第7章SPICE語言及電路仿真

1、第7章SPICE語言及電路仿真模塊概要：一、學習目標1、了解SPICE的電路設計流程及HSPICE電路仿真工具。2、掌握SPICE編程語言與編程技術。3、能夠使用HSPICE軟件進行電路仿真。二、學習指南能夠讀懂電路輸入網(wǎng)表，理解地掌握SPICE語言中分析及控制語句的設置，在仿真實例中學會編程技術和仿真方法。三、知識內容SPICE語言介紹：SPICE含義、產生、著名軟件、SPICE的電路設計流程。輸入語句的結構與規(guī)定輸入語句的結構、規(guī)定、一個簡單實例。電路元器件描述語句無源器件描述語句、有源器件描述語句、電源描述語句、其它語句。電路特性分析語句直流分析、交流分析、瞬態(tài)分析、蒙特卡羅分析和靈敏度

2、/最壞情況分析、溫度分析。電路特性控制語句初始狀態(tài)設置語句、參數(shù)、函數(shù)定義語句、重置參數(shù)語句、輸出控制語句。緩沖驅動器設計實例以緩沖驅動器的設計實例，來說明電路網(wǎng)表的編寫、直流分析、時序分析、驅動能力的設計過程。放大器設計實例以一個常用的運算放大器設計實例，詳細地說明各種指標的實現(xiàn)、各種仿真分析的進行過程。設計方法與設計工具介紹電路仿真介紹集成電路著名而常用的模擬電路仿真軟件HSpice，包括HSpice簡介、HSpice的特點與結構、HSpice的具體功能、HSpice的流程、HSpice的輸入網(wǎng)單文件、HSpice的輸出等。四、練習.國際公認的工具是美國加利福尼亞大學伯克利分校開發(fā)的程序。

3、答案：模擬電路通用仿真、SPICE.商用的SPICE軟件主要有、與等。答案：Hspice、Pspice、SBTspice、SmartSPICE、Tspice.HSPICE是公司開發(fā)的一個商業(yè)化通用電路模擬程序，它可以從到高于的微波頻率范圍內，對電路作精確的仿真、分析和優(yōu)化。答案：Meta-Software、直流、100MHz.寫出MOS管的SPICE元件輸入格式與模型輸入格式。答案：元件輸入格式：M（）例如：M1outin00nmosW=1.2uL=1.2uM=2模型輸入格式：.Model例如：+NSUB=5.37E+15GAMMA=0.54PHI=0.6U0=656UEXP=0.157UCR

4、IT=31444其中，+為SPICE語法，表示續(xù)行。5.分壓式共射放大電路如圖所示。三極管的模型參數(shù)為：IS=1E-16, BF=100, RB=100;輸入交流信號，幅值為 1。求電路的靜態(tài)工作點，電壓放大倍數(shù)，輸入電阻及輸出電阻。設交流分析為線性掃描，頻率點數(shù)根據(jù)題意編寫SPICE程序。答案：Amplifying circuitVS 1 0 AC 1 RS 1 2 20010,起始頻率 1KHZ 終止頻率10KHzC+I2V)RB1 3 7 100KRB2 3 0 20KQ1 4 3 5 MQRc丸 _T23.即Fa5. ikaiknRE501KCE5050UBF=100 RB=100)V

5、CC7012.MODELMQNPN(IS=1E-16.OP.ACLIN101K10K.PLOTACV(6)/V(2)V(2)/I(RS)V(6)/I(RL).END五、實踐理想放大器電路設計與仿真1、電路原理圖放大器：增加信號幅度或功率的裝置，它是自動化技術工具中處理信號的重要元件，其作用是用輸入信號控制能源來實現(xiàn)的，放大所需功耗由能源提供。對于線性放大器，輸出就是輸入信號的復現(xiàn)和增強，對于非線性放大器，輸出則與輸入信號成一定函數(shù)關系。理想放大器：實際運放的開環(huán)電壓增益非常大，可以近似認為Aro,此時，有限增益運放模型可以進一步簡化為理想運放模型，簡稱理想運放。電路原理圖如下：圖1簡化的放大器

6、電路電路說明：用Hspice分析上圖簡化的放大器的暫態(tài)響應，利用電壓控制電壓源（EVCVS模擬簡化放大器，其增益為5。另外，利用一峰值為1V,60Hz的正弦輸入以一觀察節(jié)點3的輸出波形。2、HSPICE編程：*MacromodelofsimplifiedopampVp10sin(0160)R1121KR220100KE130205R3341KR4401KC1401U.tran1m20m.PLOTTRANvV(2)V(3).OPTIONSPOST.END3、仿真結果簡化放大器電路的波形圖如下:圖2簡化放大器電路的總體波形圖圖3放大器波形圖圖4V1的波形圖圖5V2的波形圖圖6V3的波形圖4、結果分

7、析HSPICE能實現(xiàn)集成電路設計中的穩(wěn)態(tài)分析，瞬態(tài)分析和頻域分析等電路性能的模擬。通過前期對電路的分析與后期的驗證，Hspice實現(xiàn)了電路波形的分析，輸出與預期結果相同。六、作業(yè).集成電路電路級模擬的標準工具是什么軟件，能進行何種性能分析？答案：集成電路電路級*II擬的標準工具是SPICE。主要可以進行如下分析：直流工作點分析直流掃描分析小信號傳輸函數(shù)直流或小信號交流靈敏度分析交流特性分析噪聲分析瞬態(tài)特性分析傅里葉分析失真分析零極點分析.構思一個CMOS放大器，畫出電路圖，編寫SPICE輸入文件。答案：M2V取T.titleCH6-4.include”.globalvddVccvdd05Vin

8、in0sin(0110G1ps0).trans0.01u4u.printtransv(out).end七、案例Gilbert cell電路設計與仿真1、電路原理圖Gilbertcell電路常使用于通信領域，為混波器，電路原理圖如圖1所示。k*VDD2、HSPICE編程*HSPICESIMULATIONFILEEX5-14*GILBERT.op.OPTIONSPOST=1LISTNUMDGT=8LIST.LIB.Mm0355vlTT.LIB.Mm0355vlBIPM11370NCHW=2UL=2UM22470NCHW=2UL=2UM32380NCHW=2UL=2UM41480NCHW=2UL=2

9、UM57590NCHW=2UL=2UM68690NCHW=2UL=2URD1VDD170KRD2VDD270KISS90100UAVIN130SIN(2.50.251000K)VIN240SIN(2.5-0.251000K)VC150SIN(1.50.2510000K)VC260SIN(1.5-0.2510000K)VDDVDD0DC5.TRAN5N5U010NS.PROBETRANV(1,2)V(3,4)V(5,6).END3、仿真結果Gilebertcell電路仿真結果V(in)與V(cont)波形，輸出電壓波形如圖2和3所示。少批通融雌區(qū)WadowMeasureSni超叫應甘looteH

10、elp閾后國用說* *1爰I * ?|帆叔心L以血的a 10D-SQOm-5?？?mII51圖2V(in)與V(cont)波形I- I0明30BJm -200m 二ICAJm ： 口;-100m :TOOm 二-300m J0In2n3u4iiiSuI皿西(knj (TIME)AvaHavc4 2002 .2 (2U020615)MnLeii EmicIa jfljjid 0鐘0訕皿白如山 工uuk Urlp%也上U xim川用 lijR fjV rx5- 14圖3輸出電壓波形八、測驗（以下刪除，已插入各知識點中）.近幾年來，雖然制程技術已進入深亞微米的新硅世紀，但是在集成電路設計上，仍以層次

11、的線路模擬軟件軟件為主。答案：晶體管、SPICE.Spice輸入文件第一行可以是，但不能省略，最后一行必須是命令。答案：任意說明文本、.END.Spice中，半導體器件是用數(shù)學模型來描述的，不同的所采用的模型也不同；設計的精度主要取決于的精度。答案：分析功能、模型.對于MOSFET管子，語句“M14270MMOD中，管子各極的節(jié)點號為O答案：G:2、D:4、S:7、B:0八、常見問題1、由于粗心，電路網(wǎng)表漏掉個別元器件，要提醒學生認真仔細檢查。2、電路特性分析語句的設置是難點，要有一定的電路經(jīng)驗，需要多練習、多實踐才能掌握。3、不會分析波形與結果，需要加強電路工作原理的理論學習。九、知識結構S

12、PICE語言及電路仿真卜一、參考資料目錄.鐘文耀，鄭美珠編著.CMOSfe路模擬與設計基于Hspice.北京：科學出版社，2007.7.高燕梅,房蔓楠編著.Spice/Pspice編程技術.北京：電子工業(yè)出版社，2002.6.Pspice程序應用.北京：清華大學出版社，2005.1.美StevenMSandler,CharlesHymowitz蘇蕾譯，安源校.spice電路分析.北京：科學出版社,2007.7.DavidA.Johns,KenMartin,11AnalogIntegratedCircuitDesign,北京：科學出版社，2005.synopsys.HSPICE?Referenc

13、eManual:CommandsandControlOptionsVersionB-2008.09,September2008.synopsys.HSPICE?SimulationandAnalysisUserGuideVersionY-2006.03,March2006知識點1:一、內容SPICE語言介紹：SPICE含義、產生、著名軟件、SPICE的電路設計流程。SPICE(SimulationProgramwithICEmphasis),是一種通用電路分析程序，能夠分析和模擬一般條件下的各種電路特性。SPICE是加州大學Berkeley分校開發(fā)，其第一版本于1972年由其電工和計算機科學系

14、開發(fā)完成，常稱為BSPICE。BSPICE是現(xiàn)代各種SPICE的前身，它的源代碼公開，其版本不斷更新。SPICE在1988年被定為美國國家標準。比較著名軟件有：Hspice、Pspice、TSPICE、Spectre、Smartspice等。SPICE作為一個通用電路模擬程序，包括輸入數(shù)據(jù)、運行程序和輸出數(shù)據(jù)三個基本階段。輸入數(shù)據(jù)包括電路元件及連接的拓撲信息、電路元件性質、參數(shù)、初始條件、要分析功能及輸出形式等輸入到程序中。輸入的數(shù)據(jù)必須符合SPICE程序規(guī)定的格式。SPICE的電路設計流程:輸入語句的結構標題語句：網(wǎng)表文件的第一行為標題語句，由任意字符串和字母組成，通常用*引導標題行。軟件并

15、不把標題行作為電路進行分析，而是直接在輸出文件中作為第一行打印出來，這一行必須設置。注釋語句：由*開頭的字符串，作為文件的說明部分，不參與電路的模擬仿真，為方便閱讀而在自動產生的，在SPICE網(wǎng)表文件中大量存在。電路元器件描述語句：定義電路拓撲結構和元器件參數(shù)的語句，由元器件描述語句、模型描述語句、電源語句等組成。電路特性分析和控制語句：以.開頭的語句，描述要分析的電路特性及控制命令。結束語句：即.END,標志電路描述語句的結束，在文件最后一行。輸入語句的規(guī)定名稱：元器件名稱為字符串，只有前8個字符有效，其中第一個字符必須為A-Z字符，且有固定含義即一般為元器件英文單詞的首字母。數(shù)字：有幾種形

16、式，整數(shù)、浮點數(shù)、整數(shù)或浮點數(shù)加上整數(shù)指數(shù)、浮點數(shù)或整數(shù)后面加上比例因子。常用的比例因子：有T、G、MEG、K、M、U、N、P、F、MIL等，不區(qū)分大小寫。分隔符：有空格、逗號、等號、左括號、右括號等。續(xù)行號：+”，一行最多只能有80個字符，如一行無法表達完全，可在第二行起始加+號,表示是前一行的繼續(xù)。單位：使用國際標準單位制，語句中缺省。方向：規(guī)定支路電流的正方向和支路電壓的正方向一致。節(jié)點編號：可以是任意的數(shù)字或字符串，節(jié)點0規(guī)定為地，不允許有懸浮的節(jié)點，即每個節(jié)點相對。節(jié)點都必須有直流通路。當實際電路不滿足這個要求時，可在懸浮節(jié)點與地之間接一個大電阻（如1G）。不能分析的問題：電壓源回路

17、、電感回路、電壓源和電感組成的回路、電容。一個簡單實例共柵極放大器（Common-GateAmplifier）又稱為電流跟隨器，其電流增益近似為1,但比1小，同時亦含有襯底效應，會使得電流增益下降至大約0.4倍，但電壓增益比共源極放大器大，試求其電壓增益、電流增益和頻寬。SPICE網(wǎng)表和電路圖隔斷的電流源和（或）*commongateampilifier.OPTIONSPOST=2LIS.lib.Mm0355V.lttM1123GNDNCHW=60UL=2URG2GND100KRDVDD14KRS4VI100RLVO04KCC134100UCC21VO100UCG2GND100UIQ3GND1

18、MvivigndAC1sin(0.5100M1k).betranI(RS)I(RL).ACDEC101001G.end仿真結果電壓v(vo)、v(vin)及電流i(rs)、i(rl)波形如下圖所示，由圖可得電壓增益為3.845倍,電流增益為0.381倍，如下圖所示。M吧.JPBJW.g藕I；取Ikiijt31TiiU 4副上。441肘*“ V，!*|上歸厘M 3*用用G:可早I由vin(vo)的波形(以LOG為刻度的增益圖形)可得頻寬為168MHz,如下圖所示。加 M3IR牌眸制華嚕I期干中1R 13 3 一一 一_一E -EVVHW H MI Hl 1rri n i

19、ain,iB,| ,.RT1一、i11*III!ci11 i1 ;1 11 1L.J11R41li isiLi1t IX，!， 一 S- r = F-1JULOAg-mi.lxJDu.1$弓際T際IT,-13115135如用Inari工嗡EgiM*JhH4j二、教學錄像三、學習指導了解著名的商用SPICE軟件，如：HSpice、PSpice、TSpice、SBTSpice、SmartSpice等,重點熟悉學生能接觸到的軟件，如：HSpice、PSpice、Tspice;理解地掌握輸入語句的結構和規(guī)定，尤其要注意常用比例因子的特殊用法，節(jié)點編號的原則。四、練習.填空題Spice是一種通用程序，能

20、夠。(2)電路輸入文件的格式可以分為5個部分：標題行、和結束標志O*符號是符，+符號是符。(4)給電路編節(jié)點號，可以使用,也可以使用。(5)在輸入文件中應正確使用比例因子，如：R=2M),應寫成R=;C=6此應寫成C=。答案：(1)電路分析、分析和模擬一般條件下的各種電路特性(2)電路描述、分析和控制指令、輸出指令(3)說明符(注釋行)、續(xù)行號(4)數(shù)字、字母(5)2MEG6UF2.某二極管電路的SPICE程序如下，試更正其中錯誤。*DiodeCircuitVS10DC10VVIN21AC10MVSIN(010M10KHZ)R12350QR240500C14510FRL501MD134DIN9

21、14MODELDIN914D(IS=100E-15RS=16CJO=2PF+TT=12NSBV=100IBV=100E-15).OP.TRAN2而200必.ACDEC101HZ1KHZ.PLOTV(5)V(2,1).END答案：Vs改為VS,50改為50OHM10曠改為10UF,RL舊V改為+IBV,2必改為2US200必改為200US.PLOTV(5)V(2,1)改為.PLOTTRANV(5)V(2,1)五、測驗近幾年來，雖然制程技術已進入深亞微米的新硅世紀，但是在集成電路設計上，仍以層次的線路模擬軟件軟件為主。答案：晶體管、SPICE3.Spice中，半導體器件是用數(shù)學模型來描述的，不同的

22、所采用的模型也不同；設計的精度主要取決于的精度。答案：分析功能、模型Spice輸入文件第一行可以是，但不能省略，最后一行必須是命令。答案：任意說明文本、END1、電路的語句是輸入文件的第一行，也稱為標題行，必須設置。它是由任意字母和字符串組成的語句，其內容作為的最先一部分被打印出來。Spice輸入文件中，除第一行和最后一行外，其余各行的順序是的，對沒有影響。3、對電路元器件描述時，沒有腳標，例如在電路輸入文件中Vcc應寫成。4、電路元器件名稱的第一個字母為關鍵字，例如雙極型三極管為，傳輸為。在spice輸入語句中，通常用以開頭的語句描述、電路元器件模型和一些控制指令。答案：1、標題、說明、輸出

23、文件2、任意、分析結果VCCQ、T.開頭、電路分析指令六、案例七、資源列表八、擴展學習 TOC o 1-5 h z 知識點2：一、內容無源器件描述語句無源器件包括：電阻R電容C電感L互感K無損耗傳輸線T電壓控制開關S電流控制開關W無源器件描述語句由元件名、件連接的節(jié)點號、元件的參數(shù)值組成。電阻語句格式：RXXXXXXXN+N-VALUETC=TC1模型語句：.MODELMNAMERESR=PVAL1+例句：R403RMOD100.MODELRMODRES(R=2TC1=0.1TC2=0.01)電容、電感語句格式：CXXXXXXXN+N-VALUELXXXXXXXN+N-VALUE電容、電感模型

24、語句：.MODELMNAME CAP (C=PV AL1+TC2=PV AL5).MODELMNAMEIND (L=PV AL1+TC2=PV AL5)例句： C1 10 11 5PF IC=1V ， L3VC1=PV AL2VC2=PV AL3 TC1=PVAL4IL1=PVAL2 IL2=PVAL3 TC1=PVAL41 2 1MH IC=1MA互感語句格式：KXXXXXXXLYYYYYYYLZZZZZZZ.VALUE+無損傳輸線語句格式：TXXXXXXXN1N2 N3 N4 Z0-VALUE F=FREQ+ 例句： T1 1 2 3Z0=50TD=10NST2 4 5 6Z0=50F=2

25、MH電壓控制開關語句格式:SXXXXXXXN+N- NC+.MODELNAMEVSWITCHNC- RON=PV AL1 ROFF=PV AL2 “+ VON=PV例句： S1 6AL3VOFF=PV0 SMODAL4.MODEL SMOD VSWITCHRON=0.5 ROFF=10E+6+VON=0.7VOFF=0電流控制開關語句格式：WXXXXXXXN+N-VNAME.MODELNAMEISWITCHRON=PVAL1ROFF=PVAL2+ION=PVAL3IOFF=PVAL4例句：W165VNWMOD.MODELWMODISWITCHRON=0.5ROFF=10E+6+ION=0.07

26、IOFF=0有源器件描述語句有源器件包括：二極管雙極晶體管結型場效應管（JFET）MOS場效應管（MOSFET）砷化鎵場效應管（GaAs）模型語句對無源器件是可選的，對有源器件是必須的。二極管語句格式：DXXXXXXXN+N-MNAME模型語句：.MODELMNAMED(PNAME1=PVAL1PNAME2=PVAL2.).MODELMDD(IS=100E-15RS=6CJ0=2PFTT=12NSBV=100)雙極型晶體管語句格式：QXXXXXXXNCNBNEMNAME+模型語句：.MODELMNAMENPN(ORPNP)(PNAME=PVAL1+PNAME=PVAL2.)例句：Q5245MQ

27、1.5.MODELMQPNP(IS=9.913E-15EG=1.11VAF=90.7BF=197.8)結型場效應管語句格式：JXXXXXXXNDNGNSMNAME模型語句：.MODELMNAMENJF(ORPJF)(PNAME=PVAL1PNAME=PVAL2.)例句：JQ159JMOD.MODELJMODPJF(IS=100E-14RD=10RS=10BETA=1E-3+CGD=5PFCGS=1PFVTO=5)MOS場效應管語句格式：MXXXXXXXNDNGNSNBMNAME+模型語句：.MODELMNAMENMOS(ORPMOS)(PNAME=PVAL1+PNAME=PVAL2.).MOD

28、ELMMODNMOS(LEVEL=3TOX=0.10ULD=0.5WD=0+CBS=1PFCBD=4000PF)砷化鎵場效應管語句格式：BXXXXXXXNDNGNSMNAME+模型語句：.MODELMNAMEGASFET(PNAME=PVAL1PNAME=PVAL2.)例句：B1210BMOD.MODELBMODGASFET(VTO=-2.5BETA=60UVBI=60U+ALPHA=1.5TAV=10PS)電源描述語句電源包括：獨立電源（電壓/電流）：直流電源、交流電源，瞬態(tài)電源，6種脈沖源、正弦源、指數(shù)源、分段線性源、單頻調頻/調幅源線性受控源：4種電壓控制的電壓源電壓控制的電流源電流控制

29、的電壓源電流控制的電流源獨立電源直流電源：電壓/電流源V/IXXXXXXXN+N-DCVALUE交流電源：電壓/電流源V/IXXXXXXXN+N-ACACMEG例句：VDD30DC15V，I2203MAVIN19AC，IST58AC245脈沖源：V/IXXXXXXX例句：VIN50正弦源：V/IXXXXXXX例句：VIN5指數(shù)源：V/IXXXXXXX例句：VIN50分段線性源V/IXXXXXXX例句：VIN50+60U2V）單頻調頻源：V/IXXXXXXXN+N-PULSE(V1/I1PULSE(0505NV2/I1TDTRTFPWPER)10N20N1M)N+N-SIN(V0/I0VA/IA

30、FTDTHETA)0SIN(0510MEG1P0)N+N-EXP(V1/I1V2/I1TD1TAU1EXP(012NS20NS60NS30NS)N+N-PWL(T1V1/I1)6V45U2VFS)VIN50AM(1011001K1M)線性受控源電壓控制電壓源EXXXXXXXN+N-NC+NC-VALUE電壓控制電流源GXXXXXXXN+N-NC+NC-VALUE電流控制電壓源HXXXXXXXN+N-VNAMEVALUE電流控制電流源FXXXXXXXN+N-VNAMEVALUE其中：E電壓增益，G互導增益，H互阻增益，F(xiàn)電流增益H52023VBE3.9K，F(xiàn)21518VS2其它語句模型描述語句：

31、.MODELMnameTypePname1=P1,Pname2=P2,例句：JQ159JMOD.MODELJMODPJF(IS=100E-14RD=10RS=10BETA=1E-3+CGD=5PFCGS=1PFVTO=5)子電路描述語句：.SUBCKTN1.ENDS其中：SUBNAME為子電路名稱。N1N2N3為子電路節(jié)點號。子電路調用語句：XN1其中：N1N2N3為主電路節(jié)點號。例句X112A.SUBCKTA13R1125KR2232K.ENDSA元器件庫調用語句：.LIB例句：.LIB、教學錄像三、學習指導熟悉無源器件的描述語句，重點掌握有源器件語句格式及其模型語句的使用方法，掌握信號源的

32、語句輸入法，了解有源器件庫和模型參數(shù)。四、練習.對于三極管，語句“Q1326QMOD中，三極管各極的節(jié)點號為。答案：C：3、B：2、E：6.若MOSFETT子M2的各極節(jié)點號是：D為2,G為4,S為8,B為0,則該管子的描述語句應該寫成：。答案：M22480MODM2.脈沖源語句VIN10PULSE(03010N5N20N1M)中，括號里的各項含義是。答案：V1=0V2=3TD=0TR=10NTF=5NPW=20NPER=1M.編制仿真MOS管輸出特性曲線的SPICE程序。答案：.titleCH6-3.include“”Vds205Vgs101.dcvds050.2vgs151.printdc

33、v(2)i(vds).end五、測驗 TOC o 1-5 h z .MODEL語句對無源器件是的，對有源器件是的。答案：可選、必須對于JFET管子,語句“J1435JMOD”中，各極節(jié)點號為G,D,S。答案：3、4、5對于MOSFET管子，語句“M14270MMOD”中，管子各極的節(jié)點號為答案：G：2、D：4、S：7、B：0正弦源語句VIN30SIN(0210MEG1P0)中，括號里的各項含義是答案：V0=0、VA=2、F=10MEG、TD=1P、THETA=0子電路描述語句“.SUBCKTSUBNAMEN1N2.”中，N1N2.為節(jié)點號；子電路調用語句“XN1N2SUBNAME中，N1N2為

34、節(jié)點號。答案：子電路、主電路六、案例兩級BJT負反饋放大電路1、已知條件：Vcc是15V直流電源，Vin是幅值10mV的交流電源；(2)雙極型三極管均為NPN型，其模型參數(shù)：IS=2E-16,BF=50,BR=1,RE=0,CJE=0.4PF,CJC=0.5PF,VA=100;(3)交流分析為數(shù)量級掃描，分析點數(shù)目10,起始頻率10HZ,終止頻率RB=5, RC=1 ,10MHZ 。2、求電壓放大倍數(shù)，輸出電壓的幅值和相位，輸入阻抗。3、編寫SPICE程序：*Two-stageBJTamplifierVCC100DC15VVIN10AC10MVVX112DC0VRS122150C12310UF

35、R1103200KR23050KQ14350QMQ27680QMRC110412KCE15015UFC24610UFR3106120KR46030KCF11810UFRF21125KC37910UFRL9010K.MODELQMNPN(IS=2E-16BF=50BR=1RB=5+RC=1RE=0CJE=0.4PFCJC=0.5PFVA=100).ACDEC1010HZ10MEGHZ.PLOTACVM(9)/VM(1)VM(9)VP(9)VM(1)/IM(VX).END七、資源列表八、擴展學習知識點3：一、內容直流分析直流分析中，電感短路，電容開路。直流工作點分析：.OP直流掃描分析：.DCVA

36、RSTARTSTOPINC其中：TYPE為掃描類型，分為：線性LIN、倍頻程OCT數(shù)量級DEC列表LIST。VAR為掃描變量。STARTSTOP為掃描變化范圍。INC是掃描步長或者點數(shù)，必須為正數(shù)。VAR2是第二個掃描變量(外循環(huán))，可選項。例句：.DCVCC-5V5V0.25V，.DCTEMPLIST0205080-50.DCVCE010V0.5VIB01MA50UA.DCOCTNPNQA(IS)1E-181E-145.DCDECV1-12V12V10直流小信號傳輸函數(shù)分析：.TFOUTVARINSRC其中：OUTVA麗輸出變量INSRC為小信號輸入源名稱計算電路的小信號直流增益(4種)，輸

37、入阻抗和輸出阻抗。直流小信號靈敏度分析：.SENS計算某一輸出電壓或電流與電路中每一元器件之間的相關參數(shù)。例句：.TFV(10)VIN.TFV(5)I(V1).SENSV(5)I(V2)交流分析交流小信號分析和噪聲分析是一對分析，做噪聲分析之前，要先做交流小信號分析。交流小信號分析：.ACTYPENPFSTARTFSTOP其中：TYPE為掃描類型，有3種形式：線性LIN、倍頻程OCT數(shù)量級DECNP為頻率點數(shù)(OCT,DEC威步長(LIN)。計算電路在給定的頻率范圍內的頻率響應。噪聲分析：.NOISEOUTVINSRCNUMS其中：OUTV為某節(jié)點上總的噪聲輸出電壓。INSRC作為等效噪聲的輸

38、入獨立電壓源/電流源名稱。NUMS為頻率間隔點數(shù)，在每個頻率處打印電路中每個噪聲源的貢獻。例句：.ACLIN101100HZ200HZ.ACOCT101KHZ16KHZ.ACDEC201MEG100MEG.NOISEV(6)VIN10瞬態(tài)分析時域瞬態(tài)分析和頻域瞬態(tài)分析(傅立葉分析)是一對分析，做頻域分析之前，要先做時域分析。時域瞬態(tài)分析：.TRANTSTEPTSTOPTSTART其中：TSTEP為打印間隔，即瞬態(tài)分析的步長。TSTOP為分析終止時間。TSTART為打印開始時間，默認值為0，即瞬態(tài)分析總是從0開始。TMAX為最大分析步長，默認值為TSTOP/5a實際分析步長為MAX、TSTEPT

39、STOP/50中的最/、值。UIC為使用.IC語句設置的初始條件。傅立葉分析：.FOURFREQOV1其中：FREQ為基頻。OV1OV2OV3為所要求的輸出變量。.FOUR100KHZV(2,3)V(3)I(R1)I(VIN)蒙特卡羅分析和靈敏度/最壞情況分析蒙特卡羅分析(MC分析)：又稱容差分析，它是對電路所選擇的分析(直流、交流、瞬態(tài)分析)進行多次運行后，進行統(tǒng)計分析。第一次運行是使用所有元器件的標稱值進行運算，而后的數(shù)次運行使用元器件的容差值進行運算，將各次運行結果與第一次運行結果相比較，得出由于元器件的容差而引起輸出結果偏離的統(tǒng)計分析，會產生大量輸出。靈敏度/最壞情況分析：靈敏度/最壞

40、情況分析也是統(tǒng)計分析的一種，它與MC分析屬同一類性質。所不同的是，MC分析是變量同時發(fā)生變化，而靈敏度/最壞情況分析是變量一個一個地變化，即每進行一次電路分析只有一個元器件參數(shù)發(fā)生變化，這樣也可以得到電路的靈敏度。因此，在.WCASE語句中不需要指定執(zhí)行次數(shù)，執(zhí)行次數(shù)完全由變量個位數(shù)決定。一般情況下，執(zhí)行次數(shù)為變量個數(shù)加2(一個是第一次標稱值運算，另一個是最后一次最壞情況分析)。蒙特卡羅分析：.MC(RUNSVAL)(ANALYSIS)其中:RUNSVAL為運行次數(shù)。ANALYSIS為分析類型：直流、交流、瞬態(tài)分析。OUTPUTVAR為輸出變量，電壓、電流等。FUNCTION為輸出功能，包含:

41、YMAX、MAX、MIN、RISE/FALL-DEGEOPTION為輸出形式，包含:LIST為列出每次運行時所有元器件的容差值；OUTPUT為輸出規(guī)范，包含:ALL、FIRST、EVERY、RUNSRANGE(,)。例句：.MC10TRANV(5)YMAX，.MC50DCIC(Q1)MINLIST.MC20ACV(1)YMAXLISTOUTPUTFIRST(10)靈敏度/最壞情況分析：.WCASE(ANALYSIS)(OUTVAR)其中：除OPTION,其余項的規(guī)定與MC分析一樣。OPTION中還包括：VARYDEV、VARYLOT、VARYBOTH、BYRELTOL、DEVICES。例句：.

42、WCASETRANV(5)YMAX.WCASEDCIC(Q7)YMAXVARYDEV.MCACVP(13,5)YMAXDEVICESRQOUTPUTALL溫度分析溫度分析：.TEMPt1t2其中：t1t2t3為模擬時設定的溫度值，單位是C,SPICE對每一個設定的溫度值都做一遍模擬。例句：.TEMP-5525125二、教學錄像三、學習指導重點掌握基本分析的設置，如：直流掃描分析、瞬態(tài)分析、交流分析、傳輸函數(shù)的計算，熟悉高級分析的應用，如蒙特卡羅分析和靈敏度/最壞情況分析。四、練習在直流分析中，電感，電容。答案：短路、開路直流小信號傳輸函數(shù)分析的語句為，用它可以計算電路的4種增益，阻抗和阻抗。答

43、案：.TFOUTVARINSRC、小信號直流、輸入、輸出交流分析指令.ACTYPENPFSTARTFSTOP”中，TYPE表示4種掃描類型：LIN為掃描，OCT%掃描，DEC%掃描，LIST為。答案：線性、倍頻程、數(shù)量級、列表時域瞬態(tài)分析和分析是一對分析，在做傅立葉分析之前要先做分析。答案：傅立葉、時域瞬態(tài)蒙特卡羅分析.MC又稱分析，它是對電路所選擇的分析（直流、交流、瞬態(tài)分析）進行多次運行后，進行分析。答案：容差、統(tǒng)計五、測驗 TOC o 1-5 h z 直流工作點分析語句為，用它可以計算電路的點。答案：.OP、靜態(tài)工作直流掃描分析.DC語句中，有4種掃描類型，分別是、答案：線性（LIN）、

44、倍頻程（OCT）、數(shù)量級（DEC）、列表（LIST）交流小信號分析和分析是一對分析，在做噪聲分析之前要先做分析。答案：噪聲、交流小信號在蒙特卡羅分析中，第一次運行使用所有元器件的值進行運算，而后數(shù)次運行使用元器件的值進行運算，將各次運行結果與第一次運行結果相比較，得出由于元器件的容差而引起輸出結果偏離的統(tǒng)計分析，會產生輸出。答案：標稱、容差、大量靈敏度/最壞情況分析.WCASE與蒙特卡羅分析.MC都屬于分析。所不同的是：.MC分析是變量發(fā)生變化，而.WCASE分析是變量地變化，即每進行一次電路分析只有一個元器件參數(shù)發(fā)生變化，因此可以得到電路的靈敏度和最壞情況。答案：統(tǒng)計、同時、一個一個六、案例

45、蒙特卡羅及最壞情況分析1、蒙特卡羅及最壞情況分析簡介在Hspice中，蒙特卡羅分析利用隨機產生器的方式，依照使用者給予的設定產生下列任一種的統(tǒng)計函數(shù)：（1）高斯參數(shù)分布（GaussianParameterDistribution）均勻參數(shù)分布（UniformParameterDistribution）隨機極限參數(shù)分布（RandomLimitParameterDistribution）在電路模擬的實際應用中，蒙特卡羅分布可指定給共用一模型的各元件，使得確實的元件值會隨元件分布而改變。而蒙特卡羅也可指定給一模型的鍵名(keyname),而所有共用此模型的元件會用相同的鍵名值，此允許元件及模型分布的

46、產生以增加模擬軟件使用的廣度性。對于最壞情況分析，在集成電路的歷史中，最壞情況分析已被成功運用在MOS及BJT電路的設計。一般而言，最壞情況是將各變量取其在2b或3b標準差的最壞情況來模擬，此技巧是一簡單而快速的驗證方法，并具有實際的應用價值。2、電路原理圖根據(jù)給定的NMOS與PMOS模型參數(shù)(后面的程序中會有具體內容)，對如圖1所示的二輸入或非門，做蒙特卡羅及最壞情況(極端情況)分析，即包括電源、溫度及制程參數(shù)變化等的效應。其中，電源變化為+/-20%,溫度范圍為-25125C,而在制程參數(shù)上，PMOS與NMOS的TOX皆為+/-20?(angstorm)。圖1二輸入或非門輸入端A和B的條件

47、如下：輸入端A接地，輸入端B為一脈沖輸入。輸入端A和B連接在一起，故為一單端輸入情況。3、Hspice編程及仿真(1)對于上述或非門及晶體管模型資料，利用所給定的電源、溫度、制程參數(shù)變化范圍及case1&2條件，求出或非門的最快與最慢傳遞時間。Hspice程序如下：最快與最慢傳遞時間*mont1.optionpost=2list.paramVDD=4.5TOX=385E-10.TEMP-25*M15211MPW=8UL=2UM24355MPW=8UL=2UM34200MNW=4UL=2UM44300MNW=4UL=2U*VDD10VDDVINA200VINB30PWL(0010N012NVDD

48、30NVDD32N0).meastrantp1htrigpar(V(3)-0.5*VDD)VAL=0FALL=1+targpar(V(4)-0.5*VDD)VAL=0RISE=1.meastrantph1trigpar(V(3)-0.5*VDD)VAL=0RISE=1targpar(V(4)-0.5*VDD)VAL=0FALL=1.meastrantpdparam=(tp1h+tph1)/2*.MODELMPPMOS(LEVEL=2LD=0.250UTOX=tox+MJ=0.46650CJSW=2.3825E-10MJSW=0.24660PB=0.700).MODELMNNMOS(LEVEL=

49、2LD=0.250UTOX=tox+LAMBDA=1.956049E-02NFS=2.307838E+12NEFF=1+MJ=0.45890CJSW=5.1360E-10MJSW=0.36620PB=0.800).TRAN1N80Nsweepdata=datnm.datadatnmVDDtox4.0385e-10$min.vdd&max.gateoxidethickness5.0365e-10$typicalvdd&nominalgateoxidethickness6.0345e-10$max.vdd&min.gateoxidethickness.enddata*.alter.temp25.a

50、beV(2)V(3)V(4).end我們可以直接觀察模擬產生檔與的內容，得到下面經(jīng)由.measure敘述執(zhí)行后的各電性參數(shù)結果：rraiiLTtil-匕事占.文體巧明6。IfctijjUM聞恥物5DATA1SUUHC3=*HSICfi，VERSION,&-2D10.1332-Eir.TITLE*皿E上.JI_,JIindexvddtDIiplEtphitp-1trnfCToLmM110IUUiSEOe-OSLe-09tnat-ioLI5119-25.JOJUr5.0000*物JH8LUfc中T.324c-109.5e-10i-2E.m136.OiUUJ.4L0e

51、-0Si.忸ajq亂幻SeTU8.34THU-25,KJJU，及印日F可E,啊;“哈年班TJ$配建130Uf岸脛IC3VEFI-E-SdO,l：3E-EIT*LTITLE*的:訪加uvddtostplhtph：vpdt&spiral1err14.0000X85Oe-O01,C85e-O99,656丁1?！俊?%T)9MJ。221由由工苗餐4目1.E.107-101.一的鴕23KOOCO3.450-081.2Dlc-D97.07Cc-H.5羽丁1。反0比02fwiT-i薦力*一一、15t*kD咽崎UflhM力占著的耐助M$MTA1SOURCEumSPICERSIObE-SOlO.12B2-B1T

52、JJL.TITLE一indriMdtaxtplhtphltpdltcKperaltcxlf11.00003,BSOeB2.22B-09，12%P3L71e-0&125.DOQO325.00003.褥OeFRI,R1加F9$5癱-Ld1,36e-O&IS&.OflOO33G.OOOO3.450e1.Jl.572-L93.E44=-10l.213e-O?J25.00003圖4不同溫度下的典型參數(shù)對于上述結果，我們知道最壞情況白時間延遲是出現(xiàn)在Vdd=4V,tox=385?與temp=125C的工作情況，其值為1.671ns。(2)如果對于上述制程，已知臨界電壓(ThresholdVolage,Vt

53、h)的測試統(tǒng)計資料如下表所示：表1臨界電壓的測試統(tǒng)計資料Lot#VthNMOS(volt)VthPMOS(volt)1234567891011121314分別求出NMOS及PMOS臨街電壓的統(tǒng)計平均值(X)、標準差(b);將部分所得到的NMOS及PMOS臨街電壓平均值X取代.MODEL中預先給定的臨界電壓值（VTOn=0.84898,VTOp=-0.826989）,另外，假定此統(tǒng)計資料呈現(xiàn)絕對高斯分布，故部分所得到的NMOS及PMOS臨界點壓標準差（T可帶入下式：delton或deltop=agauss（0,0-,1）。試將（1）中所找出的最慢傳遞時間條件作為模擬環(huán)境（即選定tpd（max.）

54、的VDD,TEMP,TOX）,并入delton及deltop的統(tǒng)計分布，選定+/-2.IC.NODESET。節(jié)點電壓設置語句：.NODESETV(NODENUM尸VALV(NODENUM尸VAL初始條件設置語句：.ICV(NODENUM尸VALV(NODENUM尸VAL使用語句中給定的初始條件：ic=例句：.NODESETV(2)=3.4V(3)=-1V(6)=0.ICV(2)=3.4V(3)=-1V(6)=0C110115PFIC=1V，L3121MHIC=1MA參數(shù)、函數(shù)定義語句參數(shù)及表達式定義語句：.PARAM(NAME1=VALUE1).其中：VALUE也可用表達式EXPR。參數(shù)掃描分

55、析語句：.STEP(LIN)VARSTARTSTOPINC.STEPVARSTARTSTOPND.STEPVARLISTVAL1其中：INC為步長；ND為點數(shù)。函數(shù)定義語句：.FUNC例句：.FUNCE(X)EXP(X)重置參數(shù)語句該語句允許用戶修改仿真控制參數(shù)，以調整仿真精度、速度或某些器件的默認參數(shù)等。重置參數(shù)語句：.OPTIONSOPTOPT=VAL其中：OPT為無值選擇項。OPT=VAL為有值選擇項。無值選擇項和有值選擇項是SPICE內設定的，其含義可查有關資料及手冊。例句：.OPTIONNOPAGENOECHOACCT.OPTIONNOMODRELTOL=0.01DEFL=12UDE

56、FW=8U輸出控制語句文本打?。?PRINTTYPEOUTVAR1OUTVAR2繪圖打印：.PLOTTYPEOUTVAR1()OUTVAR2()繪圖軟件包調用：.PROBETYPEOUTVAR1.IC.NODESET重置參數(shù)語句“.OPTIONS中，禁止模型參數(shù)輸出”寫為，“打印節(jié)點表”寫為，“打印出所有分析的統(tǒng)計信息”寫為。答案：NOMO、DNOD、EACCT寫出一個參數(shù)及表達式定義的例句：。答案：.PARAMBETA=50RL=RD+6參數(shù)掃描語句包含的4種掃描類型為：、答案：線性（LIN）、倍頻程（OCT）、數(shù)量級（DEC）、列表（LIST）在輸出結果中，打印數(shù)據(jù)時使用語句，打印曲線或波

57、形圖時使用語句，從屏幕觀察圖形時使用語句。答案：.PRINT、.PLOT、.PROBE六、案例七、資源列表八、擴展學習知識點5：一、內容HSpice分析舉例：緩沖驅動器設計1、準備模型文件選用1.2umCMOS工藝leveln模型2、設計基本反相器單元（1）根據(jù)模型參數(shù)和設計要求，設定晶體管的尺寸（即晶體管的寬度W和長度L）（2）寫出反相器網(wǎng)單（3）直流特性分析3、設計反相器鏈利用含參數(shù)的子電路組成反相器鏈（1）寫出反相器鏈網(wǎng)單（含子電路）(2)直流特性分析4、時序特性5、考察驅動能力(1)掃描負載電容，觀察輸出波形，考察驅動能力，根據(jù)輸出波形選擇合適的負載(2)固定負載，掃描管子尺寸，根據(jù)掃

58、描結果來獲得管子合適的W和L二、教學錄像三、學習指導重點掌握直流特性分析、時序分析和驅動能力考察，熟悉子電路設計。四、練習五、測驗六、案例1、電路原理圖有源負載共源極放大器的設計與仿真未使用有源負載增益為-gmro ,使用有源負載參數(shù)為：“口。批=/% ,VDDVoutI REF/=20=44。產求力ut /%(有源負載共源極放大器的電路原理圖如圖1所示。圖1有源負載共源極放大器電路2、HSPICE編程*HSPICESIMULATIONFILE1.OPTIONSPOST=2LIST*COMMON-SOURCEUSINGACTIVELOAD.lib.Mn0355V.lttM111VDDVDDPC

59、HW=8UL=2UM2OUT1VDDVDDPCHW=8UL=2UM3OUTVINGNDGNDNCHW=40UL=2UIREF10400UVINVINGNDAC1SIN(10.011K).PRINTTRANV(OUT).ACDEC3011G.TRAN1M5M.END3、仿真結果有源負載共源極放大器電路的輸入波形V(vin)和輸出波形V(out)如圖2所示，輸出電壓增益如圖3所示。* XuWbm ”必明JwmIe fl ikn fcu-fe m-f* k-li n XaiJ. 1*1|!/陽3 Bl那片I 片引寸娜用圖2輸入波形和輸出波形LiUiln li&.dsh 型il 工“Jh. Ealp圖

60、3輸出電壓增益七、資源列表八、擴展學習知識點6:一、內容HSpice分析舉例：放大器設計1、指標分析p5偏置電流與功耗、開環(huán)增益、GBW與相位裕度、壓擺率、SwingRange、失調、噪聲、工藝corner分析、溫度特性分析等。2、設計電路，根據(jù)電路寫出網(wǎng)表3、工作點分析根據(jù)分析結果得到電路的偏置電流和功耗。4、直流掃描分析先粗掃，再精掃。根據(jù)增益要求，得到SwingRange;取輸出中心電壓為vdd/2,得到失調值。5、交流掃描分析根據(jù)分析結果可得到GBW與相位裕度值、零極點、跨導等值及其調整值。6、噪聲分析通過分析可得到噪聲頻譜密度、等效噪聲電壓等值。7、失調分析根據(jù)仿真結果得到失調范圍，