集成电路设计CAD-EDA工具实用教程2-Spi课件

Spectre/Hspice/Ultrasim

介绍2023/6/7共79页1contentCadence中Spectre的模拟仿真Hspice的使用Ultrasim仿真技术2023/6/7共79页2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2023/6/7共79页3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。2023/6/7共79页4高精度电路仿真器1、Spectre/SpectreRF(cadence)2、Hspice/HspiceRF(avanti)3、Ads(Agilent

主要针对RF)4、eldo(MentorGraphics)5、saber(Synopsys)2023/6/7共79页5Cadenc软件简介Cadence提供了一个大型的EDA软件包，它包括：ASIC设计全定制IC设计工具VirtuosoSchematicComposer电路仿真工具AnalogDesignEnvironmentFPGA设计PCB设计2023/6/7共79页6Cadence中Spectre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、运算放大器仿真实例2023/6/7共79页7一、进入Cadence软件包方法一

安装并运行exeed软件，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，然后点击Open。2023/6/7共79页81、键入用户名和密码，在提示符处键入:source/opt/demo/cds.env(回车)2、setenvDISPLAY本机ip:0.0(回车)，再键入icfb&，出现的主窗口如图所示:2023/6/7共79页9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2023/6/7共79页10二、建立可进行SPECTRE模拟

的单元文件主窗口分为信息窗口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2023/6/7共79页11File菜单在File菜单下，主要的菜单项有New、Open、Exit等New菜单项的子菜单下有Library、Cellview两项。Library项打开NewLibrary窗口，Cellview项打开CreateNewFile窗口。Open菜单项打开相应的OpenFile窗口。Exit项退出Cadence软件包。LibraryCellSchematicSymbolLayoutVerilog（View）2023/6/7共79页12Library,Cell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，extracted，ivpcell等等,新建Cellview要注意选择View的类型。2023/6/7共79页13Tools菜单在Tools菜单下，比较常用的菜单项有LibraryManagerLibraryPathEditorTechnologyFileManagerLibraryManager项打开的是库管理器。在窗口的各部分中，分别显示的是Library、Category、Cell、View相应的内容。2023/6/7共79页14LibraryPathEditor可以对本用户的文件路径进行修改TechnologyFileManager基本上都是和工艺相关的功能和设置。比较常用的是EditLayers可以使用在版图编辑中，用来修改原始图层的一些属性。LibraryPathEditor&TechnologyFileManager2023/6/7共79页15Options菜单Options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。2023/6/7共79页16三、编辑可进行SPECTRE模拟

的单元文件选择主窗口File→Open→Openfile，打开相应的SchematicView，即进入了Composer-SchematicEditing窗口，如右图所示。2023/6/7共79页17工具栏介绍从上至下：1.CheckandSave2.Save3.Zoominby2]4.Zoomoutby2[5.Stretchs6.Copyc7.DeleteDel8.Undo9.Propertyq10.Instancei11.Wire（Narrow）w12.Wire（Wide）13.WireNamel14.Pinp15.CmdOptions16.Repeat2023/6/7共79页18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symbol2023/6/7共79页19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vsin2023/6/7共79页20元器件symbol视图2023/6/7共79页21一些快捷键以下是一些常用的快捷键：i

添加元件，即打开添加元件的窗口；[

缩小两倍；]

扩大两倍；w

连线（细线）；f

全图显示；p

查看元件属性；m

整体移动（带连接关系）；shift+m

移动（不带连接关系）。2023/6/7共79页22四、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。2023/6/7共79页23AnalogDesignSimulation菜单介绍Session菜单SchematicWindow

SaveState

LoadState

Options

Reset

Quit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2023/6/7共79页24Setup菜单Setup菜单Design

Simulator/directory/host

Temperature

ModelLibraryEnvironment选择所要模拟的线路图选择模拟使用的模型一般有cdsSpice

hspiceS

spectre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）2023/6/7共79页25Analyses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）。2023/6/7共79页26tran（瞬态分析）2023/6/7共79页27dc（直流分析）dc（直流分析）可以在直流条件下对temperature，DesignVariable，Component

Parameter，ModelParameter进行扫描仿真举例: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2023/6/7共79页28ac（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。2023/6/7共79页29Variables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。2023/6/7共79页30其它有关的菜单项（1）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。2023/6/7共79页31其它有关的菜单项（2）Outputs/Tobeplotted/selectedonschematicschematic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2023/6/7共79页32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计算器（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。

2023/6/7共79页33Calculator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2023/6/7共79页34其它有关的菜单项（3）Results菜单2023/6/7共79页35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2023/6/7共79页36分模块模拟(建立子模块)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。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（viewname），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、提高效率、简化设计。2023/6/7共79页37schematic和symbol图在LibraryManager中分别建立cellview

的schematic(view)和symbol(view)，如下图所示。两者的Pin的名称必须一致，这样才能建立起一一对应的关系。2023/6/7共79页38建立子模块的方法1、直接建立在LibraryManager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/label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/SelectionBox命令添加选择框。2、间接建立打开cell的schematic(view)，用子菜单Design/CreateCellview/FromCellview命令。在弹出的窗口里输入相应的名称后，单击OK2023/6/7共79页39子模块的调用在Schematic中点击AddInstance。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。2023/6/7共79页40五、运算放大器仿真实例1、电路图的输入（共模反馈型运放），如下图所示：2023/6/7共79页412、建立Symbol图2023/6/7共79页423、仿真电路图示意2023/6/7共79页434、运放小信号仿真示例电源电压Vdc=3.3V；交流信号源acm=1V；负载电容Cload=5pF；采用Spectre分析方式，选择交流分析（ac），设置如下：SweepVariable：FrequencySweepRange：1Hz~100MHz仿真完成后，点击Result->DirectPlot->ACGain&Phase

查看运放的幅频特性和相频特性

2023/6/7共79页44仿真结果该运放直流增益为80.9dB，单位增益带宽为82MHz，相位裕度为67.32deg。2023/6/7共79页45相位裕度与负载电容的关系曲线仿真

1、设置相位裕度输出，点击Outputs->Setup其中运用了Candence函数PhaseMargin2023/6/7共79页46相位裕度与负载电容的关系曲线仿真2、点击Tools->ParametricAnalysis设置负载电容的扫描范围和扫描步长，其中RangeType选择From/To，StepControl选择LinearSteps2023/6/7共79页47相位裕度与负载电容的关系曲线仿真3、点击ParametricAnalysis中的Analysis->Start得到相位裕度与负载电容的关系曲线如图：2023/6/7共79页485运放直流仿真示例目标：仿真输出电压与输入电压的变化曲线方法：采用直流仿真（dc）仿真参数设置

1、在仿真电路图中将信号源的输入电压定义为变量Vin2、在仿真环境界面中选择Variables->CopyFromCellview,将电路中设置的变量集中在DesignVariables栏中，初始化Vin和Cload变量，其中Vin=0V，Cload=5pF

2023/6/7共79页493、设置dc仿真，其中SweepVariable选择DesignVariable，在VariableName中填写Vin，SweepRange选择Start-Stop，Vin的扫描范围为-1mV~1mV2023/6/7共79页504、仿真结果（横坐标为输入电压，纵坐标为输出电压）如图我们可以看出：运放的输出摆幅大约为-2.55V~2.55V2023/6/7共79页516、瞬态仿真示例目标：通过仿真得到运放的摆率方法：运用瞬态仿真，输入信号设置为电压脉冲，观察输出电压的变化情况参数设置：输入信号源采用analoglib中的脉冲发生器vpwl，输入电压初始值为0V，在10ns~10.1ns跳变到4VTran仿真时间为100ns

在电路图中选择输出变量，Outputs->ToBePlotted->SelectOnSchematic，在这里我们选择输入脉冲以及输出电压2023/6/7共79页52仿真结果如图我们可以计算得到：运放摆率SR=117V/us2023/6/7共79页53附：Hspice

简介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。教材计算：采用Level2的MOSModelFoundry：Level49和Mos9、EKV等因此设计者除利用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，以便得到更精确的结果。

2023/6/7共79页54Hspice的使用使用Hspice需要有hspicefile（*.sp），它的来源主要有以下两种方式：（一）自己写（二）由Cadence中的schematic文件得到2023/6/7共79页55*.sp文件的生成（1）创建需要进行仿真的电路，设定好各项参数，包括激励源的设置。2023/6/7共79页56*.sp文件的生成（2）选择Simulate/Directory/Host菜单仿真器选择hspiceS选择ModelPath菜单设置库的路径2023/6/7共79页57*.sp文件的生成（3）选择Analyses菜单下的choose项选择仿真类型（tran）Simulation->Netlist->CreateFinalFile->SaveAs,输入存放的全路径2023/6/7共79页58运行Hspice由于工作站版的Hspice没有license不能用，因此采用单机版的Hspice。版本是2002.2.22023/6/7共79页59修改*.sp文件在进行Hspice仿真之前，还要对刚刚生成的*.sp文件进行修改，如图所示，添加hspice的库文件和仿真精度（ttffss

fs

sf）注意：库文件的具体路径要写对，而且要是Hspice的库POST必须加上2023/6/7共79页60用Hspice进行仿真仿真查看错误信息波形查看器2023/6/7共79页61AvanWaves波形观察器2023/6/7共79页62AvanWaves波形观察器2023/6/7共79页63

Ultrasim仿真技术传统的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。2023/6/7共79页64设定ultrasim仿真环境变量输入source/opt/demo/ultrasim.env输入icfb&2023/6/7共79页65

Ultrasim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2023/6/7共79页66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。2023/6/7共79页67如同spetre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Analyses菜单中可以选择分析类型，从Analyses→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。2023/6/7共79页68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。2023/6/7共79页69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。2023/6/7共79页701．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。2023/6/7共79页712023/6/7共79页72DigitalFast(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。DigitalAccurate(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％。MixedSignal(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。2023/6/7共79页73AnalogMultiRate(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