Hspice实战手册!

Allen

完整版本请见附件。      
- X+ Q! ]7 E$ {; w       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
$ A' M2 ]& R  A9 S6 R' MAvant! 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。
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。
# |1 n7 _% P5 g) K8 A/ i7 kHspice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。
3 F; y# r* B5 L- C3 b6 `2 `) T表1 Hspice所使用的单位
  P# L6 _4 ^& L6 X独立电压和电流源包括：
+ k1 C" ?# T0 |# I8 l+ E3 L  R" |1. 直流源（DC）：
  q+ I# @* z. v* w9 v5 R电压源Vxxx n+ n- dcval
5 ^. o* p  ^4 ]7 @% w3 a( ]# E0 O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）：
脉冲源：pulse v1 v2 td tr tf pw per
1 H8 B4 H, U8 H% ~# R$ t线性源：pwl t1 v1 <t2 v2 t3 v3…>
正弦源：sin vo va freq td damping phasedelay
7 ]5 J/ A) d4 P) Z+ U4. 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)
1 {+ R; x$ i5 U二、输入网表文件
9 r3 K/ y6 \- y2 WTITLE
+ M9 p& B* u6 Z* R+ M+ B- Q.INCLUDE
.LIB MACRO
元件描述
信号源描述
$ [2 i$ j. q: p& I分析命令
% \* m! C9 b6 u: K测量命令
.ALTER
8 K7 ~/ I( H+ z; ?( q" @.END
图1 输入网表（Netlist）文件标准格式
二、有源器件和分析类型
$ @0 x9 `' @, l% v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。
1.直流分析：
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
0 G+ b! N! v( V2 {直流分析包含以下五种语句：
1 ^8 a! w2 |3 B4 O' W.DC：直流扫描分析；
! R% Y9 c+ p" y/ y  `5 ~2 e) P.OP：直流操作点分析；
2 c8 r) b  A) d" b! Y.PZ：Pole/Zero分析；
- Q: W" N! m0 m" y; Q.SENS：直流小信号敏感度分析；
.TF：直流小信号传输函数分析。
: |; x8 ~4 c+ E2.交流分析：
& |4 I) \# e. x7 ]% }交流分析是指输出变量作为频率的函数。
4 {1 `' {  u/ c) t/ C2 E. G! n( B.AC var1 start1 stop1 inc1 sweep var2 type np start2 stop2
' h7 p4 V8 D% s6 M$ v, i交流分析包括以下四种语句：
$ U& {  T  x' Q  G" H.NOISE：噪声分析；
.DISTO：失真分析；
/ s" t6 I; U2 q8 h% \.NET：网络分析；
.SAMPLE：采样噪声分析。
3.瞬态分析：
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..
4 L3 O9 V$ f3 ]3 V8 i& m三、输出格式和子电路
& ^3 b# n9 W  [0 E' s, }' Z1 I（1） 输出命令包括：.PRINT、.PLOT、GRAPH、.PROBE和.MEASURE。
9 K1 Q# W0 R! D- h6 C! [8 J.PLOT antype ov1 ov2… plo1,phhi1…plo32,phi32
.PROBE ov1 ov2… ov32
1 c1 F* J) A% t0 P/ r.PRINT antype ov1 ov2… ov32
有五种输出变量形式：
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。
: ]* J! s9 D) H" e, m& Q, O5 D; {0 d6 m.print V(node) 或 .plot I(node)，也可用.graph、.probe。
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 o9 S% G' t4 d! y7 |4 O8 m2. 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。
vi(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。
3. 器件模版：
' _( C3 M8 L: I, |- E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。
' g0 B7 X8 Y% m& W4. MEASURE语句：
用于显示用户自定义的变量。
: S* f* y% {% Z9 \" ]; o可以采用的句法包括：raise,fall,delay,average,RMS,min,max,p-p等。
) B4 t+ H+ `  w9 R" [7 y5. 参数语句：
! Y9 i  ~, T7 P2 C用于显示用户自定义的节点电压等表达式。
9 {* `' j1 O. e0 Y5 I$ y语法格式：.print tran out_var_name=PAR(‘expression’)
2 ]; k  k# f: s' f8 D& E) b（2）还可以采用AvanWave进行波形输出，启动AvanWave的命令为：awaves <filename> &
) x3 Z+ R2 q* W" S（3）子电路：
$ z. x. k9 |: i* g3 |1. 采用.GLOBAL设置全局节点：
.GLOBAL node1 node2 node3…
" \4 F5 w0 d! m( A3 D2. 子电路语句.SUBCKT和.MACRO：
.SUBCKT subnam n1 n2 n3… parnam=val…
.MACRO subnam n1 n2 n3… parnam=val…
子电路的调用：
Xyyy n1 n2 n3… sunnam parnam=val… M=val
四、控制语句和option语句
1.OPTION语句：
.options语句格式：.options opt1 opt2 opt3… opt=x
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：
. M+ N! U5 ?  A2 T) K7 B2 E- BSCALE影响器件参数，如：L、W、area，SCALM影响model参数，如：tox、vto、tnom。
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。
/ i" N7 I; j3 e4 g(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：
* ]  v  b1 j2 K: p2 _; V7 X8 I1.电路的拓扑结构：
1 I# w" K! k: `# P$ V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。
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。
2.仿真模型：
& b& ~: U, [* [5 a) j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。
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。
. p7 |$ @0 Z& A, E8 |7 _9 i3.仿真器的options设置：
' A# c0 a" O( O  |, f" g2 I, `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。
8 l! h' \+ J$ f& P0 x' ^2 B- J% n解决的方法是：调整错误容差，重新设置RELV，ABSV，RELI，ABSI，RELMOS，ABSMOS等。
(2) 针对仿真分析中可能出现的不收敛情况进行分析：
) ^/ b" o  L! y1.直流工作点分析：
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。
$ K0 n9 V  O  I. d2.直流扫描分析：
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。
1 B0 u% u- N+ P+ _) Z* q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。
3.AC频率分析：
" L% r* |3 `& c' W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。
4.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。
, _, d5 G' c8 \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。
, }: ~( J& Z) g) g9 U* z: S6 H% \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。
1 z3 h; Q3 M' {6 t% P7 F六、输入语句
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。
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>。
' W" S2 e0 u$ G, _6 x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。
0 t. Q5 K! L% m8 z七、统计分析仿真
# V% d" F# P) B; H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)
( T8 w2 |, X8 D8 n: ]" J5 p# i.tran 20p 1n sweep MONTE=20
.model … tox=tox …
2 D. B/ `$ r5 X9 a: T' P其中，对Gaussian分析.param ver=gauss(nom_val,rel_variation,sigma,mult)，
.param ver=agauss(nom_val,abs_variation,sigma,mult)，
对Uniform分析，.param ver=unif(nom_val,rel_variation,mult)，
.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。

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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         
8 y. T. E5 d8 i$ A; ^

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
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。
2 {) P3 U  p6 Q' t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。
: s6 ?/ _! f" u+ Y
[ 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