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HSPICE 簡介

HSPICE 簡介. SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis). 原先的目的是為了電子系統中積體電路之模擬與設計而發展的軟體 . 目前成為微電子領域中電腦輔助電路分析的標準. 序論. 1. 熟悉所設計電路的功能 2. SPICE 之外所需的基本概念 3. 了解電路元件參數與架構對各項電路特性的相關性，以利模擬結果的改進 4. 了解元件的基本特性 5. 了解電路的輸入信號特性 6. 了解電路各項規格的相依性及優先程度 7. 了解需要驗證的電路規格及對應的模擬種類及電路組態. 類比設計.

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Presentation Transcript

  1. HSPICE簡介 SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) 原先的目的是為了電子系統中積體電路之模擬與設計而發展的軟體.目前成為微電子領域中電腦輔助電路分析的標準

  2. 序論 1.熟悉所設計電路的功能 2. SPICE 之外所需的基本概念 3.了解電路元件參數與架構對各項電路特性的相關性，以利模擬結果的改進 4.了解元件的基本特性 5.了解電路的輸入信號特性 6.了解電路各項規格的相依性及優先程度 7.了解需要驗證的電路規格及對應的模擬種類及電路組態

  3. 類比設計 自然信號的處理 自然界發生的信號為類比信號,例如麥克風產生數十微伏特的電壓,地震感應器之輸出電壓範圍數豪伏特..等等,所有信號最後都必須以數位形式進行,這些信號處理中可以觀察到每一系統都由一個類比數位轉換器(ADC)和一個數位信號處理器(DSP)所組成

  4. 加入放大器及濾波器提高靈敏度 實際上,若直接由ADC將自然界信號數位化,其信號強度大小可能非常小,而且不想要的頻帶干擾也會出現,因此由下圖可以看到,利用放大器提高信號準位,濾波器抑制干擾,所以高效能的放大器及濾波器的設計顯得十分重要 放大器 濾波器

  5. HSPICE功能 Transmission Line Signal Intergrity Monte Carlo Worst Case Analysis Photocurrent Radiation Effects Cell Characterization Circuit Cell Optimization Incremental Optimization

  6. 核心特色 最佳化功能(Optimization) 元件最佳化： 目的是在萃取及求出元件SPICE模型參數，經比較測量值與模擬值誤差大小，而得到最佳化之參數集。 電路最佳化：在給定設計規格為最佳化目標，調整元件之大小到最接近目標之結果。

  7. 核心特色 在層次化設計(hierarchical design)過程中，取得各階段(如開關或電晶體層次)所處理信號的一致性(signal integrity)是保護電路設計成功之依據。 由於深次微米製程中連接導線造成之訊號延遲，已與元件響應參數大小相近。在模擬過程中，如增加傳輸線之模型，將更能預估積體電路之實際效能。

  8. 核心特色 光電領域之模擬與輻射效應之考量 HSPICE提供光電流效應模型(photocurrent effect model)，對於主動元件如接面二極體與場效電晶體等皆很容易受到光照射與輻射效應之影響。因此包括由光輻射總離子化量(total ionizing dose)所造成之永久性元件功能退化，以及在p-n接面暫態之光電效應。 晶圓製造服務廠商(foundry service)能掌握製程參數之穩定性，對於每個製程批次(lot)都利用測試鍵來進行元件關鍵參數之量測與統計分析。

  9. 核心特色 蒙地卡羅分析 由於積體電路產品的效能好壞，可以反應出產品品質及良率。在HSPICE中，則可以利用蒙地卡羅分析，將測試資料反映到原來設計規格之訂定；並可依此分析，進行最壞狀況模擬，以提供產品效能的評估。 傳輸線之應用 傳輸線是一可將輸入點之信號傳遞致遠距離之輸出元件，在HSPICE中所提供的傳輸線模型有兩種，即一般SPICE所用的理想無耗損傳輸線：T模型或較準確句號損的傳輸線：U元件的模擬。

  10. 積體化(Integrated) 在同一基板上放置多樣電子元件的構想是在1950年代被提出,40年來的製作技術由生產包含少量元件的簡單晶片,發展至今可容納數十億電晶體,同時電晶體的最小尺寸由1960年的25微米減少至2000年的0.18微米 ,導致了積體電路的加速進展,類比電路和混合式類比數位積體電路以常出現在消費性的產品中,我們以不再用單一模型來模擬類比電路的功能 金氧半導體場效應電晶體 金氧半導體場效應電晶體(metal-oxide-silicon filed-effect transistor,MOSFET)的概念於1930年代早期申請專利,早在雙載子接面電晶體發明前,因製作技術的限制,MOS技術成熟較晚,並解在1960年代只生產N型晶體,直到1960年中期,互補式MOS元件發明出來後才開啟半導體工業的革命

  11. 模型化分析 方塊圖列舉了hspice所能執行的各類分析及使用

  12. 模型化技術 C 電容模型 D 二極體模型 L 電感模型 R 電阻模型 NPN NPN BJT模型 PNP PNP BJT模型 NJF N通道 JFET模型 PJF P通道 JFET模型 NMOS N通道 MOSFET模型 PMOS P通道 MOSFET模型

  13. 元件對應關係 常用的元件介紹..val為該元件之大小值 Rname=val 電阻or電容 2 1 Rname 1 2 val Cname 3 4 val 3 4 Cname=val 金氧半場效電晶體(MOSFET) D Mname D G S B xch L=val W=val .model xch xmos G Mname S 獨立電壓源or電流源 5 7 Vname 5 6 DC val I name 7 8 DC val (若為交流訊號把DC改成AC即可) I name=val v name=val V 6 8

  14. 基礎分析 對一些簡單的元件.如電阻.電感.電容.獨立電源作基礎分析

  15. 元件對應關係 節點(node) 節點是電路元件的輸入或輸出端點,在SPICE中,所有的節點都給予唯一的數字來表示,而決定節點數目的規則如下: 1.節點數目字需為正整數如1.2.3.4….等(而Hspice可以直接取英文字母或數字為節點名稱) 2.節點數目字並不需隨大小排列來定義 3.節點數目字(0)是定義為接地點(GND) 4.節點必須有一直流路徑到地點

  16. 1.PWL(piece wise linear waveform) 片段線性波形的描述方式 pwl( t1 v1t2 v2t3 v3 ………..) Ex: pwl (2s 1v3s 3.5v4s 2.5v + 4.5s 0.5v6s 5v )

  17. 2.PULSE(pulse periodic waveform) 週期脈波的描述方式 pulse( v1 v2 td tr tf pw per ) Ex: pulse ( 2v 5v 1s 1s 1s 5s 10s) 波寬 pw 延遲 td 下降 上升 tf tr 週期 per

  18. 3.SIN(sinusoidal waveform) 弦式波型態的描述方式 Sin ( v1 v2 freq ) Ex: sin ( 0v 4v 0.5k) 頻率 freq

  19. 基本指令分析 .OP （直流偏壓點） 印出在特定時間或多時間點之條件下的操作點相關資訊 .DC （直流掃描）設定曲線的掃描範圍 其中 VX為電壓源或者電流源. Vy為起始值. Vz為截止值. X為遞增值 Ex..DC Vx Vy Vz X .dc vs 1v 5v 0.1v .AC（交流頻率）定義電路分析時指定的掃描頻率範圍.取樣型態 Ex..AC DEC 10 X Y 其中DEC 10每10進位進行10點取樣 .X為起始頻率. Y結束頻率 .ac dec 10 1Hz 1kHz

  20. 基本指令分析 .TF（小訊號轉移函數）計算特定變數對於輸入源小訊號轉移函數相對增益及輸入輸出阻抗 .SENS（靈敏度分析）計算電路中指定輸出變數相對於線路其他元件參數之直流小訊號敏感程度 .TRAN (暫態分析) 其中 tx為時間增量. Tstop為終止時間. Tstart為開始時間 Ex..tran tx tstop tstart .tran 0.1ms 10ms 1ms 增量 注意: 由1m秒分析至10m秒

  21. 執行Hspice 開始 > 程式集 > HSPICE U-2003.03 > HSPICE U-2003.03 1

  22. 2 出現主視窗 在桌面點選滑鼠右鍵.開啟文字文件後打入所需的程式 3

  23. 4 程式完成後另存新檔.副檔為.sp檔存檔類型點選所有檔案 5 點選Open開啟副檔名.sp程式

  24. 6 點選Simulate進行模擬 7 點選Edit後尋找是否有錯誤

  25. 8 完成上述步驟後.點選Avanwaves即可觀看波形

  26. 9 點選curver.即可看到每個節點的波形

  27. Hspice輸入檔案的結構 .SP輸入檔之結構如下 *標題敘述 電路描述 (資料敘述) 分析型態 (控制敘述) (輸出敘述) (結束敘述) 電 路 主 體 ( *註解敘述可 安插於其任一列) .end

  28. 基本電路分析 如圖為一電壓源與電流源同時存在的網路其中I1=I2=2A,R1=R2=R3=R4=2Ω,V1=7v 可以利用.op指令來觀察每一個電阻上的電流及電壓 R2 2Ω 1 2 R3 3 I2 2Ω V1 I1 2A + 2Ω 2A 7V 2Ω R4 - R1

  29. 模擬完後點選Edit 程式部份 .option I1 0 1 2A I2 1 2 2A V1 3 0 10v R1 1 0 2 R2 1 2 2 R3 2 3 2 R4 2 0 2 .op .end 每個電阻上的電流值及電壓值,電流流向由自己設的電阻節點方向,如果為負值代表方向相反,同理至電壓值也相同

  30. 基本的RC充電 R=1K .option Vs 1 0 pwl(0 0 0.01ms 5v) R1 1 2 1k C1 2 0 1uf .tran 0.01m 6m 0.01m .print v(1) v(2) .end 1 2 + Vs=1v C=1uf - 電容大約4RC=4ms充滿5v

  31. 高通濾波器 一階高通濾波器 程式部份 C1 =15.9uf 1 2 .option C1 1 2 15.9u R1 2 0 5 Vs 1 0 ac 1 .ac dec 5 100 100k .print ac vdb(2) .end Vs Vo R = 5

  32. 振幅響應 相位響應

  33. 低通濾波器 一階低通濾波器 程式部份 R1= 5 1 2 .option C1 2 0 15.9u R1 1 2 5 Vs 1 0 ac 1 .ac dec 10 10 10k .print ac vdb(2) .end Vs Vo C1 =15.9uf

  34. 振幅響應 相位響應

  35. 帶通濾波器 二階帶通濾波器 程式部份 .option R1 1 2 5 C1 2 0 10u C2 2 3 25u R2 3 0 20 Vs 1 0 ac 1 .ac dec 10 100 10k .print vdb(3) vp(3) .end C2 2 3 R1 1 Vo Vs C1 R2

  36. 振幅響應 節點3相位響應 節點2相位響應

  37. 1V步階信號 輸 入 斜率為 -50v/s 輸 出

  38. 次電路之應用 如果在一複雜的電路中,有某一電路重複出現或被使用,我們可以利用.SUBCKT指令來定義副電路 Ex. .SUBCKT circuit name node1 ….. ..…. 其中node1 ….. 是用來連接外部電路的節點 .ENDS circuit name .subckt cc_amp 1 2 3 4 …. .ends cc_amp 呼叫次電路,外部電路的節點順序與定義次電路的結點順序相同 Ex. Xname node1 ….. circuit name X1 5 6 7 8 cc_amp

  39. 振幅響應 相位響應

  40. 積體電路 積體電路及系統設計的成功與否,不只決定在線路層次上規格的達成,也包含了所用元件模型的準確性,模擬軟體的可靠性,及製程技術的配合..等,故積體電路是屬於多程面整合的產品,基本上整體的模擬準確性是受限於下列的合成影響 1.元件直流及交流模型的準確性 2.在積體電路結構上,不同層材料間連接的等校模型準確性 3.IC製造廠中,設備能力及製程變化統計資料的準確性

  41. 模擬技巧探討 1.積體電路層次注重在金體模型之使用,而系統層次則著重在各個子電路之組成與應用 2.如為較小或電晶體較少數目的電路,則可以採用低階的模擬,及包含非線性電晶體模型層次之電路模擬,如為功能或閘層次的電路,則可採用較高階的模擬 ,如包含類比電路模型的模擬 3.在模擬中中入元件庫模型的使用,包含.inc及.lib等敘述 4.模擬中可利用代數運算,包含.param之敘述 5.在模擬中加入最壞狀況分析,包含資料的掃描, 蒙地卡羅的統計分析及.alter之運用

  42. 系統設計層次的考慮 印刷電路板或系統設計,依班是依據下列假設來模擬： 1.每個電路是在獨立的溫度環境。 2.每個電路部分(獨立元件或積體電路)，可能屬於各個獨立不相關的製程所製造。 3.每個電路部分，使用互不同相關且可個別變化的模型。 4.分析是著重於各電路間的信號一致性的主題上，包含時序漂移(clock skew)、接地彈跳(ground bounce)、信號串音(signal cross)、最大的傳輸長度(max trace length)、信號線之終端(line termination)、電源雜訊(power supply noise)，去耦合電容值的選擇與加入(decoupling capacitor and placement)。

  43. 系統設計者使用環境範例方塊圖 Input Requests .circuit parameters .circuit temp .circuit stimulus Analysis Requests .dc sweep .transient .ac pole zero .noise distortion Model/Lib Selections .circuit marco def .asic vendor lib .memory vendor lib .processor vendor lib .pcb & mcm vendor Spice Execution .circuit simulation .ground bounce,crasstalk Result analysis .post graphical processing Fineal design review/Modification .Line termination .Optimzation

  44. Hspice元件模型序論 在1991-1995年期間,國內各主要積體電路廠商,如TSMC及UMC等所採用的MOS元件模型集中在level3/level6/level13等,而TSMC在其0.6微米~0.8微米的製程中提供level28模型,而國外廠商如美國IC製造商及韓國DRAM等,則有不少level28的使用經驗 。 LEVEL28是BSIM的修正模型,而BSIM是指Berkeley Short Channel IGFET Model奇主要是提供次微米元件模型用,此模型對每各參數都包含有隨電晶體閘及寬度及長度的靈敏度因素,所以可以較準確的模擬不同大小的MOSFET元件。 在於1996年後,BSIM3(LEVEL49)模型及逐漸的被應用在0.5微米以下之CMOS製程,也將FET元件模型帶入第三世代中,而2000年由於0.13~0.18微米製程技術成熟,BSIM4模型更帶來FET元件模型之第四個世代。

  45. MOSFET特性曲線 以下為增強型FET輸出特性曲線,假設參數為(kp=10u Vto=1v lambda=0.01),VGS.VDS為調整的電壓範圍,使用.DC來作直流掃描分析 .option m1 2 1 0 0 n l=0.1u w=3u .model n nmos (kp=10u Vto=1v lambda=0.01) Vds 2 0 10 Vgs 1 0 4 .dc vds 0 10 10m vgs 1 5 1 .print i(m1) .end VDS由0V至10V VGS由1V至5V掃描

  46. VGS=5v VGS=4v VGS=3v VGS=2v VGS=1v=Vt 如圖為增強型輸出特性曲線

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