04-集成电路-第三讲-Spectre、Ultrasim和Spectre-Verilog-仿真介绍

Spectre、Ultrasim和Spectre-Verilog仿真介绍张昊2011年3月7日2020/4/17共61页2内容提要模拟前端EDA工具简介Cadence中Spectre的模拟仿真Ultrasim快速仿真技术Spetre-Verilog混合信号仿真Q&A2020/4/17共61页3一、模拟前端EDA工具简介2020/4/17共61页4电子系统的层次上游下游2020/4/17共61页5模拟集成电路的设计流程1.交互式电路图输入2.电路仿真3.版图设计4.版图的验证（DRCLVS）5.寄生参数提取6.后仿真7.流片全定制人VS机器2020/4/17共61页6各种仿真器简介SPICE:由UCBerkeley开发。用于非线性DC分析，非线性瞬态分析和线性的AC分析。Hspice:作为业界标准的电路仿真工具，它自带了许多器件模型，包括小尺寸的MOSFET和MESFET。Cadence提供了hspice的基本元件库并提供了与Hspice的全面的接口。Spectre:由Cadence开发的电路仿真器，在SPICE的基础上进行了改进，使得计算的速度更快，收敛性能更好。2020/4/17共61页7几家EDA软件公司1、Synopsys（收购Avanti）2、Cadence3、MentorGraphics4、Silvaco5、SpringSoft2020/4/17共61页8Cadenc软件简介Cadence提供了一个大型的EDA软件包，它包括：模拟IC设计全定制IC设计工具VirtuosoSchematicComposer电路仿真工具AnalogDesignEnvironment数字IC设计Verilog-XLEncounter2020/4/17共61页9Cadence中Spectre的仿真1、进入Cadence软件包2、建立可进行Spectre模拟的单元文件3、编辑可进行Spectre模拟的单元文件4、模拟仿真的设置(重点)5、模拟仿真结果的显示以及处理6、分模块模拟(建立子模块)7、两个实例2020/4/17共61页10进入Cadence软件包方法一使用putty软件（缘网下载），在Hostname处填工作站地址，端口默认，协议（protocol）选SSH，如图所示，在putty进行设置；然后用exceed登录工作站。2020/4/17共61页11方法二1、安装winvnc软件2、运行putty软件键入用户名和密码，在提示符处键入vncserver命令申请vnc端口3、运行winvnc，填入主机名称：端口号码2020/4/17共61页12工具栏介绍从上至下：1.CheckandSave2.Save3.Zoominby2]4.Zoomoutby2[5.Stretchs6.Copyc7.DeleteDel8.Undou9.Propertyq10.Instancei11.Wire（Narrow）w12.Wire（Wide）W13.WireNamel14.Pinp15.CmdOptions16.Repeat2020/4/17共61页13添加元器件点击右边工具栏“Instance”或快捷键“I”基本的元器件，如NMOSPMOS电阻电容电压源电流源等等都在analoglib库里。注意！View要选择symbol2020/4/17共61页14常用analoglib库的元器件器件Cell名称pnp管pnp电阻res地gnd电容cap直流电压源vdc电感ind直流电流源idcNMOSnmos4方波发生源vpulsePMOSpmos4可编程方波发生源vpwlnpn管npn正弦波发生源vsin2020/4/17共61页15元器件symbol视图2020/4/17共61页16模拟仿真的设置(重点)Composer-schamatic界面中的Tools→AnalogEnvironment项可以打开AnalogDesignEnvironment窗口，如右图所示。2020/4/17共61页17AnalogDesignSimulation菜单介绍Session菜单SchematicWindowSaveStateLoadStateOptionsResetQuit回到电路图保存当前所设定的模拟所用到的各种参数加载已经保存的状态一些显示选项的设置重置analogartist。相当于重新打开一个模拟窗口退出2020/4/17共61页18Setup菜单Setup菜单DesignSimulator/directory/hostTemperatureModelLibraryEnvironment选择所要模拟的线路图选择模拟使用的模型一般有cdsSpicehspiceSspectre等设置模拟时的温度设置库文件的路径和仿真方式设置仿真的环境（后仿真时需设置）2020/4/17共61页19Analysis菜单选择模拟类型。Spectre的分析有很多种，如右图，最基本的有tran（瞬态分析）dc（直流分析）ac（交流分析）。2020/4/17共61页20tran（瞬态分析）可选择三种仿真精确度：宽松的（liberal），适中的（moderate），保守的（conservative）。其中liberal的仿真速度最快，但是精度最低。这种精度的仿真适合数字电路或者是变化速度较低的模拟电路；moderate作为仿真器默认的设置，其精确度类似于用SPICE2计算的仿真结果;conservative具有最高的精确度但是速度最慢，适合较敏感的模拟电路的仿真2020/4/17共61页21dc（直流分析）dc（直流分析）可以在直流条件下对temperature，DesignVariable，ComponentParameter，ModelParameter进行扫描仿真例如:对温度的扫描（测量温度系数）电路随电源电压变化的变化曲线等2020/4/17共61页22ac（交流分析）ac（交流分析）是分析电路性能随着运行频率变化而变化的仿真。既可以对频率进行扫描也可以在某个频率下进行对其它变量的扫描。2020/4/17共61页23Variables菜单包括Edit等子菜单项。可以对变量进行添加、删除、查找、复制等操作。变量（variables）既可以是电路中元器件的某一个参量，也可以是一个表达式。变量将在参量扫描（parametricanalysis）时用到。2020/4/17共61页24参量扫描共功能Tools/ParametricAnalysis它提供了一种很重要的分析方法——参量分析的方法，也即参量扫描。可以对温度，用户自定义的变量（variables）进行扫描，从而找出最合适的值。2020/4/17共61页25Calculator的使用Calculator是一个重要的数据处理工具，可以用来仿真电源抑制比，相位裕度，共模抑制比2020/4/17共61页26模拟结果的显示以及处理在模拟有了结果之后，如果设定的output有plot属性的话，系统会自动调出waveform窗口，并显示outputs的波形，如左图2020/4/17共61页27在模拟电路的仿真过程中，要在不同的PVT(Process，Voltage，Temperature)状况下全面地仿真。工艺对应的是不同的工艺角类型；电压指的是电源电压，要求仿真标称值的100%±10%电源电压下的电路的仿真结果；温度要求对于芯片的应用范围有所不同，一般民用级的温度范围是0℃~70℃，工业级是-45℃~85℃，军用级是-55℃~125℃。2020/4/17共61页28三、Ultrasim快速仿真技术2020/4/17共61页29Ultrasim仿真技术传统的SPICE模拟器(例如Spectre、HSPICE)有一些人所共知的局限性，例如模拟容量小(大约只能支持5万有源器件)，对较大设计的模拟速度较慢。为了克服这些局限，Cadence推出了第三代FastSPICE模拟器，即Ultrasim模拟器，采用了电路划分、多速率模拟和压缩表模型等技术。2020/4/17共61页30Ultrasim仿真环境设置因为UltraSim已经完全集成在Cadence的标准模拟电路仿真流程中，我们在搭建好点电路图并且保存后，从Composer-schematic界面中的Tools→AnalogEnvironment项就可以打开ADE窗口。2020/4/17共61页31此时ADE窗口默认的仿真器Simulator为spectre，为了设置使用Ultrasim仿真器，点击Setup→Simulator/directory/host，弹出对话框如图6.31所示。选择仿真使用的模型，在下图Simulator中选择UltraSim。2020/4/17共61页32如同spectre仿真，在Setup→ModelLibrarySetup选择模型文件的路径，并填入仿真模型的工艺角类型。在Analysis菜单中可以选择分析类型，从Analysis→Choose打开如图窗口，选择瞬态分析类型tran，tran的设置只需填入仿真停止时间即可。选择是否保存直流工作点。2020/4/17共61页33接下来选择仿真所需要的精度和速度，如图6.33所示，进入simulation菜单，选择Option→Analog。2020/4/17共61页34然后显示如图所示的simulationoption窗口，它有许多选项的设置，包括速度、精度、输出、温度，规模等等。下面将主要介绍一下四项仿真参数的设置，仿真模式、仿真速度、矩阵分割以及波形文件格式。2020/4/17共61页351．仿真模式设置（SimulationMode）SimulationMode中有6种模式，分别为DigitalFast（DF）、DigitalAccurate(DA)、MixedSignal（MS）、AnalogMultiRate(amr)、Analog（A）和SPICE（S）。六种模式的精度依次升高，但是仿真速度依次降低。每种模式所利用的仿真模型也不完全相同，各种模式有相应的应用。下面将详细介绍每种模式的应用、使用的模型以及仿真的目标精度。2020/4/17共61页362020/4/17共61页372.仿真速度设置（speedoption）Speedoption可以设置总的公差容忍度tol（tol也可以单独设置）,tol包括电压、电流等所有的公差容忍度之和。Speedoption有八个选项，分别是speed＝1,2,3,4,5,6,7,8。其对tol分别是0.0001,0.001,0.0025,0.005,0.02,0.02,0.04,0.07,精度依次降低。通常,如果精度要求不是很高,可以采用默认设置,而无需设置这一项。注意：精度设置的越高,相应的速度越低。2020/4/17共61页383.矩阵分割设置（analogoption）Ultrasim把大的电路矩阵分割成小的矩阵,以加快仿真速度,但同时会损失一些精度。analog选项用来控制矩阵分割的大小，通常采用默认设置。以下是适用每种analog值的电路。Analog=0适用于数字电路和存储器电路Analog=1适用于数字电路、存储器电路和混合信号电路（默认）Analog=2适用于混合信号、模拟和射频电路Analog=3适用于模拟电路和射频电路Analog=4适用于混合信号电路（高度敏感）2020/4/17共61页394.波形文件格式的设置（outputformat）Ultrasim支持以多种波形文件格式存储波形,主要有psf和sst2。psf应用很广泛，可以通过cadence的awd和新的wavescan打开。sst2是cadence新的压缩波形文件格式,生成的波形文件最小,可以使用cadence的wavescan和simvision打开。2020/4/17共61页40设置好这些仿真条件后，选择保存所要输出的电压或者电流，点击simulation中的netlistandrun，即可进行Ultrasim