第六章 集成電路設計技術與工具

第6章基于SPICE的集成電路仿真6.1電路仿真與SPICE6.2電路描述語句6.3電路特性分析和控制語句6.4基于SPICE核的工具軟件6.5集成電路SPICE仿真示例對設計電路的驗證傳統(tǒng)方法搭實驗裝置隨著集成度的提高，電路規(guī)模的擴大，已無法在實驗裝置上搭接這樣的電路即使搭接成功的話，也與實際的集成電路差別太大，失去其物理驗證的意義無法進行容差分析和極限條件的驗證對設計電路的驗證用電路模擬分析的方法在計算機上驗證計算機技術和計算方法的發(fā)展不需要任何實際的元器件和調試工具，可以很方便地改變各種條件進行模擬分析可以進行各種破壞性的模擬設計者可以在設計投入生產制造前就能預測電路的實際性能對設計電路的驗證最為著名和廣為采用的電路模擬程序－－SPICE（SimulationProgramwithICEmphasis）其第一版本于1972年由美國加利福尼亞大學伯克利分校電工和計算機科學系開發(fā)完成，常稱為BSPICEBSPICE是現代各種SPICE的前身，它的源代碼公開其版本不斷更新SPICE主要針對由元件、半導體器件、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、非線性電路、小信號傳輸函數等可以用于交流小信號分析如頻域分析、噪聲分析等還可用來進行瞬態(tài)分析、溫度特性分析等一個簡單的電路仿真的例子*ABJTAMP*標題行，不可少

VCC106*0為接地點，默認；電源為6vQ1230MQ*連接按照集電極、基極、發(fā)射極的順序和模型為MQRC12680*節(jié)點1與節(jié)點2之間為680歐姆的電阻RB2320KRL501KC14310UC22510UVI40AC1MODELMQNPNIS=1E-14*三極管的模型參數+BF=80RB=50VAF=100*模型參數寫不開，接著另一行寫，但在前面加+號.OP*分析類型，也叫做點命令作靜態(tài)工作點分析計算

.END*結束標志；不可缺少簡單的晶體管（BJT）放大電路SPICE輸入描述語句的構成

標題語句描述文件的第一行SPICE將第一行作為標題行打印而不作為電路的一部分進行分析這一行必須設置注釋語句一般形式是“*”后加字符串注釋語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位置，

SPICE輸入描述語句的構成電路的描述語句定義電路拓撲結構和元件類型及其數值，半導體器件，電路描述語句等可以出現在文件的第二行到末行結束語句之間的任何地方

電路特性分析和控制語句選擇要分析的電路特性，如頻率特性等，以及輸出的控制語句。

結束語句標志著電路描述語句的結束格式：.END。位于描述語句文件的最后一行

SPICE中元器件名稱的首字母首字母電路元器件首字母電路元器件B砷化鎵場效應管L電感C電容MMOS場效應晶體管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電壓控制開關G電壓控制電流源T傳輸線H電流控制電壓源V獨立電壓源I獨立電流源W電流控制開關J結型場效應晶體管X子電路K互感（耦合系數）輸入描述語句的規(guī)定

名稱

第一個字符必須是A到Z的某一個字符，其它位字符沒有限制，前8個字符有效(名稱長度)在描述元件時第一個字符必須是規(guī)定的元件類型字母節(jié)點編號

電路的節(jié)點編號一般采用正整數，可以不連續(xù)，也可以用字符串代替節(jié)點編號接地點必須規(guī)定為0節(jié)點輸入描述語句的規(guī)定元件參數值

元件參數值寫在與該元件相連的節(jié)點后面，其值可用整數、浮點數書寫，后面可跟比例因子和單位后綴比例因子后綴有：F＝1E-15；P=1E-12；N=1E-9；U=1E-6；MIL=25.4E-6；M=1E-3；K=1E3；MEG＝1E6；G＝lE9；T=1E12比例因子后綴與它前面的數相乘后即得到該語句所描述的元件的參數值輸入描述語句的規(guī)定元件參數值單位后綴有：V=伏；A＝安；HZ＝赫；OHM＝歐（）；H=亨；F=法；DEG=度元件值的第一個后綴總是比例因子后綴，然后是單位后綴如果沒有比例因子后綴，那么頭一個后綴就可能是單位后綴，SPICE總是忽略單位后綴沒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為伏、安、赫、亨、法和度輸入描述語句的規(guī)定分隔符

用以區(qū)分一行語句的不同部分空格、逗號、等號、左括號、右括號等都可以作為分隔符，多余的分隔符是無效的。續(xù)行號一般一行最多有80個字符，第二行的開始加上“＋”號，表示是第一行的繼續(xù)。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、開路的電流源和（或電容）元件描述語句電阻電阻描述語句的語句格式為：

RXXXXXXXN+N-<(MODEL)NAME>VALUE+<TC=TC1<,TC2>>例：RADJ1824KTC=0.0060.002電容和電感語句的格式：

CXXXXXXXN+N-<(MODEL)NAME>VALUE+<IC=INCOND>LXXXXXXXN+N-<(MODEL)NAME>VALUE+<IC=INCOND>元件描述語句互感（耦合系數）互感是先描述兩個電感，再描述這兩個電感的耦合強度而得的。語法格式為：

KXXXXXXXLYYYYYYYLZZZZZZZ…+VALUE無損耗傳輸線語法格式為：

TXXXXXXXN1N2N3N4Z0=VALUE+<TD=VALUE><F=FREQ<NL=NRMLEN>>+<IC=V1,I1,V2,I2>元件描述語句電壓控制開關語法格式為：

SXXXXXXXN+N-NC+NC- +<(MODEL)NAME)電流控制開關語法格式為：

WXXXXXXXN+N-VNAME<(MODEL)+NAME>半導體元器件描述語句

二極管語句格式為：

DXXXXXXXN+N-MNAME<AREA><OFF>+<IC=VD>例：

DBRIDGE210DIODE1雙極型晶體管語句格式為：

QXXXXXXXNCNBNE<NS>MNAME<AREA>+<OFF><IC=VBE,VCE>例：

Q23102413 QMOD1IC=0.6,5.0半導體元器件描述語句MOS場效應晶體管語句格式為：MXXXXXXXNDNGNSNBMNAME+<L=VAL><AD=VAL><AS=VAL>+<PD=VAL><PS=VAL><NRD=VAL>+<NRS=VAL><OFF><IC=VDS,VGS,VBS>結型場效應晶體管語句格式為：

JXXXXXXXNDNGNSMNAME<AREA>+<OFF><IC=VDS,VGS>半導體元器件描述語句半導體電阻器語句格式為：

RXXXXXXXN1N2<VALUE><MMAME>+<L=LENGTH><W＝WIDTH>例：RLOAD21010K半導體電容器語句格式為：

CXXXXXXXN1N2<VALUE><MNAME>+<L=LENGTH><W＝WIDTH><IC=VAL>例：CLOAD21010P電源描述語句V——獨立電壓源I——獨立電流源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——電壓控制電壓源獨立電壓源和獨立電流源直流源VXXXXXXXN+N-<DC>VALUEIXXXXXXXN+N-<DC>VALUE交流源VXXXXXXXN+N-AC<ACMAG（ACPHASE）>IXXXXXXXN+N-AC<ACMAG（ACPHASE）>瞬態(tài)脈沖源VXXXXXXXN+N-PULSE<V1V2TDTRTFPWPER>IXXXXXXXN+N-PULSE<I1I2TDTRTFPWPER>脈沖源參數參數意義缺省值單位V1(I1)起始值—V/AV2(I2)脈動值—V/ATD延遲時間0STR上升時間TSTEPSTF下降時間TSTEPSPW脈沖寬度TSTOPSPER周期TSTOPS各參數和波形圖之間的關系瞬態(tài)正弦源瞬態(tài)正弦源VXXXXXXXN+N-SIN(V0VAFTDALPHAPHASE)IXXXXXXXN+N-SIN(I0IAFTDALPHAPHASE)正弦源的值由下面式子決定：V(T)=VO+VA*SIN(2π*(FREQ*(T-TD)+PHASE/360))*EXP(-(T-TD)*ALPHA)I(T)=I0+IA*SIN(2π*(FREQ*(T-TD)+PHASE/360))*EXP(-(T-TD)*ALPHA)正弦源參數獨立電壓源和獨立電流源瞬態(tài)指數源VXXXXXXXN+N-EXP(V1V2TD1TAU1TD2TAU2)IXXXXXXXN+N-EXP(I1I2TD1TAU1TD2TAU2)分段線性源VXXXXXXXN+N-PWL(T1V1<T2V2T3V3T4V4…>)IXXXXXXXN+N-PWL(T1I1<T2I2T3I3T4I4…>)瞬態(tài)單調調頻源瞬態(tài)單調調頻源VXXXXXXXN+N-SEFM(V0VAFCMDIFS)IXXXXXXXN+N-SEFM(I0IAFCMDIFS)線性受控源電壓控制電壓源EXXXXXXXN+N-NC+NC-VALUE電壓控制電流源GXXXXXXXN+N-NC+NC-VALUE電流控制電壓源HXXXXXXXN+N-VNAMEVALUE電流控制電流源FXXXXXXXN+N-VNAMEVALUE模型、子電路和文件包含語句

模型描述語句

.MODELModelName

TypeName(PName1=Pvalue1,PName2=Pvalue2,…)子電路描述語句.SUBCKTSubName

NodeNames<CONTENTS>.ENDSSubName文件包含語句.INCLUDEFileName電路特性分析語句直流工作點分析計算電路的直流工作點。格式：.OP直流掃描分析定義對電路進行直流掃描的掃描源及掃描限制。格式：.DCSRCNAMVSTARTVSTOPVINCR<SRC2START2STOP2INCR2>小信號傳輸函數計算電路的直流小信號傳輸函數值、輸入阻抗和輸出阻抗。格式：.TFOUTVARINSRC電路特性分析語句直流或小信號交流靈敏度分析在電路的偏置點附近將電路線性化后，計算在電感短路電容開路的情況下所觀測變量OUTVAR（節(jié)點電壓或電壓源支路的電流）對電路中所有非零器件參數的靈敏度.SENSOUTVARACDECNDFSTARTFSTART交流特性分析計算電流在給定的頻率范圍內的頻率響應，格式：.ACDECNDFSTARTFSTOP(十倍頻).ACOCTNOFSTARTFSTOP(倍頻).ACLINNPFSTARTFSTOP(線性)電路特性分析語句噪聲分析計算指定節(jié)點的噪聲輸出電壓，產生兩個輸出:噪聲頻譜密度曲線和指定頻域的全部積分噪聲.NOISEOUTVARSRCDECNDFSTARTFSTOP瞬態(tài)特性分析計算電路的瞬態(tài)特性響應，格式：.TRANTSTEPTSTOP<TSTART<TMAX>><UIC>電路特性分析語句傅立葉分析必須與瞬態(tài)分析語句聯(lián)用，對瞬態(tài)分析的結果進行傅立葉分析.FOURFREQOUTVAR<OUTVAR2OUTVAR3>失真分析對電路進行小信號失真分析.DISTODECNDFSTARTFSTOP<F2OVER1>零極點分析.PZNODE1NODE2NODE3NODE4CURPOL(ZERO/PZ)控制語句

初始節(jié)點電壓設置用于幫助SPICE直流或初始瞬態(tài)方程的求解過程收斂，常用于雙穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)電路中。格式：

.NODESETV(NODENUM)=VALV(NODENUM)=VAL…初始條件設置用于設置瞬態(tài)特性分析的初始條件，格式：

.ICV(NODENUM)=VALV(NODENUM)=VAL…控制語句輸出控制以列表的形式輸出1至8個變量的值，格式：

.PRINTPRTTYPEOUTVAR1<OUTVAR2…OUTVAR8>重置參數修改仿真控制參數，以調整仿真精度、速度或某些器件的默認參數等。格式：.OPTIONSOPT=VAL….OPTIONSOPT1OPT2…基于SPICE核的工具軟件Pspice目前廣泛使用的Pspice是MicroSim的產品它不僅具有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、模擬功能擴展以及模型參數庫和宏模型庫等方面都有所改善和擴充主要運行于PC機平臺上基于SPICE核的工具軟件

HSPICESynopsys公司的工業(yè)級電路分析產品可以對電路進行穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)和頻域分析、蒙特卡洛分析、最壞情況分析、參數掃描分析、數據表掃描分析等仿真的精度和速度都較好，具備可靠的自動收斂能力可運行在SunUltra、SunBlade、HPPA、