搜索
一、HSPICE基础知识Avant!Start-Hspice（现在属于Synopsys公司）是IC设计中最常使用的电路仿真工具，是目前业界使用最为广泛的IC设计工具，甚至可以说是事实上的标准。目前，一般书籍都采用Level2的MOSModel进行计算和估算，与Foundry经常提供的Level49和Mos9、EKV等Library不同，而以上Model要比Level2的Model复杂的多，因此Designer除利用Level2的Model进行电路的估算以外，还一定要使用电路仿真软件Hspice、Spectre等进行仿真，以便得到精确的结果。本文将从最基本的设计和使用开始，逐步带领读者熟悉Hspice的使用，并对仿真结果加以讨论，并以一个运算放大器为例，以便建立IC设计的基本概念。在文章的最后还将对Hspice的收敛性做深入细致的讨论。Hspice输入网表文件为.sp文件，模型和库文件为.inc和.lib，Hspice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#、测量输出文件.m*#等。其中，所有的分析数据文件均可作为AvanWaves的输入文件用来显示波形。表1Hspice所使用的单位独立电压和电流源包括：1.直流源（DC）：电压源Vxxxn+n-dcval电流源Ixxxn+n-dcval2.交流源（AC）：Vxxxn+n-AC=acmag,acphase3.瞬态源（随时间变化）：脉冲源：pulsev1v2tdtrtfpwper线性源：pwlt1v1t2v2t3v3…正弦源：sinvovafreqtddampingphasedelay4.混合源：可以包括以上所有的形式，如：VIN1320.001AC1SIN(011Meg)二、输入网表文件TITLE.INCLUDE.LIBMACRO元件描述信号源描述分析命令测量命令.ALTER.END图1输入网表（Netlist）文件标准格式二、有源器件和分析类型有源器件包括二极管（D）、MOS管（M）、BJT管（Q）、JFET和MESFET（J）、子电路(X)和宏、Behavioral器件（E,G）、传输线（T,U,W）等。这里值得注意的是MOS、JFET和MESFET的L和W的scale是m，而不是um。分析的类型包括：直流、交流和瞬态分析。1.直流分析：对DC、AC和TRAN分析将自动进行直流操作点（DCOP）的计算，但.TRANUIC将直接设置初始条件，不进行DCOP的计算。.DCvar1start1stop1inc1sweepvar2typenpstart2stop2直流分析包含以下五种语句：.DC：直流扫描分析；.OP：直流操作点分析；.PZ：Pole/Zero分析；.SENS：直流小信号敏感度分析；.TF：直流小信号传输函数分析。2.交流分析：交流分析是指输出变量作为频率的函数。.ACvar1start1stop1inc1sweepvar2typenpstart2stop2交流分析包括以下四种语句：.NOISE：噪声分析；.DISTO：失真分析；.NET：网络分析；.SAMPLE：采样噪声分析。3.瞬态分析：瞬态分析是指计算的电路结果作为时间的函数。.TRANtinc1tstop1tinc2tstop2…START=..UICSWEEP..三、输出格式和子电路（1）输出命令包括：.PRINT、.PLOT、GRAPH、.PROBE和.MEASURE。.PLOTantypeov1ov2…plo1,phhi1…plo32,phi32.PROBEov1ov2…ov32.PRINTantypeov1ov2…ov32有五种输出变量形式：1.直流和瞬态分析：用于显示单个节点电压，支路电流和器件功耗。.printV(node)或.plotI(node)，也可用.graph、.probe。V(node)表示节点电压，I(node)表示节点电流，p(rload)表示在负载rload上的分析点的功耗。2.交流分析：用于显示节点电压和支路电流的实部、虚部和相位。vi(node)表示节点电压的虚部，ip(node)表示节点电流的相位，vp(4,6)表示节点4，6间的相位角。3.器件模版：用于显示制定的器件节点的电压、支路电流和器件参数。lv16(m3)表示MOS管m3的漏电流，其他表示方式见手册。4.MEASURE语句：用于显示用户自定义的变量。可以采用的句法包括：raise,fall,delay,average,RMS,min,max,p-p等。5.参数语句：用于显示用户自定义的节点电压等表达式。语法格式：.printtranout_var_name=PAR(‘expression’)（2）还可以采用AvanWave进行波形输出，启动AvanWave的命令为：awavesfilename&（3）子电路：1.采用.GLOBAL设置全局节点：.GLOBALnode1node2node3…2.子电路语句.SUBCKT和.MACRO：.SUBCKTsubnamn1n2n3…parnam=val….MACROsubnamn1n2n3…parnam=val…子电路的调用：Xyyyn1n2n3…sunnamparnam=val…M=val四、控制语句和option语句1.OPTION语句：.options语句格式：.optionsopt1opt2opt3…opt=x一般在每个仿真文件中设置options为.optionsacctlistpost，也可以设置为.optionsnodeopts，其中.optionlist表示将器件网表、节点连接方式等输入到列表文件，用于debug与电路拓扑结构有关的问题，.optionnode表示将输出节点连接表到列表文件，用于debug与由于电路拓扑结构引起的不收敛问题，.optionacct表示在列表文件中输出运行时间统计和仿真效率，.optionopts在列表文件中报告所有的.option设置，.optionnomod表示不输出MODEL参数，以便减小列表文件的大小，.optionbrief=1表示不输出网表信息，直到设置.optionbrief=0，.protect/.unprotect用于屏蔽网表文件中要保护的信息，.optionbypass=1不计算latent器件，.optionautostop表示当所有.measure语句完成时，终止仿真，.optionaccurate=1表示设置为最精确的仿真算法和容差，tstep表示仿真步长值，delmax表示最大允许时间步长，其中delmax=tstep*max，.optiondvdt=4用于数字CMOS电路仿真（默认设置），.optiondcca=1在直流扫描时强行计算随电压变化的电容，.optioncaptab对二极管、BJT管、MOS、JFET、无源电容器，打印出信号的节点电容值，.optiondcstep=val将直流模型和器件转换为电导，主要应用于“NoDCPathtoGround”或有直流通路，但不符合Hspice定义的情况。2.MODELOPTION语句：SCALE影响器件参数，如：L、W、area，SCALM影响model参数，如：tox、vto、tnom。五、仿真控制和收敛Hspice仿真过程采用Newton-Raphson算法通过迭代解矩阵方程，使节点电压和支路电流满足Kirchoff定律。迭代算法计算不成功的节点，主要是因为计算时超过了Hspice限制的每种仿真迭代的总次数从而超过了迭代的限制，或是时间步长值小于Hspice允许的最小值。(1)造成Hspice仿真不收敛主要有“NoConvergenceinDCSolution”和“TimesteptooSmall”，其可能的原因是：1.电路的拓扑结构：电路拓扑结构造成仿真不收敛主要有：电路连线错误，scale、scalm和param语句错误，其他错误可以通过查找列表文件中的warning和errors发现。解决的方法是：将电路分成不同的小模块，分别进行仿真；简化输入源；调整二极管的寄生电阻；调整错误容差，重新设置RELV，ABSV，RELI，ABSI，RELMOS，ABSMOS等。2.仿真模型：由于所有的半导体器件模型都可能包含电感为零的区域，因此可能引起迭代的不收敛。解决的方法是：在PN结或MOS的漏与源之间跨接一个小电阻；将.option中默认的GMINDC、GMIN增大。3.仿真器的options设置：仿真错误容差决定了仿真的精度和速度，要了解你所能接受的容差是多少。解决的方法是：调整错误容差，重新设置RELV，ABSV，RELI，ABSI，RELMOS，ABSMOS等。(2)针对仿真分析中可能出现的不收敛情况进行分析：1.直流工作点分析：每种分析方式都以直流操作点分析开始，由于Hspice有很少的关于偏置点的信息，所以进行DCOP分析是很困难的，分析结果将输出到.ic文件中。对DCOP分析不收敛的情况，解决方法是：删除.option语句中除acct，list，node，post之外的所有设置，采用默认设置，查找.lis文件中关于不收敛的原因；使用.nodeset和.ic语句自行设置部分工作点的偏置；DCOP不收敛还有可能是由于model引起的，如在亚阈值区模型出现电导为负的情况。2.直流扫描分析：在开始直流扫描分析之前，Hspice先做DCOP计算，引起直流扫描分析不收敛的原因可能是快速的电压或电流变化，模型的不连续。解决的方法是：对于电压或电流变化太快，通过增加ITL2来保证收敛，.optionITL2是在直流扫描分析中在每一步允许迭代的次数，通过增加迭代次数，可以在电压或电流变化很快的点收敛。对于模型的不收敛，主要是由于MOS管线性区和饱和区之间的不连续，Newton-Raphson算法再不连续点处进行迭点计算产生震荡，可以通过增减仿真步长值或改变仿真初始值来保证收敛，如：.dcvin0v5v0.1v的直流分析不收敛，可以改为.dcvin0v5v0.2v增大步长值，.dcvin0.01v5.01v0.1v改变仿真的范围。3.AC频率分析：由于AC扫描是进行频率分析，一旦有了DCOP，AC分析一般都会收敛，造成不收敛的原因主要是DCOP分析不收敛，解决的方法可以参看前面关于DCOP的分析。4.瞬态分析：瞬态分析先进行直流工作点的计算，将计算结果作为瞬态分析在T0时刻的初始值，再通过Newton-Raphson算法进行迭代计算，在迭代计算过程中时间步长值是动态变化的，.trantstep中的步长值并不是仿真的步长值，只是打印输出仿真结果的时间间隔的值，可以通过调整.optionslvltimimaximin来调整步长值。瞬态分析不收敛主要是由于快速的电压变化和模型的不连续，对于快速的电压变化可以通过改变分析的步长值来保证收敛。对模型的不连续，可以通过设置CAPOP和ACM电容，对于给定的直流模型一般选择CAPOP=4，ACM=3，对于level49，ACM=0。对瞬态分析，默认采用Trapezoidal算法，精度比较高，但容易产生寄生振荡，采用GEAR算法作为滤波器可以滤去由于算法产生的振荡，具有更高的稳定性。六、输入语句对于.param语句，.paramPARHIER=GLOBAL是默认的，使得参数可以按照Top-Down变化，.paramPARHIER=LOCAL，可以是参数只在局部有效。对于.measure语句，可以采用的模式有rise，fall，delay，average，rms，min，peak-to-peak，Find-When，微分和积分等。对Find-When语句，.measuredc|tran|acresultfindvalwhenout_val=valoptimizationoptions，对微分和积分语句，.measuredc|tran|acresultderiv|integvaloptions。对于.ALTER