出命令包括：.PRINT、.PLOT、GRAPH、.PROBE和.MEASURE。.PLOT antype ov1 ov2 plo1,phhi1plo32,phi32.PROBE ov1 ov2 ov32.PRINT antype ov1 ov2 ov3

10、2有五種輸出變量形式：1. 直流和瞬態(tài)分析：用于顯示單個節(jié)點電壓，支路電流和器件功耗。.print V(node) 或 .plot I(node)，也可用.graph、.probe。V(node)表示節(jié)點電壓，I(node)表示節(jié)點電流，p(rload)表示在負載rload上的分析點的功耗。2. 交流分析：用于顯示節(jié)點電壓和支路電流的實部、虛部和相位。vi(node)表示節(jié)點電壓的虛部，ip(node)表示節(jié)點電流的相位，vp(4,6)表示節(jié)點4，6間的相位角。3. 器件模版：用于顯示制定的器件節(jié)點的電壓、支路電流和器件參數(shù)。lv16(m3)表示MOS管m3的漏電流，其他表示方式見手冊。4.

11、MEASURE語句：用于顯示用戶自定義的變量?？梢圆捎玫木浞òǎ簉aise,fall,delay,average,RMS,min,max,p-p等。5. 參數(shù)語句：用于顯示用戶自定義的節(jié)點電壓等表達式。語法格式：.print tran out_var_name=PAR(expression)（2）還可以采用AvanWave進行波形輸出，啟動AvanWave的命令為：awaves &（3）子電路：1. 采用.GLOBAL設(shè)置全局節(jié)點：.GLOBAL node1 node2 node32. 子電路語句.SUBCKT和.MACRO：.SUBCKT subnam n1 n2 n3 parnam=va

12、l.MACRO subnam n1 n2 n3 parnam=val子電路的調(diào)用：Xyyy n1 n2 n3 sunnam parnam=val M=val四、輸出格式和子電路（1） 輸出命令包括：.PRINT、.PLOT、GRAPH、.PROBE和.MEASURE。.PLOT antype ov1 ov2 plo1,phhi1plo32,phi32.PROBE ov1 ov2 ov32.PRINT antype ov1 ov2 ov32有五種輸出變量形式：1. 直流和瞬態(tài)分析：用于顯示單個節(jié)點電壓，支路電流和器件功耗。.print V(node) 或 .plot I(node)，也可用.gr

13、aph、.probe。V(node)表示節(jié)點電壓，I(node)表示節(jié)點電流，p(rload)表示在負載rload上的分析點的功耗。2. 交流分析：用于顯示節(jié)點電壓和支路電流的實部、虛部和相位。vi(node)表示節(jié)點電壓的虛部，ip(node)表示節(jié)點電流的相位，vp(4,6)表示節(jié)點4，6間的相位角。3. 器件模版：用于顯示制定的器件節(jié)點的電壓、支路電流和器件參數(shù)。lv16(m3)表示MOS管m3的漏電流，其他表示方式見手冊。4. MEASURE語句：用于顯示用戶自定義的變量。可以采用的句法包括：raise,fall,delay,average,RMS,min,max,p-p等。5. 參數(shù)

14、語句：用于顯示用戶自定義的節(jié)點電壓等表達式。語法格式：.print tran out_var_name=PAR(expression)（2）還可以采用AvanWave進行波形輸出，啟動AvanWave的命令為：awaves &（3）子電路：1. 采用.GLOBAL設(shè)置全局節(jié)點：.GLOBAL node1 node2 node32. 子電路語句.SUBCKT和.MACRO：.SUBCKT subnam n1 n2 n3 parnam=val.MACRO subnam n1 n2 n3 parnam=val子電路的調(diào)用：Xyyy n1 n2 n3 sunnam parnam=val M=val五、

15、控制語句和option語句1.OPTION語句：.options語句格式：.options opt1 opt2 opt3 opt=x一般在每個仿真文件中設(shè)置options為.options acct list post，也可以設(shè)置為.options node opts，其中.option list表示將器件網(wǎng)表、節(jié)點連接方式等輸入到列表文件，用于debug與電路拓撲結(jié)構(gòu)有關(guān)的問題，.option node表示將輸出節(jié)點連接表到列表文件，用于debug與由于電路拓撲結(jié)構(gòu)引起的不收斂問題，.option acct表示在列表文件中輸出運行時間統(tǒng)計和仿真效率，.option opts在列表文件中報告所

16、有的.option設(shè)置，.option nomod表示不輸出MODEL參數(shù)，以便減小列表文件的大小，.option brief=1表示不輸出網(wǎng)表信息，直到設(shè)置.option brief=0，.protect/.unprotect用于屏蔽網(wǎng)表文件中要保護的信息，.option bypass=1不計算latent器件，.option autostop表示當(dāng)所有.measure語句完成時，終止仿真，.option accurate=1表示設(shè)置為最精確的仿真算法和容差，tstep表示仿真步長值，delmax表示最大允許時間步長，其中delmax=tstep*max，.option dvdt=4用于數(shù)字

17、CMOS電路仿真（默認設(shè)置），.option dcca=1在直流掃描時強行計算隨電壓變化的電容，.option captab對二極管、BJT管、MOS、JFET、無源電容器，打印出信號的節(jié)點電容值，.option dcstep=val將直流模型和器件轉(zhuǎn)換為電導(dǎo)，主要應(yīng)用于“No DC Path to Ground”或有直流通路，但不符合Hspice定義的情況。2.MODEL OPTION語句：SCALE影響器件參數(shù)，如：L、W、area，SCALM影響model參數(shù)，如：tox、vto、tnom。六、仿真控制和收斂Hspice仿真過程采用Newton-Raphson算法通過迭代解矩陣方程，使節(jié)

18、點電壓和支路電流滿足Kirchoff定律。迭代算法計算不成功的節(jié)點，主要是因為計算時超過了Hspice限制的每種仿真迭代的總次數(shù)從而超過了迭代的限制，或是時間步長值小于Hspice允許的最小值。(1) 造成Hspice仿真不收斂主要有“No Convergence in DC Solution”和“Timestep too Small”，其可能的原因是：1.電路的拓撲結(jié)構(gòu)：電路拓撲結(jié)構(gòu)造成仿真不收斂主要有：電路連線錯誤，scale、scalm和param語句錯誤，其他錯誤可以通過查找列表文件中的warning和errors發(fā)現(xiàn)。解決的方法是：將電路分成不同的小模塊，分別進行仿真；簡化輸入源；調(diào)

19、整二極管的寄生電阻；調(diào)整錯誤容差，重新設(shè)置RELV，ABSV，RELI，ABSI，RELMOS，ABSMOS等。2.仿真模型：由于所有的半導(dǎo)體器件模型都可能包含電感為零的區(qū)域，因此可能引起迭代的不收斂。解決的方法是：在PN結(jié)或MOS的漏與源之間跨接一個小電阻；將.option中默認的GMINDC、GMIN增大。3.仿真器的options設(shè)置：仿真錯誤容差決定了仿真的精度和速度，要了解你所能接受的容差是多少。解決的方法是：調(diào)整錯誤容差，重新設(shè)置RELV，ABSV，RELI，ABSI，RELMOS，ABSMOS等。(2) 針對仿真分析中可能出現(xiàn)的不收斂情況進行分析：1.直流工作點分析：每種分析方式

20、都以直流操作點分析開始，由于Hspice有很少的關(guān)于偏置點的信息，所以進行DC OP分析是很困難的，分析結(jié)果將輸出到.ic文件中。對DC OP分析不收斂的情況，解決方法是：刪除.option語句中除acct，list，node，post之外的所有設(shè)置，采用默認設(shè)置，查找.lis文件中關(guān)于不收斂的原因；使用.nodeset和.ic語句自行設(shè)置部分工作點的偏置；DC OP不收斂還有可能是由于model引起的，如在亞閾值區(qū)模型出現(xiàn)電導(dǎo)為負的情況。2.直流掃描分析：在開始直流掃描分析之前，Hspice先做DC OP計算，引起直流掃描分析不收斂的原因可能是快速的電壓或電流變化，模型的不連續(xù)。解決的方法是

21、：對于電壓或電流變化太快，通過增加ITL2來保證收斂，.option ITL2是在直流掃描分析中在每一步允許迭代的次數(shù)，通過增加迭代次數(shù)，可以在電壓或電流變化很快的點收斂。對于模型的不收斂，主要是由于MOS管線性區(qū)和飽和區(qū)之間的不連續(xù)，Newton-Raphson算法再不連續(xù)點處進行迭點計算產(chǎn)生震蕩，可以通過增減仿真步長值或改變仿真初始值來保證收斂，如：.dc vin 0v 5v 0.1v的直流分析不收斂，可以改為.dc vin 0v 5v 0.2v增大步長值，.dc vin 0.01v 5.01v 0.1v改變仿真的范圍。3.AC頻率分析：由于AC掃描是進行頻率分析，一旦有了DC OP，AC

22、分析一般都會收斂，造成不收斂的原因主要是DC OP分析不收斂，解決的方法可以參看前面關(guān)于DC OP的分析。4.瞬態(tài)分析：瞬態(tài)分析先進行直流工作點的計算，將計算結(jié)果作為瞬態(tài)分析在T0時刻的初始值，再通過Newton-Raphson算法進行迭代計算，在迭代計算過程中時間步長值是動態(tài)變化的，.tran tstep中的步長值并不是仿真的步長值，只是打印輸出仿真結(jié)果的時間間隔的值，可以通過調(diào)整.options lvltim imax imin來調(diào)整步長值。瞬態(tài)分析不收斂主要是由于快速的電壓變化和模型的不連續(xù)，對于快速的電壓變化可以通過改變分析的步長值來保證收斂。對模型的不連續(xù)，可以通過設(shè)置CAPOP和A

23、CM電容，對于給定的直流模型一般選擇CAPOP=4，ACM=3，對于level 49，ACM=0。對瞬態(tài)分析，默認采用Trapezoidal算法，精度比較高，但容易產(chǎn)生寄生振蕩，采用GEAR算法作為濾波器可以濾去由于算法產(chǎn)生的振蕩，具有更高的穩(wěn)定性。七、輸入語句對于.param語句，.param PARHIER=GLOBAL是默認的，使得參數(shù)可以按照Top-Down變化，.param PARHIER=LOCAL，可以是參數(shù)只在局部有效。對于.measure語句，可以采用的模式有rise，fall，delay，average，rms，min，peak-to-peak，F(xiàn)ind-When，微分和積

24、分等。對Find-When語句，.measure result find val when out_val=val ，對微分和積分語句，.measure result val 。對于.ALTER語句，可以通過改變.ALTER來改變使用不同的庫，其中.ALTER語句可以包含element語句、.data、.lib、.del lib、.include、.model、.nodeset、.ic、.op、.options、.param、.temp、.tf、.dc、.ac語句，不能包含.print、.plot、.graph或其他I/O語句，同時應(yīng)該避免在.ALTER中增加分析語句。八、統(tǒng)計分析仿真主要是對

25、器件和模型進行Monte Carlo分析，隨機數(shù)的產(chǎn)生主要依賴Gaussian、Uniform、Limit分析，通過.param設(shè)置分布類型，將dc、ac、tran設(shè)置為Monte Carlo分析，用.measure輸出分析結(jié)果，如：.param tox=agauss(200,10,1).tran 20p 1n sweep MONTE=20.model tox=tox 其中，對Gaussian分析.param ver=gauss(nom_val,rel_variation,sigma,mult)，.param ver=agauss(nom_val,abs_variation,sigma,mul

26、t)，對Uniform分析，.param ver=unif(nom_val,rel_variation,mult)，.param ver=aunif(nom_val,abs_variation,mult)，對Limit分析，.param ver=limit(nom_val,abs_variation)，如果你拼錯Gauss或Uniform、Limit，不會產(chǎn)生警告，但不將產(chǎn)生分布。 PSPICE簡介PSPICE是較早出現(xiàn)的EDA軟件之一，1985年就由MICROSIM公司推出，在電路仿真方面，它的功能可以說是最為強大，在國內(nèi)被普遍使用，現(xiàn)在使用較多的是PSPICE6.2，工作于WINDOWS環(huán)

27、境，占用硬盤空間20多M，整個軟件由原理圖編輯、電路仿真、激勵編輯、元器件庫編輯、波形圖等幾個部分組成，使用時是一個整體，但各個部分各有各的窗口。PSPICE發(fā)展至今，已被并入ORCAD，成為ORCADPSPICE，但PSPICE仍然單獨銷售和使用，新推出的版本為PSPICE9.1，工作于WINDOWS9598NT平臺上，要求是奔騰以上CPU、32M內(nèi)存、50M以上剩余硬盤空間、800X600以上顯示分辨率，是功能強大的模擬電路和數(shù)字電路混合仿真EDA軟件，它可以進行各種各樣的電路仿真、激勵建立、溫度與噪聲分析、模擬控制、波形輸出、數(shù)據(jù)輸出、并在同一個窗口內(nèi)同時顯示模擬與數(shù)字的仿真結(jié)果，無論對

28、哪種器件哪些電路進行仿真，包括IGBT、脈寬調(diào)制電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換等，都可以得到精確的仿真結(jié)果，對于庫中沒有的元器件模塊，還可以自己編輯。它在INTERNET上的網(wǎng)址與ORCAD公司一樣。 PSPICE程序簡介 PSPICE是由SPICE發(fā)展而來的用于微機系列的通用電路分析程序。SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)是由美國加州大學(xué)伯克莉分校于1972年開發(fā)的電路仿真程序。隨后，版本不斷更新，功能不斷增強和完善。1988年SPICE被定為美國國家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。目前微機上廣泛使用的PSPICE是由美國MicroSim

29、公司開發(fā)并于1984年1月首次推出的。SPICE有工業(yè)版（Production version）和教學(xué)版(Evaluation version）之分，本書介紹1986年8月推出的PSPICE6.3版本（MicroSim Evaluation Version 6.3，即教學(xué)版，有時也稱為學(xué)生版）。它能進行模擬電路分析、數(shù)字電路分析和模擬數(shù)字混合電路分析。 PSPICE6.3可以對眾多元器件構(gòu)成的電路進行仿真分析，這些元器件以符號、模型和封裝三種形式分別存放在擴展名為slb、lib和plb三種類型的庫文件中。*.slb庫中的元器件符號用于繪制電路圖；*.lib庫中的元器件模型用于電路仿真分析；*.

30、plb庫中的元器件封裝形式用于繪制印刷電路板的版圖。在電路仿真分析中只用到前兩個庫。1.1 PSPICE6.3運行環(huán)境 硬件環(huán)境：486以上的IBMPC機或兼容機，8M以上內(nèi)存，最好有80M以上硬盤空間（PSPICE6.3完全安裝將占用63M左右的空間），標(biāo)準(zhǔn)鍵盤及VGA以上顯示適配器，鼠標(biāo)，CD-ROM驅(qū)動器（用于安裝PSPICE）。 軟件環(huán)境：Windows3.X、Windows95或WindowsNT3.51以上。 1.2 PSPICE功能簡介 PSPICE6.3可執(zhí)行的主要分析功能如下： 1. 直流分析： 包括電路的靜態(tài)工作點分析；直流小信號傳遞函數(shù)值分析；直流掃描分析；直流小信號靈敏

31、度分析。在進行靜態(tài)工作點分析時，電路中的電感全部短路，電容全部開路，分析結(jié)果包括電路每一節(jié)點的電壓值和在此工作點下的有源器件模型參數(shù)值。這些結(jié)果以文本文件方式輸出。 直流小信號傳遞函數(shù)值是電路在直流小信號下的輸出變量與輸入變量的比值，輸入電阻和輸出電阻也作為直流解析的一部分被計算出來。進行此項分析時電路中不能有隔直電容。分析結(jié)果以文本方式輸出。 直流掃描分析可作出各種直流轉(zhuǎn)移特性曲線。輸出變量可以是某節(jié)點電壓或某節(jié)點電流，輸入變量可以是獨立電壓源、獨立電流源、溫度、元器件模型參數(shù)和通用（Global）參數(shù)（在電路中用戶可以自定義的參數(shù)）。 直流小信號靈敏度分析是分析電路各元器件參數(shù)變化時，對電

32、路特性的影響程度。靈敏度分析結(jié)果以歸一化的靈敏度值和相對靈敏度形式給出，并以文本方式輸出。 2. 交流小信號分析： 包括頻率響應(yīng)分析和噪聲分析。PSPICE進行交流分析前，先計算電路的靜態(tài)工作點，決定電路中所有非線性器件的交流小信號模型參數(shù)，然后在用戶所指定的頻率范圍內(nèi)對電路進行仿真分析。 頻率響應(yīng)分析能夠分析傳遞函數(shù)的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)，亦即，可以得到電壓增益、電流增益、互阻增益、互導(dǎo)增益、輸入阻抗、輸出阻抗的頻率響應(yīng)。分析結(jié)果均以曲線方式輸出。 PSPICE用于噪聲分析時，可計算出每個頻率點上的輸出噪聲電平以及等效的輸入噪聲電平。噪聲電平都以噪聲帶寬的平方根進行歸一化。它們的單位是V/Hz1/2。 3. 瞬態(tài)分析： 即時域分析，包括電路對不同信號的瞬態(tài)響應(yīng)，時域波形經(jīng)過快速傅里葉變換（FFT）后，可得到頻譜圖。通過瞬態(tài)分析，也可以得到數(shù)字電路時序波形。 另外，PSPICE可以對電路的輸出進行傅里葉分析，得到時域響應(yīng)的傅里葉分量（直流分量、各次諧波分量、非線性諧波失真系數(shù)等）。