HSPICE 简介

1. HSPICE 简介 周伶俐 2006/05/31 lilingzhou1982@163.com

2. 一.HSPICE 简介 • SPICE (Simulation Program for Integrated Circuits Emphasis) • PSpice (MicroSim Corp.) ——PC version of SPICE • HSpice (Avant!.) ——runs on workstations and larger computers

3. Hspice和Pspice的区别 • Hspice可以支持sun,hp,sgi,ibm,ux,pc（win2000,win98,nt,linux)支持多线程工作，sun-mt,hp-mt,pc-mt .... • 不过由于两者的引擎都是脱胎于spcie2g.5所以在运算能力上差别不是很大，但是hspice的功能要比pspice强大，特别是在收敛上面加了很多option，由于hspice在业界20多年，有着强大的model支持，使它在业界有着特别良好的应用，以至于成为了业界的一个标准。

4. Hspice和Pspice的区别 • 缺点就是，对内存敏感，内部是frotran写的采用类似c指针的方式对内存地址进行操作，大概只可以做5000个晶体管，速度很慢 • 其实在有效的2000个晶体管以上的电路就应该考虑用cadence,主要比起Hspice来说，cadence在电路收敛性问题比较少。（后面会讲到收敛性问题）

5. 简单电路正向设计的典型流程 • 功能定义 • 行为设计 • 逻辑级电路设计——得到由基本逻辑单元组成的电路（数字电路） • 逻辑级仿真（迭代） • 选择合适的工艺库。把各基本功能单元映射至其上；或设计各单元晶体管级电路——得到电路级网表

6. 电路级仿真：验证各单元电路是否具有期望的功能，性能估计。（迭代）电路级仿真：验证各单元电路是否具有期望的功能，性能估计。（迭代） • 版图设计、DRC, LVS • 提取版图网表，进行后仿真：验证功能，估计性能。（迭代） Hspice主要应用于电路级仿真、分析。可以辅助调整电路参数。得到功耗、延时等性能估计。

7. 前端功能 MetaLib CDF Symbol Library Schematic HSPICE Netlist Netlister HSPICE Simulation Parameter Changes Wave Data 反标注 Analysis Hspice的流程 后处理

8. Hspice有哪些功能？ • 电路级和行为级仿真 • 直流特性分析、灵敏度分析 • 交流特性分析 • 瞬态分析 • 电路优化（优化元件参数） • 温度特性分析 • 噪声分析 • 傅立叶分析 • Monte Carlo, 最坏情况，参数扫描，数据表扫描 • 功耗、各种电路参数（如H参数、T参数、s参数）等可扩展的性能分析

9. *title 输入文件的标题 options 设置模拟的条件 Analysis statement 设置扫描变量、设置分析模式 .print/.plot/.graph/.probe 设置输出结果的显示方式 Sources (I or V) 设置输入激励 netlist 电路网表 .lib 元件库 .model libraries 元件模型描述 .end 结束语句 Hspice的输入——网单文件 文件结构：

10. Hspice的输入——网单文件 • 例（The Star-Hspice netlist for the RC network circuit） ： • *title A SIMPLE AC RUN • .OPTIONS LIST NODE POST • .OP • .AC DEC 10 1K 1MEG • .PRINT AC V(1) V(2) I(R2) I(C1) • V1 1 0 10 AC 1 • R1 1 2 1K • R2 2 0 1K • C1 2 0 .001U • .END

11. 举例 SIMPLE RTL INVERTER $ Title *Circuit Description VCC 4 0 5 VIN 1 0 PULSE 0 5 2NS 2NS 2NS 30NS RB 1 2 10K Q1 3 2 0 Q1 RC 3 4 1K .MODEL Q1 NPN BF 20 RB 100 TF .1NS CJC 2PF $ Device Model * Analysis .DC VIN 0 5 0.1 .TRAN 1NS 100NS *Output .PLOT DC V(3) .PLOT TRAN V(3) (0,5) .PRINT TRAN V(3) .END $Necessary

12. 二. 词法 • 1. 不区分大小写（case insensitive） • 2. 标题行——第一行 • 3. 注释：* or $ • 4. 续接符：+ • 5. 非线性器件要用 .MODEL statement. • 6. 0, GND, GND!, GROUND 表示全局地. • 7. 表示数量的词尾: T(= 1E12 or 10+12); G(= E9); MEG(= E6); K(= E3); M(= E-3); U(= E-6); N(= E-9); P(= E-12), and F(= E-15)，默认是国际单位。（关键不要搞错M和MEG） • 8. Output variables：（后面会有详细的讲解） Voltage between two nodes: v(n1,n2) Voltage of a node relative to ground: v(n1) Current through an independent source: i(vin)

13. *与$注释的区别 • 一个星号（*）或一个美元符($)作为第一个非空行字符表明一个注释说明 • 语法 • * <comment on a line by itself> • 或 • <HSPICE statement> $ <comment following HSPICE input> • 例子 • *RF=1K GAIN SHOULD BE 100 • $ MAY THE FORCE BE WITH MY CIRCUIT • VIN 1 0 PL 0 0 5V 5NS $ 10v 50ns • R12 1 0 1MEG $ FEED BACK • 你可以把一个注释说明放在电路描述的任何地方。 • *必须在一行的第一个空格处。 • $用作说明并不必在一行第一个空格处（例如，在同一行紧跟Star-Hspice输入的说明）。$必须在一个空格或逗号之前，如果它不是第一个非空白字符。 • 文件或节点名内允许使用$。

14. 三． “预编译”指令

15. 1． .INCLUDE Statement • .INCUDE语句：引用一个文件，被引用的文件置于引用文件前。 例： LNA .include “me98xxxx/model.sp“ ···

16. 2. .PARAM statement • Syntax: .PARAM <parametername> = <Expression>' • Example: .PARAM width  =  20u .PARAM length =  'sqrt(width)*1.65' M1  3   2  0  0 NMOS width length

17. 3. .DATA statement • .PARAM width = 10u .PARAM length = 6u .PARAM RL = 1KM1 3 2 0 0 NMOS width length Rload 3 5 RL .TRAN         1n     1000n                 SWEEP DATA=D1 .AC DEC    10     1hz      1GHz     SWEEP DATA=D1 .DATA D1  width  length  RL +                  50u      20u      1K +                  60u     10u      10K +                 100u     25u     1K .ENDDATA

18. 4. .ALTER • 可以使用.ALTER语句并使用不同的参数和数据以返回一个仿真结果。 • 语法 .ALTER <title_string> title_string是任何最长至72个字母的字符串。.alter运行所需的合适的字符串在每个输出列表文件和图形数据文件（.tr#）的标题部分打印出来。

19. .ALTER • Vin node1 node2 dc h1 .alter change VIN=5 .PARAM h1=5V • .ALTER FF .DELLIB 'D:\TEST\PROCESS\0.6U BCD V0.1PHASE1.lib' TT .LIB 'D:\TEST\PROCESS\0.6U BCD V0.1PHASE1.lib' FF SS TT FF SF FS

20. 四． 网表输入

21. 1. The most important rules • no duplicate nodes不能重复定义节点 • zero for your ground node地确定是0 • no floating nodes 不要有悬空节点

22. 2. Node names • 对于仿真中关键的节点最好给一个有意义的命名 • 节点名字的有意义化会方便你直接观看输出的结果，避免再回到图中对照。

23. 3. 元器件描述 • Vxx—独立电压源 Ixx—独立电流源 • Exx－电压控制电压源 Gxx－电压控制电流源 • Hxx－电流控制电压源 Fxx－电流控制电流源 • Sxx－电压控制开关 Wxx－电流控制开关 • Rxx－电阻Cxx－电容 • Lxx－电感 Kxx－互感 • Dxx－二极管 Qxx－三极管 • Mxx－MOS Jxx－JFET • Xxx－模块

24. 3. 元器件描述（续）－－几种常用电源 • Sinusoidal sources Vname N1 N2 SIN(VO VA FREQ TD THETA PHASE)   Vname = VO + VA exp[-THETA.(t - TD)] sin[2pi.f (t - TD) + (Phase/360)] • PWL Vname N1 N2 PWL(T1 V1 T2 V2 T3 V3 ...) Example: Vgpwl 1 2 PWL(0 0 10U 5 100U 5 110U 0)r 间隔时间 • Pulse Vname N1 N2 PULSE(V1 V2 TD Tr Tf PW Period)

25. 下面是由前面举例的CMOS反相器组成的三级反相器链网表：下面是由前面举例的CMOS反相器组成的三级反相器链网表： …… .global vdd .SUBCKT INV IN OUT wn=1.2u wp=1.2u Mn out in 0 0 NMOS W=wn L=1.2u Mp out in vdd vdd PMOS W=wp L=1.2u .ENDS X1 IN 1 INV WN=1.2U WP=3U X2 1 2 INV WN=1.2U WP=3U X3 2 OUT INV WN=1.2U WP=3U CL OUT 0 1PF VCC VDD 0 5V …… 4. 子电路

26. 5. .GLOBAL xx • This statement causes all nodes numbered xx, whether in the main circuit or a subcircuit, to be connected together. • 注意：Global的使用需格外小心，一般仅把电源定义成Global

27. 6. .LIB 语句 • LIB 语句： .lib ‘<filepath>filename’ entryname 该语句根据文件路径和文件名来调用一个库文件，一般该文件包含器件模型。 例 .lib ‘MODELS’ cmos1 MODELS文件： ··· .MODEL CMOS1 nmos ··· 我们仿真中加库的语句应该是 .LIB 'D:\TEST\PROCESS\0.6U BCD V0.1PHASE1.LIB' TT

28. 五．常用仿真类型

29. 1.  .OP Statement • 计算直流工作点指令，对于分析电路很有用（要会看.lis文件） • 一般在任何其它仿真之前都需要计算直流工作点 • .op time看某一时刻的各个器件和电源的状态。.op vol time某一时刻所有节点电压，.op cur time某一时刻所有器件和电源的电流。.ac.dc是初始工作点，.tran默认时间是0。

30. 2.  .DC Statement • 对参数和独立电源扫描  • .DC SRCname START STOP STEP • 注意： 1）对独立源扫描时，SRCname为电源名，而非节点名 2）仿真迟滞特性要正、负双向扫描， 如： .DC Vin 0 5 0.1 .DC Vin 5 0 -0.1 3） 注意对两个量的扫描，后面的是外循环

31. .DC对参数的扫描 • 对参数的扫描 • 例如：vin 1 2 dc H1 .param H1=10v .dc H1 0 20 1 • 对温度的扫描： .dc temp -20 80 1

32. 3. .TRAN Statement • .TRAN: .TRAN var1 START=start1 STOP=stop1 STEP=incr1 or .TRAN tincr1 tstop1 <tincr2 tstop2 ...tincrN tstopN> + <START=val> <UIC> 起始时刻和步长都指的是输出打印的时刻点，计算的时间步长由hspice自己决定。UIC参数表示使用.IC语句指定的节点初始值。 例：.TRAN .1NS 25NS 1NS 40NS START=10NS 0－25ns，步长0.1ns,25ns-40ns,步长1ns;从10ns开始输出结果。 .TRAN 1NS 100NS $以1ns的步长输出到100ns

33. 4.  .AC Statement • .AC: 一般频域扫描： .AC type np fstart fstop <SWEEP var start stop incr> Or .AC type np fstart fstop <SWEEP var type np start stop> Or .AC var1 START = start1 STOP = stop1 STEP = incr1 例：.AC DEC 10 1K 100MEG 1kHz-100MHz,每10倍频10个采样点。

34. Ac type • 一共有4种 DEC – decade variation. OCT – octave variation. LIN – linear variation. POI – list of points. • 例如 .AC DEC 10 1K 100MEG .AC LIN 100 1 100HZ .AC DEC 10 1 10K SWEEP cload LIN 20 1pf 10pf .AC DEC 10 1 10K SWEEP rx POI 2 5k 15k

35. 5. .NOISE— AC Noise Analysis • 噪声分析： 用来计算各个器件的噪声对输出节点的影响并给出其均方根并输出，可完成.AC语句规定的各频率的计算，应在.AC分析之后。 .NOISE ovv srcnam inter Ovv－输出变量，srcnam－输入源，inter－频率间隔 例：.title ac sweep example .OPTIONS POST R1 in 1 5 C1 1 0 500pf V1 IN 0 0 AC=10V,37 .AC OCT 10 1 100MEG .noise v(1) v1 20－－分析1点电压的噪声情况，噪声源为V1端口 .END

36. Lis文件中输出的噪声分析结果 1 ****** Star-HSPICE -- 1999.4 (19991220) 22:12:12 04/16/2002 pcnt ****** .title ac sweep example ****** noise analysis tnom= 25.000 temp= 25.000 ****** frequency = 1.0000 hz **** resistor squared noise voltages (sq v/hz) element 0:r1 total 8.233e-20 rx 5.0000 **** total output noise voltage = 8.233e-20 sq v/hz = 286.9260p v/rt hz transfer function value: v(1)/v1 = 1.0000 equivalent input noise at v1 = 286.9260p /rt hz **** the results of the sqrt of integral (v**2 / freq) from fstart upto 1.0000 hz. using more freq points results in more accurate total noise values. **** total output noise voltage = 0. volts **** total equivalent input noise = 0. …….

37. 六．输出及控制

38. 1. .PRINT, .PLOT and .PROBE • .PRINT:在输出的list文件中打印数字的分析结果，如果.OPTIONS中有POST则同时输出到post-processor中。 • .PLOT:在输出的list文件中打印低分辨率的曲线（由ASCII字符组成）,如果.OPTIONS中有POST则同时输出到post-processor中。 • .GRAPH：生成用于打印机或PostScript格式的高分辨率曲线。 • .PROBE:把数据输出到post-processor，而不输出到list文件。

39. .PRINT, .PLOT and .PROBE • Examples:     • .PLOT DC V(1,2) V(3) I(Vmeas) • .PRINT TRAN V(3,1) I(Vmeas) • .PLOT AC VM(3,0) VDB(4,2) VM(2,1) VP(3,1) IR(V2) • 注意：使用par计算参数的值 例：print dc i1=par(‘V(X1.node3)’)

40. 输出某个器件的流过的电流 • 可以直接输出也可以通过间接的方法 • 间接的方法就是电路中串联0电阻和0电压源来看某个支路或者某个器件上的电流。 • 直接的方法有两种 • 1. 利用里面规范的语句看器件的电流 BJT ic( ) ib( ) ie( ) MOS id( ) ig( ) is( ) Diobe i( ) RES i( ) 例：.print dc ic(q1) • 2.利用.par语句

41. 输出某个器件的流过的电流 • .print i1=par(‘i1(Q118)’) i2=par(‘i1(r1)’) • I1,i2,i3,i4对于不同的器件有不同的含义，具体如下

42. 输出某个器件的流过的电流

43. 输出某个器件的流过的电流

44. 输出某个器件的流过的电流

45. 输出某个器件的流过的电流

46. 输出某个器件的流过的电流

47. gain • Vin node1 node2 dc 10 ac 1 • .ac dec 10 1k 1meg • .print vdb(‘vout’) • .print vdb(‘vout/vin’) • .print ac gain=par('vdb(vout)') • Vout是输出节点。

48. 2. Options statement • .OPTIONS: 该语句允许用户重新设置程序的参数或控制程序的功能。常用的一些如下： node: 列出个节点的元件端点，便于查错； post: 使输出数据可以使用 AvantWaves 浏览(即将数据输出到post processor； list: 列出元件列表； MEASDGT：.MEASURE语句输出的有效数字位数 • 语法：MEASDGT = x，The value of x is typically between 1 and 7, although youcan set it as high as 10. The default value is 4.0.

49. 2. Options statement • 例：.option post probe AvantWaves只观察.probe语句输出的变量。 • 除了以上的还有其它的参数详细hspiceguide中的P387页。 • 常用的是fast，bypass=0 加速仿真，但是会牺牲精度。（P426页）

50. 3. .MEASURE statement • 使用.MEASURE语句去修改信息和定义连续的仿真结果 • .MEASURE语句打印使用者定义的一个电路的电气规范并大量地用于最优化。规范包括在一个特定的时间内的传播，时延，上升时间，下降时间，峰间（peak-to-peak）电压，最小和最大电压和大量使用者自己定义的变量。带有错误模式和GOAL参数，.MEASURE也广泛地用于组件值的优化和为参数模型寻找合适的测量数据。其结果保存在*.mt0文件中。