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电路模拟实验专题实验文档一、简介本实验专题基于SPICE（SimulationProgramWithIntegratedCircuit）仿真模拟，讲授电路模拟的方法和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，免费版本的WinSPICE，SpiceOPUS等等，其中HSPICE和SPECTRE功能更为强大，在集成电路设计中使用得更为广泛。因此本实验专题以HSPICE和SPECTRE作为主要的仿真工具，进行电路模拟方法和技巧的训练。参加本实验专题的人员应具备集成电路设计基础、器件模型等相关知识。二、Spice基本知识(2)无论哪种spice仿真器，使用的spice语法或语句是一致的或相似的，差别只是在于形式上的不同而已，基本的原理和框架是一致的。因此这里简单介绍一下spice的基本框架，详细的spice语法可参照相关的spice教材或相应仿真器的说明文档。首先看一个简单的例子，采用spice模拟MOS管的输出特性，对一个NMOS管进行输入输出特性直流扫描。VGS从1V变化到3V，步长为0.5V；VDS从0V变化到5V，步长为0.2V；输出以VGS为参量、ID与VDS之间关系波形图。*OutputCharacteristicsforNMOSM12100MNMOSw=5ul=1.0uVGS101.0VDS205.op.dcvds05.2Vgs130.5.plotdc-I(vds).probe*model.MODELMNMOSNMOSVTO=0.7KP=110U+LAMBDA=0.04GAMMA=0.4PHI=0.7.end描述的仿真电路如下图，图2-1MOS管输入输入特性仿真电路图得到的仿真波形图如下图。从这个简单的spice程序中可以知道spice电路描述的主要组成部分。（1）标题和电路结束语句在输入的电路描述语句中输入的第一条语句必须是标题语句，最后一条必须是结束语句。在本例中，*OutputCharacteristicsforNMOS←标题……….….end←结束语句（2）电路描述语句电路描述语句描述电路的组成和连接关系，包括元器件、激励源、器件模型等描述，另外，如果电路是层次化的，即包含子电路，电路描述部分还包括子电路描述（.subckt）。在描述元器件时，要根据类型，采用不同的关键字作为元件名的第一个字母，元器件关键字见下表。如本例中，NMOS管的描述为：M12100MNMOSw=5ul=1.0u表示的意思为：元器件关键字xDGSB模型名宽=xx长=xx其中D：漏结点；G：栅结点；S：源结点；B：衬底结点。器件模型描述电路中所使用的器件的spice模型参数，语句为.model。如在本例中，.MODELMNMOSNMOSVTO=0.7KP=110U+LAMBDA=0.04GAMMA=0.4PHI=0.7其中MNMOS为模型名，以便在元器件调用时使用，NMOS为模型的关键字。元器件类型元器件关键字电阻R电容C电感L二极管DNPN或PNP双极型晶体管QN沟或P沟结型场效应晶体管JN型或P型MOS场效应晶体管MGaAs场效应晶体管B电压控制开关S电流控制开关W互感K激励源说明供激励用的独立源和受控源，比如：V:独立电压源；I:独立电流源；E:电压控制电压源；F:电流控制电流源；G:电压控制电流源；H:电流控制电压源，等等。（3）分析类型描述语句分析类型描述语句说明对电路进行何种分析。比如，直流工作点（.op），直流扫描分析（.dc），交流分析（.ac），噪声分析（.noise），瞬态分析（.tran）等等。（4）控制选项描述语句控制选项用于描述spice仿真时的相关控制选项，一般在.option内进行设置，另外还有打印及输出控制选项（.print、.plot、.probe）等等现将整个spice程序例子标注如下：*OutputCharacteristicsforNMOS←标题M12100MNMOSw=5ul=1.0u←元器件描述（模型名为MNMOS的场效应MOS管M1，漏结点2、栅结点1、源结点0、衬底结点0，栅宽5um，栅长1um）VGS101.0←激励源描述（连接在1和0结点之间的1V独立电压源）VDS205←激励源描述（连接在2和0结点之间的5V独立电压源）.op←分析类型描述，直流工作点分析.dcvds05.2Vgs130.5←分析类型描述，直流扫描分析（VGS从1V变化到3V，步长为0.5V；VDS从0V变化到5V，步长为0.2V）.plotdc-I(vds)←控制选项描述，打印声明.probe←控制选项描述，打印输出*model.MODELMNMOSNMOSVTO=0.7KP=110U←器件模型描述，定义模型名为MNMOS+LAMBDA=0.04GAMMA=0.4PHI=0.7的NMOS类型的模型.end←结束语句三、Hspice电路仿真（1+3）HSPICE的输入网表文件通常为.sp文件，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等，输出文件有运行状态文件.st0和输出列表文件.lis在每次hspice运行后均有出现，其他的输出文件视spice程序中选择的分析类型而出现，并且可以在波形显示工具中显示，如Avanwaves、cosmosscope等。输入spice网表（程序）文件和库输入文件能够由一个线路网表转换器或用一个文本编辑器产生。1.写输入网表文件的规则输入网表文件的第一个语句必须是标题行，最后一个语句必须是.END语句，它们之间的语句次序是随意的，除非是续行（行首有“＋”的行）必须接在要接下去的行后面。注释行以*打头，可加在文件中的任何地方。2.输入文件的编辑(a)HSPICE采用自由格式输入。语句中的域由一个或多个空格，一个Tab，一个逗号，一个等号或一个左/右圆括号分开。(b)除UNIX系统中的文件名外，不予区分大写或小写字母。(c)每行语句长度限于80个字符以下。(d)一个语句如在一行写不下，可以用续号继续下去。续行以“+”作为第一个非数值、非空格字符。(e)输入网表文件不能被“打包”，也不能被压缩。(f)输入网表文件中不要采用特殊的控制字符。图3-1Hspice的模拟流程1、工具的使用Hspice可以采用命令行或图形界面的方式执行，命令行的方式如下，hspice输入文件不生成lis文件，lis文件的内容打印到屏幕上。hspice–i输入文件-o输出文件名生成以输出文件名命名的lis文件。相对方便的方式是采用图形界面的方式，如下图3-2hspice仿真图形界面按Simulate执行仿真，之后，采用Avanwaves或Cscope来显示波形，分别如下，图3-3Avanwaves波形查看软件界面图3-4CosmosScope波形查看软件界面2、基本电路分析下面以下图所示的电路为例子，说明hspice的基本仿真方法。图3-5一个基本的共源级放大器的例子此电路为共源级放大器，负载为电流源，电流源采用电流镜实现，偏置为电阻与电流镜实现的简单偏置。各结点号已标注在图中，其中GND的默认结点号为0结点。2.1直流仿真图中电路的直流仿真spice程序如下，*DCanalysisforAMPM12100MOSNw=5ul=1.0uM22344MOSPw=5ul=1.0uM33344MOSPw=5ul=1.0uR130100KCL205pVdd40DC5.0Vin10DC5.0.op.dcVin050.1.plotdcV(2).probe.optionlistnodepost*model.MODELMOSNNMOSVTO=0.7KP=110U+LAMBDA=0.04GAMMA=0.4PHI=0.7.MODELMOSPPMOSVTO=-0.7KP=50U+LAMBDA=0.05GAMMA=0.57PHI=0.8.end.op是分析直流工作点的语句。此语句在进行电路直流工作点计算时，电路中所有电感短路，电容开路。值得注意的是，在一个HSPICE模拟中只能出现一个.OP语句。.dc是直流扫描分析。该语句规定了直流传输特性分析时所用的电源类型和扫描极限。在直流分析中，.DC语句可进行a.直流参数值扫描b.电源值扫描c.温度范围扫描d.执行直流蒙特卡罗分析（随机扫描）e.完成直流电路优化f.完成直流模型特性化.DC语句具体格式取决于实际应用需要，下面给出了最常用的应用格式：.DCvar1START=start1STOP=stop1STEP=incr1在本例中，.dcVin050.1，输入端的电压源Vin从0V变化到5V，步长为0.1V。.DC语句可以采用嵌套的形式，比如，.DCvar1START=start1STOP=stop1STEP=incr1var2START=start2STOP=stop2STEP=incr2下面是做温度扫描的例子，.DCTEMP-5512510下图是此电路的直流扫描结果。可见在1~1.12V区域内是此放大器的高增益区。2.2交流仿真图中电路的交流仿真spice程序如下，*ACanalysisforAMPM12100MOSNw=5ul=1.0uM22344MOSPw=5ul=1.0uM33344MOSPw=5ul=1.0uR130100KCL205pVdd40DC5.0Vin10DC1.07AC1.0.op.acDEC20100100MEG*.plotacVDB(2)VP(2).probe.optionlistnodepost*model.MODELMOSNNMOSVTO=0.7KP=110U+LAMBDA=0.04GAMMA=0.4PHI=0.7.MODELMOSPPMOSVTO=-0.7KP=50U+LAMBDA=0.05GAMMA=0.57PHI=0.8.end交流仿真结果2.3瞬态仿真图中电路的瞬态仿真spice程序如下*TRANanalysisforAMPM12100MOSNw=5ul=1.0uM22344MOSPw=5ul=1.0uM33344MOSPw=5ul=1.0uR130100K*CL205pVdd40DC5.0Vin10DC1.07sin(22100KHz).op.tran.1u10u*.plottranV(2)V(1).probe.optionlistnodepost*model.MODELMOSNNMOSVTO=0.7KP=110U+LAMBDA=0.04GAMMA=0.4PHI=0.7.MODELMOSPPMOSVTO=-0.7KP=50U+LAMBDA=0.05GAMMA=0.57PHI=0.8.end大信号瞬态仿真结果：改为小信号时，注意偏置值的选取。Vin10DC1.07sin(1.070.0001100KHz)通过瞬态仿真，可见小信号增益为50倍，约为34dB，和AC仿真结果进行对照，看以发现结果是一致的。同样，相位的结果也是一致的。2.4练习采用本实验提供的某工艺的BSIM模型文献（mix025_1.l）对上述电路的上述分析分别重新进行仿真，并总结出仿真结果。提示：模型文件可以采用.lib在仿真文件里进行引用。注意：由于更换的模型参数，即更换了工艺，因此电路的性能参数发生了变化，特别要注意的是输入偏置的设置。四、Spectre电路仿真（1+3）Cadence公司的Spectre仿真器的实质和HSPICE等spice仿真软件是一样的，但由于集成了cadence的ADE仿真集成环境，可以在图形界面下操作，使用更为方便和直观一些，比如，不用写spice的网表程序，可以在schematicview中绘制电路图。这里仍以图3-5的电路作为例子，讲解工具的使用和基本电路分析的方法。1、工具的使用1.1编辑电路图（schematic）启动cadence的设计环境平台，在命令行提示符($)下执行，$icfb&首先建立一个设计库，tools-librarymanager，File-New-Library,在Na