介绍CMOS集成电路设计仿真软件的使用.

1、电路模拟实验专题实验文档微电子中心王永生一、简介本实验专题基于SPICE（ Simulation Program With Integrated Circuit ）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 ， Spice OPUS 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

2、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。 V GS 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 V GS 为参量、 ID 与 V DS 之间关系波形图。*Ou

3、tput Characteristics for NMOSM1 2 1 0 0 MNMOS w=5u l=1.0uVGS 1 0 1.0VDS205.op.dc vds 0 5 .2 Vgs 1 3 0.5.plot dc -I(vds).probe*model.MODEL MNMOS NMOS VTO=0.7 KP=110U+LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7.end描述的仿真电路如下图，图 2-1 MOS 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

4、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，*Output Characteristics for NMOS 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：M1 2 1 0 0 MNMOS w=5u l=1.0uspice 模型参数， 语句为 .model。如在本例中，表示的意思为：元

5、器件关键字 x D G S B 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.MODEL MNMOS NMOS VTO=0.7 KP=110U+LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=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

6、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：*Output

7、Characteristics for NMOS 标题M1 2 1 0 0 MNMOS w=5u l=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）VGS 1 0 1.0 激励源描述（连接在 1和 0结点之间的 1V 独立电压源）VDS 2 0 5 激励源描述（连接在 1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.dc vds 0 5 .2 Vgs 1 3 0.5 分析类型描述，直流扫描分析（V GS从 1V 变化到 3V ，步长为 0.5V ；V DS从 0V变

8、化到5V ，步长为0.2V ）.plot dc -I(vds).probe 控制选项描述，打印声明 控制选项描述，打印输出*model.MODEL MNMOS NMOS VTO=0.7 KP=110U +LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7 .end 器件模型描述， 定义模型名为的 NMOS 类型的模型 结束语句MNMOS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

9、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、 cosmos scope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

10、， 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 3-1 Hspice 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 不生成 lis 文件， lis 文件的内容打印到屏幕上。hspice i -o 生成以输出文件名命名的li

11、s 文件。相对方便的方式是采用图形界面的方式，如下图 3-2 hspice 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 3-3 Avanwaves 波形查看软件界面图 3-4 Cosmos Scope 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，实现的简单偏置。各结点号已标注在图中，其中GND 的默认结点号为偏置为电阻与电流镜0 结点。2.1 直流仿真图中电路的直流仿真spi

12、ce 程序如下，* DC analysisfor AMPM1 2 1 0 0 MOSN w=5u l=1.0uM2 2 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0uM3 3 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0uR13 0100KCL2 05pVdd 4 0 DC 5.0Vin 1 0 DC 5.0.op.dc Vin 0 5 0.1.plot dc V(2).probe.option list node post*model.MODEL MOSN NMOS VTO=0.7 KP=110U+LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7.MODEL MOSP PMOS VTO

13、=-0.7 KP=50U+LAMBDA=0.05 GAMMA=0.57 PHI=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：.DC var1 START

14、=start1 STOP=stop1 STEP=incr1在本例中，.dc Vin 0 5 0.1 ，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，.DC var1 START=start1 STOP=stop1 STEP=incr1 var2 START=start2 STOP=stop2 STEP=incr2下面是做温度扫描的例子，.DC TEMP -55 125 10下图是此电路的直流扫描结果。可见在11.12V 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，* AC analysisfor

15、AMPM1 2 1 0 0 MOSN w=5u l=1.0uM2 2 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0uM3 3 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0uR13 0100KCL2 05pVdd 4 0 DC 5.0Vin 1 0 DC 1.07 AC 1.0.op.ac DEC 20 100 100MEG*.plot ac VDB(2) VP(2).probe.option list node post*model.MODEL MOSN NMOS VTO=0.7 KP=110U+LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7.MODEL MOSP PMOS VTO=-

16、0.7 KP=50U+LAMBDA=0.05 GAMMA=0.57 PHI=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* TRAN analysis for AMPM1 2 1 0 0 MOSN w=5u l=1.0uM2 2 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0uM3 3 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0uR1 3 0 100K*CL 2 0 5pVdd 4 0 DC 5.0Vin 1 0 DC 1.07 sin(2 2 100KHz ).op.tran .1u 10u*.plot tran V(2) V(1).probe.option

17、list node post*model.MODEL MOSN NMOS VTO=0.7 KP=110U+LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7.MODEL MOSP PMOS VTO=-0.7 KP=50U+LAMBDA=0.05 GAMMA=0.57 PHI=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。Vin 1 0 DC 1.07 sin(1.07 0.0001 100KHz)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

18、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 schematic view 中绘制电路图。这里仍以图

19、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 - library manager ， File - New - Library,在 Name 内添上 lab1， ok 后，选择 Don tneed a techfile ，然后 ok。这样就建立了一个设计库。这里之所以不选择编译techfile ，是因为我们只进行电路的设计和仿真，如果还有设计电路的版图，则根据选择的工艺厂家的techfile 来进行编译。然后，在

20、设计库里建立一个schemtic view ，在 Library Manager 菜单New- cell view，填入 amp1，view name 选 schematic，然后 ok，则会出现电路图的编辑界面。插入元器件，选择analogLib 中的 nmos4 、 pmos4、 res、 cap 等器件。形成如下电路图，然后check and save，如下图。下面做这个放大器的symbol ，Design-Create Cellview - From Cellview按 ok 后出现 symbol Generation options ，选择端口排放顺序和外观，然后按编辑界面。按照需要

21、编辑成想要的符号外观，如下图。保存退出。，在弹出的界面，ok 出现 symbol下面建立仿真的电路图但在调用单元时除了调用cut_amp1。方法和前面的“建立schemtic view ”的方法一样，analogLib 库中的电压源、（正弦）信号源等之外， 将此放大器 （ lab1中的 amp1）调用到电路图中，如下图。下图是添加输入激励源的设置。在 schematic 编辑界面，选择 Tools- Analog Environment ，出现 Virtuoso Analog Design Environment (ADE) ，如下图在ADE中，设置仿真器、仿真数据存放路径和工艺库，具体地，s

22、etup-Simulator/Directory/Host中 选 择simulator为spectre ， projectDirectory改为./simulation 。 Setup-Model Libraries 中 Model Library File找到 sm046005-1j.scs 文件填入，section 部分填typical ，如下图，按add，然后ok。Variables-copy from cellview, 则电路中的变量出现在 ADE 中 Design V ariable 一栏中，如下图，至此工具的初步使用已经进行了简单的介绍，下面结合具体的基本电路仿真进行介绍。2、基

23、本电路分析2.1 直流仿真结合上面例子，首先设计仿真电路中的变量，vpower=3 ，vbias=1 ，va=2，f0=100K 。然后选择 Analyses-choose，在 analysis 一栏中选 dc，在 DC Analysis 中选中 Save DC operating Point ；在 sweep Variable 中选中 Design Variable ，variable Name 填 vbias，在 sweep Range， start 选 0， stop 选 3，然后 ok。然后， simulation-Netlist and Run ，运行仿真。再后观察仿真波形，这里有两

24、种波形查看工具，一种是WaveScan，一种是AWD 。在session-options 中进行设置。这里选择AWD 。在 tools 中选择 calculator 。如下图，店主 vs 按钮，在schematic 中选择需要输出波形的节点，如out，然后按plot ，得到如下波形，可见输入偏置在 772.5mv903.7mv 的范围内存在一个高增益区，因此输入偏置应设置在这个区域内，改 vias 从 1v 到 0.86v。由于在做直流仿真时也选择了Save DC operating Point ，因此可以查看电路的工作点，在 calculator 中按 vdc ，同时选中 Evaluate

25、buffer ，比如查看 out 的电压工作点。也可以查看器件的工作状态，按op，然后在电路中选择需要查看的器件，如I0/M1 的 vth。2.2 交流仿真后选择 Analyses-choose ，在 analysis 一栏中选ac，注意此时vbias 已经选择到了0.82v。Sweep Variable 选 Frequency， Sweep Range 选 1100M ，按 ok。然后， simulation-Netlist and Run 结果。这里采用另外一种方法，在，运行仿真。仿真运行结束后，仍可以采用calculator 打印Results- Direct Plot 选中 AC Ma

26、gnitude & Phase ，然后在schematic view中点中out，则AC的结果打印如下图。2.3 瞬态仿真后选择 Analyses-choose，在 analysis 一栏中选tran，大信号 1V 时，小信号 0.1mV 时，2.4练习修改偏置电流，即修改 R0，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。注意：由于改变了偏置条件， 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。五、实例：放大器的仿真及分析（2+6 ）下面以一个放大器作为实例讨论一些电路设计分析方法。图 4 比较器电路比较器采用单级运放后加一反相器构成，如图 4 所示。 其中 Ib

27、ias 为自偏置电路如图所示（注：自偏置电路原理见Razavi 书 310 页，实际工作时要加上启动电路，解释启动电5A路的原理。）， comp_amp 为一级运放如图5B 所示， inv 为反向器。图 5A 自偏置电路图 5B 运算放大器电路运算放大器为双端输入单端输出的结构，可以在满足输入和输出摆幅的情况下实现一定的电压增益 （考虑其值是多少时满足性能要求）。首先确定所采用管子的宽度有晶体管的沟道长度不必为同一值），手工设计：根据拟定的设计指标，确定满足指标的运算放大器各元件的尺寸和所需要的偏置电流的大小（可能需要迭代）；设计偏置电路：采用自偏置电流源技术（所a) 选定电路结构；b) 手工

28、设计：确定各元件的尺寸；c) Spectre 仿真（采用 TT Corner 模型），验证电流源的性能；将偏置电路和运算放大器电路合在一起仿真（采用模型， 27o），确定运放的最终性能参数：a) 开环增益的幅频和相频响应；b) CMRR 的频率响应；c) PSRR 的频率响应；d) 共模输入范围；e) 输出电压摆幅；f) 压摆率；g) 建立时间；h) 噪声；i) 功耗；o采用 SS Corner 模型， 0 仿真温度，重新仿真以上参数。o采用 FF Corner 模型， 80 仿真温度，重新仿真以上参数。图 6 所示的仿真电路可仿真放大器的交流特性和瞬态特性。采用闭环电路仿开环的方法，通过 R

29、0 形成负反馈通路从而确定输出共模电平 （此时的共模电平实际是 V1 的直流值），并稳定直流偏置。在这个电路中选择 RC 时间常数的倒数与 Av 的乘积小于运放预期的主极点是必须的， 即选择大电阻和大电容值 （本实验选择 1G 欧姆电阻和 1mf 电容， 具体见 allen 的运算放大器仿真） 。由于反馈电阻的大阻值，输入的共模会自动调整到和输入 V1 相等。图 6 AC 特性仿真图中输入为正弦波形对其进行相应设置来满足功能，主要包括直流电压值提供输入端的直流偏置、 交流 AC 幅值和相位 （通常为1V ，相位默认为0）、瞬态电压幅值频率和相位值。具体设置如下图所示：同理设置电阻电容值和直流电

30、源值（直流电压） ，后在菜单栏toolsAnalog Environment调用仿真工具进行电路仿真。选取仿真工具， 添加模型文件并进行仿真设置，下面主要介绍一下仿真的设置，包括交流瞬态tran、交流 ac、直流 dc、噪声 noise，具体如下所示：大家应该注意到了，在电源的设置中直流电压和瞬态偏置电压（即DCvoltage 和offsetvoltage ）都设置了变量 vin 。在仿真之前需要在 variable 中选择 edit 设置变量值。另一种方法如下图。在 tools 项中选择选择 parametric analysis 选项，合理设置 rang type 和 stepcontro

31、l 。然后选择analysis 中 start 就可以了。在设置一个电压源时最主要会用到三类参数：交流仿真参数 （ ac magnitude 是交流信号摆幅， 一般设为 1；ac phase一般用在双端放大器仿真，一端为 0 另一端为 180）、直流仿真参数（ dc voltage）和瞬态仿真参数等。仿真器仿真时，这几个状态仿真是分开仿的，各参数互不影响。下边两图仿真结果就是参数扫描的结果，直流dc 仿真可以计算出直流偏置点，从而可以看各点的静态电压和直路的静态电流。交流仿真可以仿真静态工作点的交流特性，主要是直流增益和频率特性，随输入的正弦激励的直流偏置结果如下，上图为幅频图， 下图为相频图

32、：当输入的直流偏置为 1.2V 时的交流相应如下， 从图中可以看出其直流增益为 47dB ，相位裕度为 63o 满足稳定性要求 （相位裕度为 180 度减去增益 0dB 时的相移。 另外在比较器应用中并不一定满足相位裕度的要求，因为比较器工作在开环状态）。瞬态结果如下（瞬态电压幅值为50mV ，频率为 1K ），从图中可以看出输出低电平不能达到 0，且与输入的直流电平有关，在不同的直流输入下，输出高电平确基本一样。试分析这些影响并解释原因。噪声分析主要包括闪烁噪声和热燥声，其输入等效噪声如下：图 7 输入共模范围仿真无论运放的开环还是闭环模式都可以定义输入输出共模范围，因为运放常工作在闭环状态

33、，这种测量使输入输出CMR 更敏感。 单位增益结构对于测量和仿真输入CMR 是有用的，如图 7 所示为运算放大器的输入CMR 仿真。 其中对输入v1 从测输出结构，传输曲线的线性部分对应于输入共模电压范围的斜率是下：0 到 VDD 进行参数扫描， 观1。仿真设置和结果如图 8 输出共模范围仿真在单位增益结构中，传输曲线的线性受到ICMR 的限制。若采用高增益结构，传输曲线的线性部分与输出电压摆幅一致。图8 为反相增益为10 的结构可用来测试输出CMR 。设置同上，结果如下：图 9 共模抑制比仿真图 9 所示为运放共模抑制比的仿真电路结构，两个相同的电压源Vcm ，与单位增益结构的运放的两输入端连接，这可以用计算器完成原理见V1 提供输入共模电平。对输出的结果取倒数可以得出Allen 运算放大器仿真。仿真设置如上，结果如下：CMRR ，输入直流电压为1V 时共模抑制比扫描输入直流电压