介紹CMOS集成電路設計仿真軟件的使用解讀

1、電路模擬實驗專題實驗文檔微電子中心王永生、簡介本實驗專題基于 SPICE (Simulation Program With Integrated Circuit)仿真模擬， 講授電路模擬的方法和spice仿真工具的使用。SPICE仿真器有很多版本.比如商用的PSPICE、HSPICE、SPECTRE. ELDO,免費版 本的WinSPICE, Spice OPUS等等，其中HSPICE和SPECTRE功能更為強大，在集成電路 設計中使用得更為廣泛。因此本實驗專題以HSPICE和SPECTRE作為主要的仿貞工具，進 行電路模擬方法和技巧的訓練。參加本實驗專題的人員應具備集成電路設計基礎、器件模型

2、等相關知識。二、Spice基本知識(2)無論哪種spice仿真器，使用的spice語法或語句是一致的或相似的，差別只是在于形 式上的不同而已，基本的原理和框架是一致的。因此這里簡單介紹一下spice的基本框架， 詳細的spice語法可參照相關的spice教材或相應仿真器的說明文檔。首先看一個簡單的例子，采用spice模擬MOS管的輸出特性，對一個NMOS管進行輸 入輸出特性直流掃描。Vgs從2變化到3V,步長為0.5V： Vds從0V變化到5V,步長為 0.2V；輸出以Vgs為參量、Id與Yds之間關系波形圖。*Output Characteristics for NMOSMl 2 100MN

3、MOSw=5u 1=1.OnVGS 1 0 1.0YDS 205P.dcvdsO5.2Vgs 1 3 0.5.plot de -I(vds).probe*model.MODEL 1SINMOS NMOS X7TO=0.7 KP=110U+LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7.end描述的仿真電路如下圖,圖2-1 MOS管輸入輸入特性仿真電路圖得到的仿真波形圖如下圖。mA-vdsbranehsvccpV從這個簡單的spice程序中可以知道spice電路描述的主要組成部分。（1）標題和電路結朿語句在輸入的電路描述語句中輸入的第一條語句必須是標題語句，最后一條必須是結束語 句。

4、在本例中，標題*Output Characteristics for NMOS.end-結束語句（2）電路描述語句電路描述語句描述電路的組成和連接關系，包括元器件、激勵源、器件模型等描述，另 外，如果電路是層次化的，即包含子電路，電路描述部分還包括子電路描述（.subckDo 在描述元器件時，要根據(jù)類型，采用不同的關鍵字作為元件名的第一個字母，元器 件關鍵字見下表。如本例中，NMOS管的描述為：Ml 2 1 0 0INMOSw=5ul=1.0u表示的意思為：元器件關鍵字x D G S B模型名dm y=xx其中D：漏結點：G：柵結點：S：源結點：B：襯底結點。器件模型描述電路中所使用的器件的s

5、pice模型參數(shù)，語句為.model如在本例中, .MODEL bINMOS NMOS VTO=0.7 KP=110U+LAMBDA=0.04 GA2MA=0.4 PHI=0.7其中MNMOS為模型名，以便在元器件調(diào)用時使用，NMOS為模型的關鍵字。元器件類型元器件關鍵字電阻R電容C電感L二極管DNPN或PNP雙極型晶體管QN溝或P溝結型場效應晶體管JN型或P型MOS場效應晶體管MGaAs場效應晶體管B電壓控制開關S電流控制開關W互感K激勵源說明供激勵用的獨立源和受控源，比如：V:獨立電圧源：I:獨立電流源: E:電壓控制電壓源：F:電流控制電流源；G:電壓控制電流源；H:電流控制電壓源,（3

6、）分析類型描述語句分析類型描述語句說明對電路進行何種分析。比如，直流工作點（.op）,直流掃描 分析（.de）,交流分析（.ac）,噪聲分析（.noise）,瞬態(tài)分析（.tran）等等。（4）控制選項描述語句控制選項用于描述spice仿真時的相關控制選項，一般在.option內(nèi)進行設巻，另外 還有打印及輸出控制選項（.print、.plot、.probe）等等現(xiàn)將整個spice程序例子標注如下：*Output Characteristics for NMOSMl 2 100 INMOS w=5u 1=1.OuVGS 1 0 1.0YDS 205標題-元器件描述（模型名為MNMOS的場效應MOS

7、管 漏結點2、柵結點1、源結點0、襯底結點0, 柵寬5um,柵長lum）一激勵源描述（連接在1和0結點之間的1V獨立電壓源）-激勵源描述（連接在1和0結點之間的5 V獨立電壓源）pdcvdsO5.2Vgs 1 3 0.5.plot de -I(vds).probe*model.MODEL 1SINMOS NMOS VTO=0.7 ICP=110U+LAMBDA=0.04 GAM5IA=0.4 PHI=0.7.end一分析類型描述，直流工作點分析 一分析類型描述，直流掃描分析 (Vgs從IV變化到3V,步長為0.5V； Vi)s從0V變化到5V,步長為0.2V)一控制選項描述.打印聲明-控制選項

8、描述，打印輸出-器件模型描述，定義模型名為MNMOS 的NMOS類型的模型一結束語句三、Hspice電路仿真(1+3)HSPICE的輸入網(wǎng)表文件通常為sp文件，輸出文件有運行狀態(tài)文件.stO、輸岀列表文 件.lis、瞬態(tài)分析文件血、直流分析文件.sw、交流分析文件.ac等，輸岀文件有運行狀態(tài)文件.stO 和輸岀列表文件lis在每次hspice運行后均有出現(xiàn)，英他的輸岀文件視spice程序中選擇的 分析類型而出現(xiàn)，并且可以在波形顯示工具中顯示，如Avanwavcs、cosmos scope等。輸入spice網(wǎng)表(程序)文件和庫輸入文件能夠由一個線路網(wǎng)表轉(zhuǎn)換器或用一個文本編 輯器產(chǎn)生。I寫輸入網(wǎng)表

9、文件的規(guī)則輸入網(wǎng)表文件的第一個語句必須是標題行，最后一個語句必須是.END語句，它們之間 的語句次序是隨意的，除非是續(xù)行(行首有+ ”的行)必須接在要接下去的行后而。注釋 行以*打頭，可加在文件中的任何地方。輸入文件的編輯HSPICE采用自由格式輸入。語句中的域由一個或多個空格，一個Tab, 個逗號，一個 等號或一個左/右圓括號分開。除UNIX系統(tǒng)中的文件冬外，不予區(qū)分大寫或小寫字母。每行語句長度限于80個字符以下。個語句如在一行寫不下，可以用續(xù)號繼續(xù)下去。續(xù)行以“ + ”作為第一個非數(shù)值、非空 格字符。輸入網(wǎng)表文件不能被“打包”，也不能被壓縮。輸入網(wǎng)表文件中不要采用特殊的控制字符。1 Inv

10、ocationRun scriptLiconsingSimulation configured onDesign inputLibrary in putOperating point Imtializatio nMultipoint analysisg. Single poim 自 na lysisWorst ease .ALTERClean up圖3-1 Hspice的模擬流程K工具的使用Hspice可以采用命令行或圖形界而的方式執(zhí)行，命令行的方式如下,hspice 輸入文件不生成lis文件，lis文件的內(nèi)容打印到屏幕上。hspice -i 輸入文件 -o 輸出文件名 生成以輸出文件名命名的

11、lis文件。相對方便的方式是釆用圖形界而的方式，如下UIP hspui 15924File Configuration Tool HelpDesignTitleListingVersion|d:edatoolssynopsyshspice z-2007.03demohspicebenchdemo.sp pile power sp test of the power supplies* This post can not be removed 1r |d:edatools5ynopsy$hspice z-2007 03demohspicebenchd(jmo lisfadOpenEdit LLE

12、ditNLEdit SLExploreExitCrWhats new?嚴SimulateCompileVAAvan wavesC scopeMulti-jobs Met aenc rypVER:Z-2007.03圖3-2 hspicc仿真圖形界而 按Simulate執(zhí)行仿真，之后，采用Avanwaves或Cscopc來顯示波形，分別如下,RiitulK BfCKvf訂012【冷伽ItCloieW：tr$：vO3CceSsnilDOi D i;3svvj/j ； aOxrwi T-ixls nn-9(1S)g幺5ZGThe (tin) IT1KI1Confi9iif4ion Tool tUip曰

13、9凋8仔 |dOJWoVHp“bgc*doo p-TLT4 pO(l C4A fK4 boI WI*J |d機OH4ooMpcobMCdoo 7WecrWpcii_2 2107.的創(chuàng)隔分5 *趺 Me Wr/r.5 2-2W7 l)(2007fl? aE2. 3瞬態(tài)仿真圖中電路的瞬態(tài)仿真spice程序如下 * TRAN analysis for APMl 2 100MOSNl=1.0uM2 2 3 4 4 MOSP w=5u 1=1.OuM3 3 3 4 4 MOSP w=5u 1=1.OuR1 3 0 100K*CL 2 0 5pVdd 4 0 DC 5.0Viii 1 0 DC 1.07

14、siii(2 2 lOOKHz) P.tian .lu lOu*.plot tianV(2) V(l).probe.option list node post*model.MODEL MOSN NMOS VTO=0.7 KP=110U+LAMBDA=0.04 GAM5IA=0.4 PHI=0.7.MODEL MOSP PMOS VTO 二0.7 KP=50U+LAMBDA=0.05 GAXMA=0.57 PHI=0.8.end大信號瞬態(tài)仿貞結果:GyphOt(s)改為小信號時，注意偏置值的選取。Viii 1 0 DC 1.07 siii(1.07 0.0001 lOOKHz)GraphOt(s

15、)通過瞬態(tài)仿真，可見小信號增益為50倍，約為34dB,和AC仿真結果進行對照，看以發(fā)現(xiàn) 結果是一致的。同樣，相位的結果也是一致的。2.4練習采用本實驗提供的某工藝的BSIM模型文獻(mixO25_l.l)對上述電路的上述分析分別 重新進行仿真，并總結出仿真結果。提示：模型文件可以采用.lib在仿真文件里進行引用。注意：由于更換的模型參數(shù)，即更換了工藝，I天1此電路的性能參數(shù)發(fā)生了變化，特別要 注意的是輸入偏置的設置。、Spectre電路仿真(1+3)Cadence公司的Spectre仿真器的實質(zhì)和HSPICE等spice仿真軟件是一樣的，但由于集 成了 cadcncc的ADE仿頁集成環(huán)境，可以

16、在圖形界而下操作，使用更為方便和直觀一些， 比如，不用寫spice的網(wǎng)表程序，可以在schematic view中繪制電路圖。這里仍以圖3-5的電路作為例子，講解工具的使用和基本電路分析的方法。1、工具的使用1. 1編輯電路圖(schematic)啟動cadence的設汁環(huán)境平臺，在命令行提示符($)下執(zhí)行,$ icfb &首先建立一個設計庫,tools - library manager, File - New - Library,9 icfb Logme rootsLovUuig auC LovxUjiq- sch loading- sei loading- sei itw or vsxn

17、IkOUftfi Lr在 Name 內(nèi)添上 labL ok 后，選擇 Dont need a techfilet 然后 ok。姬咖!晦BE 翼HelpCancelTechnology File for library lablHIf you will be creatjng mask layout or other physicaJ data in this library, you will need a technology filR IT you plan to use only schematic or HDL data, a technology file is not requir

18、edYou can: 、Compile a new techfile、Attach to an existing techfile Dont need a techfile這樣就建立了一個設計庫。這里之所以不選擇編譯techfile.是因為我們只進行電路的設計 和仿真，如果還有設計電路的版圖，則根據(jù)選擇的工藝廠家的techfile來進行編譯。然后，在設汁庫里建立一個schemtic view,在Library Manager菜單Ncw cell view,填入ampl, view name選schematic,然后ok,則會出現(xiàn)電路圖的編輯界而。插入元器件，選擇analogLib中的nmos4

19、、pmos4、res、cap等器件。roo34syibol8如ntlineJ3n8強戶2MportauCdlaMLLibA2portauLvsWQlogLibn3portcdoSpioeboneiylpor tJhspweDcdsDefT-chLibnbsinhspxceSfcnctaonalribsiM3pectcel,4口 m.4ayrbol形成如下電路圖,然后check and save如下圖。Q Virtuoso Schematic Edilinu: labl ampl schemdUc.Sel:0Status: ReadyT=27 C Simulator: sfjectn 10Too

20、l, Design Window Edil Add Check Sheet Options MgratpHelpmouae L ochSingleSoloctPt()fl: schHiKousoPopUp ()R echZoonFit(1.0 0. 9)nR!r=卜而做這個放大器的 symbol, Design-Create Cellview - From Cell view,在彈出的界面, 按ok后出現(xiàn)symbol Generation options,選擇端口排放順序和外觀，然后按ok出現(xiàn)symbol 編輯界而。按照需要編借成想要的符號外觀，如下圖匚保存退岀。/mpDesert Wntio

21、w EdH fM Oiec* Optuxise下而建立仿真的電路圖cut_amplo方法和前面的“建立schemtic view的方法一樣， 但在調(diào)用單元時除了調(diào)用analogLib庫中的電壓源、（正弦）信號源等之外，將此放大器（labl 中的ampl ）調(diào)用到電路圖中，如下圖。Tools Design Window Edit Add Check Shset Options MigrateHelp下圖是添加輸入激勵源的設宜匚在 schematic 編輯界而，選擇 Tools- Analog Environments 出現(xiàn) Virtuoso Analog DesignEnvironment (A

22、DE),如下圖在ADE中，設置仿真器、仿真數(shù)據(jù)存放路徑和工藝庫，具體地， setup-Simulator/Directory/Host.中選擇 simulator 為 spectre , project Directory 改 為./simulationa Sctup-Model Libraries 中 Model Library File 找到 sm046005-lj.scs 文件填入， section部分填typical,如下圖,按add,然后ok。Variables-copy from cellview,則電路中的變雖:出現(xiàn)在 ADE 中 Design Variable 一欄中, 如下圖

23、，至此工具的初步使用已經(jīng)進行了簡單的介紹，下而結合具體的基本電路仿真進行介紹。2.基本電路分析2. 1直流仿真結合上面例子，首先設計仿真電路中的變Mi vpower=3, vbias=L va=2, f0=100Ko然 后選擇 Analyses-choose,在 analysis 一欄中選 de,在 DC Analysis 中選中 Save DC operating Point；在 sweep Variable 中選中 Design Variable variable Name 填 vbias,在 sweep Range start 選0, stop選3,然后ok*Choosing Analy

24、ses - Wriuoso Analog Drslqn EnWronmw然后，simulation-Netlist and Run,運行仿真。再后觀察仿真波形，這里有兩種波形查看工具，一種是WaveScan, 一種是AWD。在 session-options中進行設置。這里選擇AWD。在tools中選擇calculator。如下圖，店主vs按鈕，在schematic中選擇需要輸岀波形的節(jié)點，如out,然后按plot,得到如下波 形，vbiasA:(772e488m 2.S68&2)delta: (l3lJ68m -2,7679&)氏 03656m 10064m)slope:二2026可見輸入偏

25、置在772.5mv903.7mv的范圍內(nèi)存在一個髙增益區(qū)，因此輸入偏巻應設宜在這 個區(qū)域內(nèi)，改vias從lv到0.86vo由于在做直流仿真時也選擇了 Save DC operating Point,因此可以查看電路的工作點， 在calculator中按vdc,同時選中Evaluate buffer,比如査看out的電壓工作點。也可以查看 器件的工作狀態(tài)，按op,然后在電路中選擇需要查看的器件，如I0/M1的山。2. 2交流仿真后選擇Analyscschoosc,在analysis 一欄中選ac,注意此時vbias已經(jīng)選擇到了 0.82v Sweep Variable 選 Frequency,

26、Sweep Range 選 1 100卜1,按 ok。Choosing Analyses - Virtuoso Analog Design EnSroWOK Cancel Defaults:ApplyHelpAnalysisxtranyzdc acv noisex/Xfxsensv dcmatchX/Stt)X/PZSPV envlp“ssx/pacv pnoiseX/PXfx/qpssx/qpacx/ qpnoiseSPMXZNetlist and Run,運行仿真。仿真運行結束后,仍可以采用calculator打印 結果。這里采用另外一種方法，在ResultsDirect Plot選中AC

27、 Magnitude & Phase,然后在 schematic view中點中out,則AC的結果打印如下圖。Ichoose,在 analysis 一欄中選 tran,Choosing Analy5Q - Virtuoso Arulog Design Environm 口Analysis * trail7 noisesfsensdcmatchxZsW/PZ/spv envlpSss“ac7 pnoise“xfvPsPx/qpss qpacoisevqpspCancel Defaults Apply |Transient AnalysisStop TimeOptions.Accuracy De

28、faults (errpreset) conservative moderate liberal| Enabled 大信號IV時,0.0, 5.0u10utime ( s )小信號0.1 mV時,time ( s )2.4練習修改偏置電流，即修改R0,對上述電路的上述分析分別重新進行仿貞，并總結出仿真 結果。注意：由于改變了偏置條件，因此電路的性能參數(shù)發(fā)生了變化，特別要注意的是輸入偏 置的設置。五、實例：放大器的仿真及分析(2+6)下面以一個放大器作為實例討論一些電路設il分析方法。比較器采用單級運放后加一反相器構成，如圖4所示。其中Ibias為自偏置電路如圖5A 所示(注：自偏置電路原理見R

29、azavi書310頁，實際工作時要加上啟動電路，解釋啟動電 路的原理。)，comp_amp為一級運放如圖5B所示，inv為反向器。1=3 r=1u圖5A自偏置電路圖5B運算放大器電路運算放大器為雙端輸入單端輸出的結構，可以在滿足輸入和輸出擺幅的情況下實現(xiàn)一左的電壓增益（考慮英值是多少時滿足性能要求）。首先確左所采用管子的寬度（所 有晶體管的溝道長度不必為同一值），手工設訃：根據(jù)擬左的設計指標，確左滿足指標 的運算放大器各元件的尺寸和所需要的偏宜電流的大?。赡苄枰?；設計偏置電路：采用自偏置電流源技術a）選左電路結構；b）手工設計：確定各元件的尺寸：c）Spectre仿真（采用TT Cor

30、ner模型），驗證電流源的性能；將偏宜電路和運算放大器電路合在一起仿真（采用TT Corner模型，27）,確左運 放的最終性能參數(shù)：a）開環(huán)增益的幅頻和相頻響應：b）CMRR的頻率響應：c）PSRR的頻率響應；d）共模輸入范圍；e）輸岀電壓擺幅；0 壓擺率：g）建立時間：h）噪聲；i）功耗；采用SS Corner模型，3仿真溫度，重新仿真以上參數(shù)。 采用FFCorner模型，80。仿真溫度，重新仿真以上參數(shù)。圖6所示的仿真電路可仿真放大器的交流特性和瞬態(tài)特性。采用閉環(huán)電路仿開環(huán)的方 法，通過R0形成負反饋通路從而確左輸出共模電平（此時的共模電平實際是VI的直流值）, 并穩(wěn)左宜流偏苣。在這個電

31、路中選擇RC時間常數(shù)的倒數(shù)與Av的乘積小于運放預期的主極 點是必須的，即選擇大電阻和大電容值（本實驗選擇1G歐姆電阻和lmf電容，具體見alien 的運算放大器仿真）。由于反饋電阻的大阻值，輸入的共模會自動調(diào)整到和輸入VI相等。vddV1comp.ut. at圖6 AC特性仿真圖中輸入為正弦波形對其進行相應設置來滿足功能，主要包括直流電壓值提供輸入端的 直流偏置、交流AC幅值和相位（通常為IV,相位默認為0）、瞬態(tài)電壓幅值頻率和相位值。 具體設置如下圖所示：CancelApplyDefaultsPreviousNext)AddDelete需6 User Property I vs Ignore

32、Master ValueTRUEModifyLocal ValueDisplayvaluevin V vin V 10m VIK HzDisplayCDF ParameterAC magnitudeAC phaseDC voltageOffset voltage/AmplitudeFrequencyDelay timeDamping factor同理設置電阻電容值和直流電源值（直流電壓），后在菜單欄tools-Analog Environment 調(diào)用仿真工具進行電路仿頁。選取仿貞工具，添加模型文件并進行仿真設程，下而主要介紹 一下仿貞的設宜，包括交流瞬態(tài)（nu】、交流也、直流de、噪聲noi

33、se,具體如下所示：l choosing Analyses Virtuoso Analog Design Envirorl choosing anedyses 一 Virtuoso Analog Design Enwiroi Choosing州帖”恣-Analog Dedgn Enviroru| 一 Choosing Analy憑s WrtuosW Analog Design EnvironrrCancelDefaultsOKCancel DefaultsAnalysistranvdc acnoisexfsensdcmatchstbF曲呷pss、閆cpnoise、網(wǎng)qpnoiseqpxfqps

34、pSweep VariableNoise AnalysisAC AnalysisSv/eep Variable FrequencyDesign VariableTemperatureComponent ParameterModel Parameter FrequencyDesign VariableTemperature Component Parameter Model ParameterSweep Range Stt-StopCenter-SpanSweep Typesweep Range Start-StopCenter-SpanStart1stop106.Sweep Type Poii

35、ite Per Dec: vin=*1.8 * vin=,1.7 vin=M1.&瞬態(tài)結果如下（瞬態(tài)電壓幅值為50mV,頻率為IK）, 達到0,且與輸入的直流電平有關，在不同的直流輸入下, 這些影響并解釋原因。噪聲分析主要包括閃爍噪聲和熱燥聲，英輸入等效噪聲如下:Noigg Reepodeq(MHrbpA)圖7輸入共模范吊I仿真無論運放的開環(huán)還是閉環(huán)模式都可以泄義輸入輸岀共模范圍，因為運放常工作在閉環(huán)狀 態(tài)，這種測量使輸入輸出CMR更敏感。單位增益結構對于測量和仿真輸入CMR是有用的, 如圖7所示為運算放大器的輸入CMR仿真。其中對輸入vl從0到VDD進行參數(shù)掃描，觀 測輸出結構，傳輸曲線的線性部分對應于輸入共模電壓范圍的斜率是1。仿真設豊和結果如 下：1 choosing Analyses virtuoso Analog Design EnvlronrOK Cancel Defaults AfiplyHelpAnalysisO trail de acnoisexfsensdcmatchstbpzJSPenvlp一卩ssJpacpnoiscpxfJPSPqpssqpacqpnoiscqpxfqpspDC AnalysisSave DC Operating PointSweep