Hspice实战手册!

Allen

完整版本请见附件。      
       最初写作本文的目的是希望提供一份中文版的Hspice手册从而方便初学者的使用，本文的缘起是几位曾经一起工作过的同事分别进入不同的新公司，而公司主要是使用Hspice，对于已经熟悉了cadence的GUI界面的使用者转而面对Hspice的文本格式，其难度是不言而喻的，而Hspice冗长的manual（长达2000页以上）更让人在短时间内理不出头绪。鉴于我曾经使用过相当一段时间的Hspice，于是我向他们提供了一份简单而明了的handbook来帮助他们学习，本来是准备借助一个具体运放的设计例子，逐步完善成为一份case by case的教程，但由于工作比较浩大，加之时间的关系，一直难以完成，愈拖愈久，在几个朋友的劝说下，与其等其日臻完善后再发布，不如先行发布在逐步完善，以便可以让更多的朋友及早使用收益。本文虽通过网络发表，但作者保留全部的著作权，转载时务请通知本人。由于水平的有限，讨论范围的局限及错误不可避免，恳请读者指正。
一、HSPICE基础知识
9 m( C( V& J3 b9 YAvant! 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。目前，一般书籍都采用Level 2的MOS Model进行计算和估算，与Foundry经常提供的Level 49和Mos 9、EKV等Library不同，而以上Model要比Level 2的Model复杂的多，因此Designer除利用Level 2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，以便得到精确的结果。
" T* H9 Y" \4 f8 N) k, O" C# T3 h本文将从最基本的设计和使用开始，逐步带领读者熟悉Hspice的使用，并对仿真结果加以讨论，并以一个运算放大器为例，以便建立IC设计的基本概念。在文章的最后还将对Hspice的收敛性做深入细致的讨论。
Hspice输入网表文件为.sp文件，模型和库文件为.inc和.lib，Hspice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#、测量输出文件.m*#等。其中，所有的分析数据文件均可作为AvanWaves的输入文件用来显示波形。
- f) D. Q. N$ e! D; M& [# p* z3 D表1 Hspice所使用的单位
1 ^6 y, q% j0 B( B独立电压和电流源包括：
1. 直流源（DC）：
4 G  j; O. P& f( w: N电压源Vxxx n+ n- dcval
电流源 Ixxx n+ n- dcval
2. 交流源（AC）：Vxxx n+ n- AC=acmag,acphase
3. 瞬态源（随时间变化）：
% h7 R+ ~! g$ j! a/ K) U! ?$ \脉冲源：pulse v1 v2 td tr tf pw per
4 L! _4 Q( s! s6 p- S$ {7 o线性源：pwl t1 v1 <t2 v2 t3 v3…>
4 U+ F% q, _! f# r7 s( I- I正弦源：sin vo va freq td damping phasedelay
& a, i$ T) Z5 @! G2 I- }. _4. 混合源：可以包括以上所有的形式，如：VIN 13 2 0.001 AC 1 SIN(0 1 1Meg)
二、输入网表文件
8 Q# g. Y$ x: d. _$ cTITLE
" |/ G! r% y8 a' g. R.INCLUDE
& y* ]5 M: ]3 f" E+ P/ ~.LIB MACRO
元件描述
; u; w0 i  s4 c/ ]* F/ z信号源描述
5 g7 n! K* ?& g( s/ e/ E) S" M分析命令
7 L" E3 C+ I$ R测量命令
.ALTER
9 ~* J0 l* j! J: h) H7 ~! n; ~" H.END
3 E" X. a/ K. p% e( q, R  z* J图1 输入网表（Netlist）文件标准格式
8 o& i( J9 K/ D, y二、有源器件和分析类型
9 O6 l4 [1 _% A" G8 {2 g, `. z有源器件包括二极管（D）、MOS管（M）、BJT管（Q）、JFET和MESFET（J）、子电路(X)和宏、Behavioral器件（E,G）、传输线（T,U,W）等。这里值得注意的是MOS、JFET和MESFET的L和W的scale是m，而不是um。
分析的类型包括：直流、交流和瞬态分析。
, b+ z: [; ~; k6 E  V1.直流分析：
, g" ]( P+ t+ C4 q% C: o2 T对DC、AC和TRAN分析将自动进行直流操作点（DC OP）的计算，但.TRAN UIC将直接设置初始条件，不进行DC OP的计算。
.DC var1 start1 stop1 inc1 sweep var2 type np start2 stop2
直流分析包含以下五种语句：
.DC：直流扫描分析；
.OP：直流操作点分析；
.PZ：Pole/Zero分析；
.SENS：直流小信号敏感度分析；
.TF：直流小信号传输函数分析。
2.交流分析：
交流分析是指输出变量作为频率的函数。
  G9 t# x* t; u) e' z( w( ]5 [.AC var1 start1 stop1 inc1 sweep var2 type np start2 stop2
0 e: p! v  \4 j# r; W交流分析包括以下四种语句：
.NOISE：噪声分析；
! [; E( L6 H2 G* p. y.DISTO：失真分析；
.NET：网络分析；
.SAMPLE：采样噪声分析。
3.瞬态分析：
( S/ A2 F9 L$ ]2 v( K! ]瞬态分析是指计算的电路结果作为时间的函数。
.TRAN tinc1 tstop1 tinc2 tstop2… START=.. UIC SWEEP..
三、输出格式和子电路
- Z9 ^) z. \+ z（1） 输出命令包括：.PRINT、.PLOT、GRAPH、.PROBE和.MEASURE。
.PLOT antype ov1 ov2… plo1,phhi1…plo32,phi32
" t5 c5 k/ t  b: [.PROBE ov1 ov2… ov32
.PRINT antype ov1 ov2… ov32
  `- E2 z6 {) g( \1 N  b8 f) ?有五种输出变量形式：
$ R8 {. P* M4 R/ Q# |1. 直流和瞬态分析：
用于显示单个节点电压，支路电流和器件功耗。
.print V(node) 或 .plot I(node)，也可用.graph、.probe。
+ t# W5 Q5 b$ Q; C1 \V(node)表示节点电压，I(node)表示节点电流，p(rload)表示在负载rload上的分析点的功耗。
6 Z  C5 O/ Y" |8 u0 ]# u2. 交流分析：
用于显示节点电压和支路电流的实部、虚部和相位。
' g0 J, D& p2 b- x: Kvi(node)表示节点电压的虚部，ip(node)表示节点电流的相位，vp(4,6)表示节点4，6间的相位角。
7 N8 V& Z2 R# m, B, }- i2 k3. 器件模版：
% o9 q* {7 B7 I1 H用于显示制定的器件节点的电压、支路电流和器件参数。
lv16(m3)表示MOS管m3的漏电流，其他表示方式见手册。
4. MEASURE语句：
7 |! E7 p* G! c$ E, e4 o% H) P# D用于显示用户自定义的变量。
. P3 P& O- C; L/ g) {可以采用的句法包括：raise,fall,delay,average,RMS,min,max,p-p等。
5. 参数语句：
9 {, ]5 o( D7 k: d! a4 L- L2 [* N# }用于显示用户自定义的节点电压等表达式。
  B; T7 n9 s7 ^4 C6 y语法格式：.print tran out_var_name=PAR(‘expression’)
（2）还可以采用AvanWave进行波形输出，启动AvanWave的命令为：awaves <filename> &
/ d3 p( A. Y7 e( `（3）子电路：
% l0 e4 V7 ~# u( M1. 采用.GLOBAL设置全局节点：
.GLOBAL node1 node2 node3…
2. 子电路语句.SUBCKT和.MACRO：
3 l& s+ o, p: ~. @8 j! A) \# h.SUBCKT subnam n1 n2 n3… parnam=val…
; u( D7 o0 t2 v. B.MACRO subnam n1 n2 n3… parnam=val…
子电路的调用：
Xyyy n1 n2 n3… sunnam parnam=val… M=val
" u; E/ h. s" Y7 U7 O+ x  H' e  \* p四、控制语句和option语句
1.OPTION语句：
.options语句格式：.options opt1 opt2 opt3… opt=x
7 C( {( S/ l) T8 }' h一般在每个仿真文件中设置options为.options acct list post，也可以设置为.options node opts，其中.option list表示将器件网表、节点连接方式等输入到列表文件，用于debug与电路拓扑结构有关的问题，.option node表示将输出节点连接表到列表文件，用于debug与由于电路拓扑结构引起的不收敛问题，.option acct表示在列表文件中输出运行时间统计和仿真效率，.option opts在列表文件中报告所有的.option设置，.option nomod表示不输出MODEL参数，以便减小列表文件的大小，.option brief=1表示不输出网表信息，直到设置.option brief=0，.protect/.unprotect用于屏蔽网表文件中要保护的信息，.option bypass=1不计算latent器件，.option autostop表示当所有.measure语句完成时，终止仿真，.option accurate=1表示设置为最精确的仿真算法和容差，tstep表示仿真步长值，delmax表示最大允许时间步长，其中delmax=tstep*max，.option dvdt=4用于数字CMOS电路仿真（默认设置），.option dcca=1在直流扫描时强行计算随电压变化的电容，.option captab对二极管、BJT管、MOS、JFET、无源电容器，打印出信号的节点电容值，.option dcstep=val将直流模型和器件转换为电导，主要应用于“No DC Path to Ground”或有直流通路，但不符合Hspice定义的情况。
2.MODEL OPTION语句：
SCALE影响器件参数，如：L、W、area，SCALM影响model参数，如：tox、vto、tnom。
) R8 T% C! R2 L: r- j8 q五、仿真控制和收敛
Hspice仿真过程采用Newton-Raphson算法通过迭代解矩阵方程，使节点电压和支路电流满足Kirchoff定律。迭代算法计算不成功的节点，主要是因为计算时超过了Hspice限制的每种仿真迭代的总次数从而超过了迭代的限制，或是时间步长值小于Hspice允许的最小值。
% q' Z9 q8 \! K- z(1) 造成Hspice仿真不收敛主要有“No Convergence in DC Solution”和“Timestep too Small”，其可能的原因是：
1.电路的拓扑结构：
电路拓扑结构造成仿真不收敛主要有：电路连线错误，scale、scalm和param语句错误，其他错误可以通过查找列表文件中的warning和errors发现。
$ R( X6 s% g+ y" X+ w/ O; n$ N. W解决的方法是：将电路分成不同的小模块，分别进行仿真；简化输入源；调整二极管的寄生电阻；调整错误容差，重新设置RELV，ABSV，RELI，ABSI，RELMOS，ABSMOS等。
% g) [, i! ]5 P2.仿真模型：
) n# @4 l6 u5 ~. w由于所有的半导体器件模型都可能包含电感为零的区域，因此可能引起迭代的不收敛。
( I& I) U& ^6 X  C: P解决的方法是：在PN结或MOS的漏与源之间跨接一个小电阻；将.option中默认的GMINDC、GMIN增大。
3.仿真器的options设置：
仿真错误容差决定了仿真的精度和速度，要了解你所能接受的容差是多少。
解决的方法是：调整错误容差，重新设置RELV，ABSV，RELI，ABSI，RELMOS，ABSMOS等。
9 X! e4 o5 Y2 s7 M(2) 针对仿真分析中可能出现的不收敛情况进行分析：
  a7 Z' U; r9 [- q4 X4 r, ~. R6 [1.直流工作点分析：
% `+ `% ^) n' w! b6 W  c每种分析方式都以直流操作点分析开始，由于Hspice有很少的关于偏置点的信息，所以进行DC OP分析是很困难的，分析结果将输出到.ic文件中。
对DC OP分析不收敛的情况，解决方法是：删除.option语句中除acct，list，node，post之外的所有设置，采用默认设置，查找.lis文件中关于不收敛的原因；使
用.nodeset和.ic语句自行设置部分工作点的偏置；DC OP不收敛还有可能是由于model引起的，如在亚阈值区模型出现电导为负的情况。
" i" D0 x7 R6 G5 H3 ]( [, x2.直流扫描分析：
! p. @: p: u6 ~/ K; f# |在开始直流扫描分析之前，Hspice先做DC OP计算，引起直流扫描分析不收敛的原因可能是快速的电压或电流变化，模型的不连续。
8 f. z- O9 z6 o( K3 Y- N& K解决的方法是：对于电压或电流变化太快，通过增加ITL2来保证收敛，.option ITL2是在直流扫描分析中在每一步允许迭代的次数，通过增加迭代次数，可以在电压或电流变化很快的点收敛。对于模型的不收敛，主要是由于MOS管线性区和饱和区之间的不连续，Newton-Raphson算法再不连续点处进行迭点计算产生震荡，可以通过增减仿真步长值或改变仿真初始值来保证收敛，如：.dc vin 0v 5v 0.1v的直流分析不收敛，可以改为.dc vin 0v 5v 0.2v增大步长值，.dc vin 0.01v 5.01v 0.1v改变仿真的范围。
  n% A$ P  t8 n# e3.AC频率分析：
由于AC扫描是进行频率分析，一旦有了DC OP，AC分析一般都会收敛，造成不收敛的原因主要是DC OP分析不收敛，解决的方法可以参看前面关于DC OP的分析。
; N8 F% m) R0 I0 K3 s4.瞬态分析：
瞬态分析先进行直流工作点的计算，将计算结果作为瞬态分析在T0时刻的初始值，再通过Newton-Raphson算法进行迭代计算，在迭代计算过程中时间步长值是动态变化的，.tran tstep中的步长值并不是仿真的步长值，只是打印输出仿真结果的时间间隔的值，可以通过调整.options lvltim imax imin来调整步长值。
瞬态分析不收敛主要是由于快速的电压变化和模型的不连续，对于快速的电压变化可以通过改变分析的步长值来保证收敛。对模型的不连续，可以通过设置CAPOP和ACM电容，对于给定的直流模型一般选择CAPOP=4，ACM=3，对于level 49，ACM=0。
对瞬态分析，默认采用Trapezoidal算法，精度比较高，但容易产生寄生振荡，采用GEAR算法作为滤波器可以滤去由于算法产生的振荡，具有更高的稳定性。
六、输入语句
3 K- u, p- e) ^7 b5 u对于.param语句，.param PARHIER=GLOBAL是默认的，使得参数可以按照Top-Down变化，.param PARHIER=LOCAL，可以是参数只在局部有效。
" I% C& _% t* I) o) {. t对于.measure语句，可以采用的模式有rise，fall，delay，average，rms，min，peak-to-peak，Find-When，微分和积分等。对Find-When语句，.measure <dc|tran|ac> result find val when out_val=val <optimization options>，对微分和积分语句，.measure <dc|tran|ac> result <deriv|integ> val <options>。
对于.ALTER语句，可以通过改变.ALTER来改变使用不同的库，其中.ALTER语句可以包含element语句、.data、.lib、.del lib、.include、.model、.nodeset、.ic、.op、.options、.param、.temp、.tf、.dc、.ac语句，不能包含.print、.plot、.graph或其他I/O语句，同时应该避免在.ALTER中增加分析语句。
  ^) |1 {; A( N! F: m4 A* f七、统计分析仿真
* u/ m) f0 S7 P主要是对器件和模型进行Monte Carlo分析，随机数的产生主要依赖Gaussian、Uniform、Limit分析，通过.param设置分布类型，将dc、ac、tran设置为Monte Carlo分析，用.measure输出分析结果，如：
.param tox=agauss(200,10,1)
.tran 20p 1n sweep MONTE=20
0 }" }: {' ^5 v% E: `& e& t7 r8 e.model … tox=tox …
其中，对Gaussian分析.param ver=gauss(nom_val,rel_variation,sigma,mult)，
/ e& O" Q  o( y8 _) i.param ver=agauss(nom_val,abs_variation,sigma,mult)，
6 k% W! M; H' r对Uniform分析，.param ver=unif(nom_val,rel_variation,mult)，
, n; x: D7 G  L9 N8 i.param ver=aunif(nom_val,abs_variation,mult)，
对Limit分析，.param ver=limit(nom_val,abs_variation)，如果你拼错Gauss或Uniform、Limit，不会产生警告，但不将产生分布。
2 G$ [$ ], i$ b

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7 c( }( o$ n; i) ~/ b

qaf98

工作前几年很重要，事少，多学，多问，多思考， 过几年，你和别人的差距就能表现出来

Jack_凡

11111111111111111111111111111111111111111111111

周雏龙

感谢分享         
$ P( q* q$ p1 Z6 j- c: i1 i

dingtianlidi

看到这里我感觉自已太渺小了,怎么就有这么多东西要我们去学的呢.刚出来的大学生也就见了几个电阻\电容而已,呵呵
4 j, `1 M& H3 l6 m4 n要好好学着点啊

Allen

也不用太悲观，学校里学得不好，不一定就是我们自己的错，有些大环境是我们改变不了的。
* x. q% I$ P% M  _, g  L/ I还好，年轻是最大的资本，任何时候我们都可以重来，只要你想学。

# g' ]; w* g' \5 t4 h2 t[ 本帖最后由 allen 于 2007-9-17 16:57 编辑 ]

yuanyanh

thanks

gongyi222

虚心学习

viseng

是啊..落后了呀

scjkier

学习一下，谢谢先，顶顶顶顶顶顶顶顶顶顶

cuijm399

xiexie

lucio

谢谢分享！

hdqdv

多谢分享

waiwai1012

谢谢！

922neo

下了，看看