电路仿真快速仿真数模混合仿真

1、 2013年年10月月SPECTREULTRASIMSPECTRE-VERILOG内容提要内容提要lSpectre模拟仿真模拟仿真lUltrasim快速仿真快速仿真lSpectreverilog数模混合仿真数模混合仿真l演示演示浙大微电子2/105三大三大EDA （Electronic Design Automation）软件公司软件公司l1、Cadencel2、Synopsys（收购（收购Avanti, Magma） l3、Mentor Graphics浙大微电子3/105浙大微电子4/105各种仿真器简介各种仿真器简介lSPICE : 由UC Berkeley 开发。用于非线性 DC分析，

2、非线性瞬态分析和线性的AC分析。lHspice: 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。 lSpectre: 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。浙大微电子5/105高精度电路仿真器高精度电路仿真器l1、Spectre/SpectreRF(cadence)l2、Hspice/HspiceRF(avanti)l3、Ads(Agilent 主要针对RF)l4、eldo(Mentor Graphics)l5

3、、saber(Synopsys)浙大微电子6/105Cadenc软件简介软件简介Cadence 提供了一个大型的EDA 软件包，它包括：lASIC 设计 全定制IC设计工具Virtuoso Schematic Composer 电路仿真工具Analog Design EnvironmentlPCB设计lFPGA 设计浙大微电子7/105Cadence中中Spectre的模拟仿真的模拟仿真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

4、、仿真实例浙大微电子8/105Spectre模拟仿真模拟仿真浙大微电子9/105一、进入一、进入CadenceCadence软件包软件包l步骤一步骤一 下载安装下载安装putty软件软件（http:/ ），在），在Host name处填工作站地址，处填工作站地址，端口默认，协议端口默认，协议（protocol）选）选SSH，如，如图所示，在图所示，在putty进行设进行设置；然后登录工作站。置；然后登录工作站。浙大微电子10/105用户名用户名密码密码修改密码：修改密码：passwdVNC端口申请端口申请端口号端口号浙大微电子11/105l步骤二步骤二下载下载winvnc软件软件（http:/

5、 运行运行winvnc，填入，填入主机名称主机名称 ：端口号码：端口号码38:3端口号端口号38:3浙大微电子12/105CadenceCadence软件启动软件启动l1.创建启动软件的目录创建启动软件的目录 mkdir filename(任意名任意名)l2.进入该目录进入该目录 cd filenamel3. 寻找寻找cadence环境变量环境变量 source /opt/demo/cdsmmsim7_cal9.envl4. 启动软件启动软件 icfb &浙大微电子13/105二、建立可进行二、建立可进行SPECTRESPECTRE模拟模拟的单元

6、文件的单元文件主窗口分为信息窗口（command interpreter window,CIW)、命令行以及主菜单。信息窗口会给出一些系统信息（如出错信息，程序运行情况等）。在命令行中可以输入某些命令。主菜单包括：1、File菜单 2、Tools菜单 3、Options菜单浙大微电子14/105File菜单菜单l在File菜单下，主要的菜单项有New、Open、Exit等lNew菜单项的子菜单下有Library、Cell view两项。Library项打开New Library窗口，Cell view项打开Create New File窗口。lOpen菜单项打开相应的Open File窗口。l

7、Exit项退出Cadence软件包。LibraryCellSymbolSchematicVerilogLayout（View）浙大微电子15/105Library,Cell以及以及View 1、library(库)的地位相当于文件夹，它用来存放一整个设计的所有数据，包括子单元（cell）以及子单元（cell）中的多种视图（view）。新建时注意选择是否链接新建时注意选择是否链接techfile。 2、Cell（单元）可以是一个简单的单元，像一个与非门，也可以是比较复杂的单元（由symbol搭建而成）。 3、View则包含多种类型，常用的有schemetic，symbol，layout，veri

8、log，extracted等等 ,新建新建Cellview要注意选要注意选择择View的类型。的类型。浙大微电子16/105Tools菜单菜单l在Tools菜单下，比较常用的菜单项有 lLibrary ManagerlLibrary Path EditorlTechnology File ManagerLibrary Manager项打开的是库管理器。在窗口的各部分中，分别显示的是Library、Cell、View相应的内容。 浙大微电子17/105Library Path Editor可以对本用户的文件可以对本用户的文件路径进行修改路径进行修改Technology File Manager基

9、本上都是和工艺相关的功能和设置。比较常用的是Edit Layers 可以使用在版图编辑中，用来修改原始图层的一些属性。 Library Path Editor & Technology File Manager浙大微电子18/105Options菜单菜单lOptions菜单主要是对Cadence的一些参数进行调整和设置，如快捷键等。一般无需设置，直接使用默认值。浙大微电子19/105三、编辑可进行三、编辑可进行SPECTRESPECTRE模拟模拟的单元文件的单元文件选择主窗口FileOpenOpen file，打开相应的Schematic View，即进入了Composer-Schematic

10、 Editing 窗口，如右图所示。 浙大微电子20/105工具栏介绍工具栏介绍从上至下：1.Check and Save 2.Save3.Zoom in by 2 4.Zoom out by 2 5.Stretch m6.Copy c7.Delete Del8.Undo u9.Property q10.Instance i11.Wire（Narrow） w12.Wire（Wide） W13.Wire Name l14.Pin p15.Cmd Options16.Repeat浙大微电子21/105添加元器件添加元器件点击右边工具栏“Instance”或快捷键 ”i”基本的理想元器件，如NMOS

11、 PMOS 电阻 电容 电压源 电流源 等等 都在analoglib库里。注意！注意！View要选择要选择symbol浙大微电子22/105常用常用analoglib库的元器件库的元器件器件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vsin浙大微电子23/105元器件元器件symbol视图视图浙大微电子24/105m：移动shift+m（M）：移动器件但不移动连线Delete：删除i：添加元器件p：添加端口r：旋转器件并拖动连线q：

12、属性编辑l（小写L）：添加线名shift+l（大写L）：标注N：添加几何图形W：连线（总线）x：检查并存盘s：存盘：缩小：放大f：整图居中显示u：撤销上一次操作Esc：清楚刚键入的命令c：复制shift+N：添加标号g：查看错误w：连线（单线）一些快捷键一些快捷键浙大微电子25/105附加功能：F3浙大微电子26/105四、模拟仿真的设置四、模拟仿真的设置( (重点重点) )Composer-schamatic界面中的Tools Analog Environment项可以打开Analog Design Environment 窗口，如下图所示。浙大微电子27/105Analog Design

13、Simulation菜单介绍菜单介绍Session菜单菜单Schematic Window Save State Load State Options Reset Quit回到电路图回到电路图保存当前保存当前所设定的所设定的模拟所用模拟所用到的各种到的各种参数参数加载已加载已经保存经保存的状态的状态一些显一些显示选项示选项的设置的设置重置重置analog artist。相当于相当于重新打重新打开一个开一个模拟窗模拟窗口口退出退出浙大微电子28/105Setup菜单Setup菜单菜单Design Simulator/directory/host Temperature Model Library

14、 Environment选择所要选择所要模拟的线模拟的线路图路图选择模拟使用选择模拟使用的模型一般有的模型一般有cdsSpice hspiceS spectre等等 设置模拟仿设置模拟仿真时的温度真时的温度设置库文件设置库文件的路径和仿的路径和仿真方式真方式设置仿 真 的设置仿 真 的环境（ 后 仿环境（ 后 仿真时需设置）真时需设置）浙大微电子29/105Analyses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）。浙大微电子30/105tran（瞬态分析）（瞬态分析）可选择三种仿真精确度：宽松的（宽松的（libera

15、l）：仿真速度最快，但是精度最低，适合仿真数字电路或者是变化速度较低的模拟电路；适中的（适中的（moderate）：作为仿真器默认的设置，精确度类似于用SPICE2计算的仿真结果;保守的（保守的（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 浙大微电子31/105dc（直流分析）（直流分析）dc（直流分析）可以在直流条件下对TemperatureDesign VariableComponent ParameterModel Parameter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浙大微电子32/105ac（交流分析）

16、（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。浙大微电子33/105Variables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（parametric analysis）时用到。浙大微电子34/105其它有关的菜单项（1）Tools菜单菜单Tools内包含了参变量分析工艺角仿真蒙特卡罗仿真参数优化器计算器结果浏览器等非常实用的工具。浙大微电子35/105Tools/Parametric

17、 Analysis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。浙大微电子36/105Tools/Results Browser它提供了电路中各个元件（MOS管、电阻等）的各项重要参数。比如DC仿真后MOSFETs的实际Vth，gm等参数浙大微电子37/105其它有关的菜单项（2）Outputs/To be plotted/selected on schematic schematic子菜单用来在电路原理图上选取要显示的波形（点击连线选取节点电压，点击元件端点选取节点电流），这个菜单比较常用浙大微电子3

18、8/105其它有关的菜单项（3） Outputs/Setup 当然我们需要输出的有时不仅仅是电流、电压，还有一些更高级的。比如说：带宽、增益等需要计算的值，这时我们可以在Outputs/setup中设定其名称和表达式。在运行模拟之后，这些输出将会很直观的显示出来。 举个例子：标识3db的点，我们用到的表达式如下：bandwidth（VF(“/Out)，3，“low”） 需要注意的是：表达式一般都是通过 caculator 输入的。Cadance自带的计算器功能强大，除了输入一些普通表达式以外，还自带有一些特殊表达式，如bandwidth、average等等。 浙大微电子39/105Calcul

19、ator的使用的使用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，计算频谱等浙大微电子40/105其它有关的菜单项（4）Results菜单浙大微电子41/105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，如左图浙大微电子42/105l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。P 对应的是不同的工艺角类型；（在smic 40nm cmos工艺下Mosfet有ss sf tt fs ff

20、五种工艺角。电阻，电容，电感，二极管等各有三个工艺角）V 指的是电源电压，要求仿真标称值的10%电源电压下的电路的仿真结果；T 温度要求对于芯片的应用范围有所不同，一般民用级是 070，工业级是 -4085， 军用级是 -55125。浙大微电子43/105分模块模拟(建立子模块)l存在问题 在电路越来越复杂的情况下，存在许多重复单元，如果花时间分别去建立schamatic，明显会使工作更繁复。l解决方案 我们在建立了一个子电路后，可以将其看作一个整体，建立一个模块,即建立一个symbol（view name），放在用户自己库里的作为一个器件(component)来用，这样可以大大减小工作量、提

21、高效率、简化设计。浙大微电子44/105schematic和和symbol图图在Library Manager中分别建立cellview 的schematic (view)和symbol(view)，如下图所示。两者的Pin的名称和属性必须一致，这样才能建立起一一对应的关系。浙大微电子45/105建立子模块的方法建立子模块的方法1、直接建立在Library Manager中新建cell，在弹出的窗口的Tool项选择Composer-symbol,即建立的是symbol(view);用子菜单Add/Shape/Line和Add/Shape/Circle的命令画出所需的形状；用子菜单Add/lab

22、el的命令添加标签instanceName；用子菜单Add/PIn的命令添加管脚用子菜单Add/Selection Box命令添加选择框。2、间接建立打开cell的schematic(view)，用子菜单Design/Create Cellview/From Cellview命令。在弹出的窗口里输入相应的名称后，单击OK浙大微电子46/105子模块的调用子模块的调用在Schematic中点击Add Instance。然后在Library中选中你的子模块所在的library，cellview，symbol。这样就可以调用你设计的子模块了。浙大微电子47/105FSK（Frequency-shif

23、t keying）频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息。要求：输入250 KHz，03 V方波当输入为高电平，输出频率为2M Hz信号当输入为低电平，输出频率为2.5M Hz信号五、FSK电路仿真实例浙大微电子48/1051、搭建FSK电路，如下图所示：浙大微电子49/1052、建立Symbol图为电路创建SYMBOL之后该电路即可作为模块方便被其它电路调用浙大微电子50/105管脚位置，名称浙大微电子51/1053 建仿真电路建仿真电路l创建仿真电路cell及schematicl调用所需各模块并连接浙大微电子52/105浙大微电子53/1054 设置仿真器设置仿真器l运行Analog

24、Environmentl设置Model Libraries浙大微电子54/105Analysis菜单选择模拟类型。选择模拟类型。Spectre的的分析有很多种，如右图，分析有很多种，如右图，最基本的有最基本的有tran（瞬态分析）（瞬态分析）dc（直流分析）（直流分析）ac（交流分析）（交流分析）tran（瞬态分析）可选择（瞬态分析）可选择三种仿真精确度：三种仿真精确度：宽松的（宽松的（liberal），），适中的（适中的（moderate），），保守的（保守的（conservative）。）。停止时间停止时间浙大微电子55/105添加观察信号仿真1234浙大微电子56/105浙大微电子57/

25、105频谱分析频谱分析1/51/5浙大微电子58/105频谱分析频谱分析2/52/5浙大微电子59/105频谱分析频谱分析3/53/5浙大微电子60/105频谱分析频谱分析4/54/5浙大微电子61/105频谱分析频谱分析5/55/5浙大微电子62/105 Ultrasim仿真技术仿真技术l传统的SPICE模拟器(例如Spectre、PSPICE)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SPICE模拟器，即所谓的Fast SPICE模拟器，即Ultrasim模拟器，采用了电路划分、多速率模拟和压缩

26、表模型等技术。浙大微电子63/105设定设定ultrasim仿真环境变量仿真环境变量l输入source /opt/demo/cdsmmsim7_cal9.envl输入icfb &浙大微电子64/105 Ultrasim仿真环境设置仿真环境设置 l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ToolsAnalog Environment项就可以打开ADE窗口。浙大微电子65/105l此时ADE窗口默认的仿真器Simulator为spetre，为了设置使用Ultrasim仿真器，点击Setu

27、pSimulator/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。浙大微电子66/105l如同spetre仿真，在SetupModel Library Setup选择模型文件的路径，并填入仿真模型的工艺角类型。l在Analyses菜单中可以选择分析类型，从AnalysesChoose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。浙大微电子67/105l接下来选择仿真所需要的精度和速度，如图所示，进入simulation菜单，选择OptionAnalog。浙

28、大微电子68/105然后显示如图所示的simulation option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：仿真模式仿真模式仿真速度仿真速度矩阵分割矩阵分割波形文件格式。波形文件格式。浙大微电子69/1051仿真模式设置（仿真模式设置（Simulation Mode）Simulation Mode中有6种模式：1.Digital Fast（DF）2.Digital Accurate(DA)3.Mixed Signal（MS）4.Analog Multi Rate (AMR)5.Analog（A）6.Spice（S）浙大微电子70

29、/105六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。浙大微电子71/105lDigital Fast (DF) 模式的目标精确度是相比之下S模式的10以内，为数字电路和存储器的功能验证而设计。这是通过使用MOSFET的数字非线性电流模型，MOSFET、 MOSFET的扩散结和二极管固定电容模型来实现的。此分割算法用于提供高速仿真。 lDigital Accurate (DA)模式是用于数字电路和存储器时序验证、一些PLL和混合信号设计。此模式采用MOSFET的数字非线性电流

30、模型和MOSFET扩散结、二极管的充电模型。此模式使用分割算法，目标模拟误差小于5。 lMixed Signal (MS)模式为模拟、混合信号和PLL的应用提供了所需的精确度。它采用分割算法和一个MOSFET的电流和充电，MOSFET的扩散结和二极管模拟的典型模型。此模式的目标精度在3以内。浙大微电子72/105lAnalog Multi Rate (AMR)模式应用于那些过于敏感而不能使用MS模式模拟，或者过于复杂而不适用一个模式多速率行为应用。与一个模式相比，它具有的更高仿真速度是通过使用保守的模拟分区实现的，但是仅限于多速率行为的设计。目标精度为S模式2以内。 lAnalog (A)模式

31、应用于如AD、DA和 DC/DC电路等高精度应用。它使用与MS模式相同的模拟典型模型。它模拟在一个分区的设计。由于模拟典型模型，它提供了速度比传统SPICE快3到10倍的仿真。lSPICE (S)模式采用Berkeley SPICE 模型，并匹配其他SPICE仿真器（目标误差1%）浙大微电子73/1052.仿真速度设置（仿真速度设置（speed option）Speed option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。Speed option有八个选项，分别是speed1,2,3,4,5,6,7,8。其对tol分别是0.0001 ,

32、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。浙大微电子74/1053.矩阵分割设置（矩阵分割设置（analog option）lultrasim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、

33、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）浙大微电子75/1054. 波形文件格式的设置（output format） 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。浙大微电子76/105l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Netlist and Run，

34、即可进行Ultrasim的仿真。浙大微电子77/105浙大微电子78/105浙大微电子79/10580SpectreVerilog仿真技术仿真技术lMixed-Signal Simulator 的基本结构的基本结构 以模拟电路仿真器为核心以模拟电路仿真器为核心 在处理数模混合电路时将数字部分等效为相应的简化的模拟电路、或者采用解析函数来表示逻辑模块的行为，然后对整个系统采用模拟电路的方法进行模拟。优点：模拟结果精确、能处理的电路规模比较大，模拟速度也有显著提高。缺点：比逻辑模拟器还是慢很多。 同时包含模拟和数字两个仿真核同时包含模拟和数字两个仿真核 处理速度快，能处理的电路规模极大，但需要解决模拟仿真核和数字仿真核之间的通信问题；另外，由于数字逻辑仿真器和模拟仿真器的输入、输出数据是不一样的，还必须在模拟仿真核和数字仿真核之间实现模拟信号和数字信号的相互转换。共97页浙大微电子80/105软件启动软件启动lsource /opt/demo/cdsmmsim7_cal9.envlsource /opt/demo/l