介绍CMOS集成电路设计仿真软件的使用解读

1、电路模拟实验专题实验文档微电子中心王永生、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作为主要的仿貞工具，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

2、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2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Yds之间关系波形图。*Output Characteristics for NMOSMl 2 100MN

3、MOSw=5u 1=1.OnVGS 1 0 1.0YDS 205P.dcvdsO5.2Vgs 1 3 0.5.plot de -I(vds).probe*model.MODEL 1SINMOS NMOS X7TO=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。mA-vdsbranehsvccpV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）标题和电路结朿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。

4、在本例中，标题*Output Characteristics for NMOS.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（.subckDo 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：Ml 2 1 0 0INMOSw=5ul=1.0u表示的意思为：元器件关键字x D G S B模型名dm y=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s

5、pice模型参数，语句为.model如在本例中, .MODEL bINMOS NMOS VTO=0.7 KP=110U+LAMBDA=0.04 GA2MA=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立源和受控源，比如：V:独立电圧源：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,（3

6、）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（.de）,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内进行设巻，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 Characteristics for NMOSMl 2 100 INMOS w=5u 1=1.OuVGS 1 0 1.0YDS 205标题-元器件描述（模型名为MNMOS的场效应MOS

7、管 漏结点2、栅结点1、源结点0、衬底结点0, 栅宽5um,栅长lum）一激励源描述（连接在1和0结点之间的1V独立电压源）-激励源描述（连接在1和0结点之间的5 V独立电压源）pdcvdsO5.2Vgs 1 3 0.5.plot de -I(vds).probe*model.MODEL 1SINMOS NMOS VTO=0.7 ICP=110U+LAMBDA=0.04 GAM5IA=0.4 PHI=0.7.end一分析类型描述，直流工作点分析 一分析类型描述，直流扫描分析 (Vgs从IV变化到3V,步长为0.5V； Vi)s从0V变化到5V,步长为0.2V)一控制选项描述.打印声明-控制选项

8、描述，打印输出-器件模型描述，定义模型名为MNMOS 的NMOS类型的模型一结束语句三、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.stO、输岀列表文 件.lis、瞬态分析文件血、直流分析文件.sw、交流分析文件.ac等，输岀文件有运行状态文件.stO 和输岀列表文件lis在每次hspice运行后均有出现，英他的输岀文件视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Avanwavcs、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。I写输入网表

9、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而。注释 行以*打头，可加在文件中的任何地方。输入文件的编辑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, 个逗号，一个 等号或一个左/右圆括号分开。除UNIX系统中的文件冬外，不予区分大写或小写字母。每行语句长度限于80个字符以下。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。输入网表文件不能被“打包”，也不能被压缩。输入网表文件中不要采用特殊的控制字符。1 Inv

10、ocationRun scriptLiconsingSimulation configured onDesign inputLibrary in putOperating point Imtializatio nMultipoint analysisg. Single poim 自 na lysisWorst ease .ALTERClean up图3-1 Hspice的模拟流程K工具的使用Hspice可以采用命令行或图形界而的方式执行，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

11、lis文件。相对方便的方式是釆用图形界而的方式，如下UIP hspui 15924File Configuration Tool HelpDesignTitleListingVersion|d:edatoolssynopsyshspice z-2007.03demohspicebenchdemo.sp pile power sp test of the power supplies* This post can not be removed 1r |d:edatools5ynopsy$hspice z-2007 03demohspicebenchd(jmo lisfadOpenEdit LLE

12、ditNLEdit SLExploreExitCrWhats new?严SimulateCompileVAAvan wavesC scopeMulti-jobs Met aenc rypVER:Z-2007.03图3-2 hspicc仿真图形界而 按Simulate执行仿真，之后，采用Avanwaves或Cscopc来显示波形，分别如下,RiitulK BfCKvf订012【冷伽ItCloieW：tr$：vO3CceSsnilDOi D i;3svvj/j ； aOxrwi T-ixls nn-9(1S)g幺5ZGThe (tin) IT1KI1Confi9iif4ion Tool tUip曰

13、9凋8仔 |dOJWoVHp“bgc*doo p-TLT4 pO(l C4A fK4 boI WI*J |d机OH4ooMpcobMCdoo 7WecrWpcii_2 2107.的创隔分5 *趺 Me Wr/r.5 2-2W7 l)(2007fl? aE2. 3瞬态仿真图中电路的瞬态仿真spice程序如下 * TRAN analysis for APMl 2 100MOSNl=1.0uM2 2 3 4 4 MOSP w=5u 1=1.OuM3 3 3 4 4 MOSP w=5u 1=1.OuR1 3 0 100K*CL 2 0 5pVdd 4 0 DC 5.0Viii 1 0 DC 1.07

14、siii(2 2 lOOKHz) P.tian .lu lOu*.plot tianV(2) V(l).probe.option list node post*model.MODEL MOSN NMOS VTO=0.7 KP=110U+LAMBDA=0.04 GAM5IA=0.4 PHI=0.7.MODEL MOSP PMOS VTO 二0.7 KP=50U+LAMBDA=0.05 GAXMA=0.57 PHI=0.8.end大信号瞬态仿貞结果:GyphOt(s)改为小信号时，注意偏置值的选取。Viii 1 0 DC 1.07 siii(1.07 0.0001 lOOKHz)GraphOt(s

15、)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(mixO25_l.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，I天1此电路的性能参数发生了变化，特別要 注意的是输入偏置的设置。、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 cadcncc的ADE仿頁集成环境，可以

16、在图形界而下操作，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的设汁环境平台，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,9 icfb Logme rootsLovUuig auC LovxUjiq- sch loading- sei loading- sei itw or vsxn

17、IkOUftfi Lr在 Name 内添上 labL ok 后，选择 Dont need a techfilet 然后 ok。姬咖!晦BE 翼HelpCancelTechnology File for library lablHIf you will be creatjng mask layout or other physicaJ data in this library, you will need a technology filR IT you plan to use only schematic or HDL data, a technology file is not requir

18、edYou can: 、Compile a new techfile、Attach to an existing techfile Dont need a techfile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，在设汁库里建立一个schemtic view,在Library Manager菜单Ncw cell view,填入ampl, view name选schematic,然后ok,则会出现电路图的编辑界而。插入元器件，选择analogLib中的nmos4

19、、pmos4、res、cap等器件。roo34syibol8如ntlineJ3n8强戶2MportauCdlaMLLibA2portauLvsWQlogLibn3portcdoSpioeboneiylpor tJhspweDcdsDefT-chLibnbsinhspxceSfcnctaonalribsiM3pectcel,4口 m.4ayrbol形成如下电路图,然后check and save如下图。Q Virtuoso Schematic Edilinu: labl ampl schemdUc.Sel:0Status: ReadyT=27 C Simulator: sfjectn 10Too

20、l, Design Window Edil Add Check Sheet Options MgratpHelpmouae L ochSingleSoloctPt()fl: schHiKousoPopUp ()R echZoonFit(1.0 0. 9)nR!r=卜而做这个放大器的 symbol, Design-Create Cellview - From Cell view,在弹出的界面, 按ok后出现symbol Generation options,选择端口排放顺序和外观，然后按ok出现symbol 编辑界而。按照需要编借成想要的符号外观，如下图匚保存退岀。/mpDesert Wntio

21、w EdH fM Oiec* Optuxise下而建立仿真的电路图cut_amplo方法和前面的“建立schemtic view的方法一样， 但在调用单元时除了调用analogLib库中的电压源、（正弦）信号源等之外，将此放大器（labl 中的ampl ）调用到电路图中，如下图。Tools Design Window Edit Add Check Shset Options MigrateHelp下图是添加输入激励源的设宜匚在 schematic 编辑界而，选择 Tools- Analog Environments 出现 Virtuoso Analog DesignEnvironment (A

22、DE),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， setup-Simulator/Directory/Host.中选择 simulator 为 spectre , project Directory 改 为./simulationa Sctup-Model Libraries 中 Model Library File 找到 sm046005-lj.scs 文件填入， section部分填typical,如下图,按add,然后ok。Variables-copy from cellview,则电路中的变虽:出现在 ADE 中 Design Variable 一栏中, 如下图

23、，至此工具的初步使用已经进行了简单的介绍，下而结合具体的基本电路仿真进行介绍。2.基本电路分析2. 1直流仿真结合上面例子，首先设计仿真电路中的变Mi vpower=3, vbias=L va=2, f0=100Ko然 后选择 Analyses-choose,在 analysis 一栏中选 de,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*Choosing Analy

24、ses - Wriuoso Analog Drslqn EnWronmw然后，simulation-Netlist and Run,运行仿真。再后观察仿真波形，这里有两种波形查看工具，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中选择需要输岀波形的节点，如out,然后按plot,得到如下波 形，vbiasA:(772e488m 2.S68&2)delta: (l3lJ68m -2,7679&)氏 03656m 10064m)slope:二2026可见输入偏

25、置在772.5mv903.7mv的范围内存在一个髙增益区，因此输入偏巻应设宜在这 个区域内，改vias从lv到0.86vo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 buffer,比如査看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的山。2. 2交流仿真后选择Analyscschoosc,在analysis 一栏中选ac,注意此时vbias已经选择到了 0.82v Sweep Variable 选 Frequency,

26、Sweep Range 选 1 100卜1,按 ok。Choosing Analyses - Virtuoso Analog Design EnSroWOK Cancel Defaults:ApplyHelpAnalysisxtranyzdc acv noisex/Xfxsensv dcmatchX/Stt)X/PZSPV envlp“ssx/pacv pnoiseX/PXfx/qpssx/qpacx/ qpnoiseSPMXZNetlist and Run,运行仿真。仿真运行结束后,仍可以采用calculator打印 结果。这里采用另外一种方法，在ResultsDirect Plot选中AC

27、 Magnitude & Phase,然后在 schematic view中点中out,则AC的结果打印如下图。Ichoose,在 analysis 一栏中选 tran,Choosing Analy5Q - Virtuoso Arulog Design Environm 口Analysis * trail7 noisesfsensdcmatchxZsW/PZ/spv envlpSss“ac7 pnoise“xfvPsPx/qpss qpacoisevqpspCancel Defaults Apply |Transient AnalysisStop TimeOptions.Accuracy De

28、faults (errpreset) conservative moderate liberal| Enabled 大信号IV时,0.0, 5.0u10utime ( s )小信号0.1 mV时,time ( s )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別重新进行仿貞，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il分析方法。比较器采用单级运放后加一反相器构成，如图4所示。其中Ibias为自偏置电路如图5A 所示(注：自偏置电路原理见R

29、azavi书310页，实际工作时要加上启动电路，解释启动电 路的原理。)，comp_amp为一级运放如图5B所示，inv为反向器。1=3 r=1u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左的电压增益（考虑英值是多少时满足性能要求）。首先确左所采用管子的宽度（所 有晶体管的沟道长度不必为同一值），手工设讣：根据拟左的设计指标，确左满足指标 的运算放大器各元件的尺寸和所需要的偏宜电流的大小（可能需要迭代）；设计偏置电路：采用自偏置电流源技术a）选左电路结构；b）手工设计：确定各元件的尺寸：c）Spectre仿真（采用TT Cor

30、ner模型），验证电流源的性能；将偏宜电路和运算放大器电路合在一起仿真（采用TT Corner模型，27）,确左运 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）输岀电压摆幅；0 压摆率：g）建立时间：h）噪声；i）功耗；采用SS Corner模型，3仿真温度，重新仿真以上参数。 采用FFCorner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R0形成负反馈通路从而确左输出共模电平（此时的共模电平实际是VI的直流值）, 并稳左宜流偏苣。在这个电

31、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lmf电容，具体见alien 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VI相等。vddV1comp.ut. at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IV,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：CancelApplyDefaultsPreviousNext)AddDelete需6 User Property I vs Ignore

32、Master ValueTRUEModifyLocal ValueDisplayvaluevin V vin V 10m VIK HzDisplayCDF ParameterAC magnitudeAC phaseDC voltageOffset voltage/AmplitudeFrequencyDelay timeDamping factor同理设置电阻电容值和直流电源值（直流电压），后在菜单栏tools-Analog Environment 调用仿真工具进行电路仿頁。选取仿貞工具，添加模型文件并进行仿真设程，下而主要介绍 一下仿貞的设宜，包括交流瞬态（nu】、交流也、直流de、噪声noi

33、se,具体如下所示：l choosing Analyses Virtuoso Analog Design Envirorl choosing anedyses 一 Virtuoso Analog Design Enwiroi Choosing州帖”恣-Analog Dedgn Enviroru| 一 Choosing Analy凭s WrtuosW Analog Design EnvironrrCancelDefaultsOKCancel DefaultsAnalysistranvdc acnoisexfsensdcmatchstbF曲呷pss、闫cpnoise、网qpnoiseqpxfqps

34、pSweep VariableNoise AnalysisAC AnalysisSv/eep Variable FrequencyDesign VariableTemperatureComponent ParameterModel Parameter FrequencyDesign VariableTemperature Component Parameter Model ParameterSweep Range Stt-StopCenter-SpanSweep Typesweep Range Start-StopCenter-SpanStart1stop106.Sweep Type Poii

35、ite Per Dec: vin=*1.8 * vin=,1.7 vin=M1.&瞬态结果如下（瞬态电压幅值为50mV,频率为IK）, 达到0,且与输入的直流电平有关，在不同的直流输入下, 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，英输入等效噪声如下:Noigg Reepodeq(MHrbpA)图7输入共模范吊I仿真无论运放的开环还是闭环模式都可以泄义输入输岀共模范围，因为运放常工作在闭环状 态，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vl从0到VDD进行参数扫描，观 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1。仿真设豊和结果如 下：1 choosing Analyses virtuoso Analog Design EnvlronrOK Cancel Defaults AfiplyHelpAnalysisO trail de acnoisexfsensdcmatchstbpzJSPenvlp一卩ssJpacpnoiscpxfJPSPqpssqpacqpnoiscqpxfqpspDC AnalysisSave DC Operating PointSweep