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Mixed-signal IC Design

Mixed-signal IC Design. Prof. Wu-shiung Feng Department of Electrical Engineering National Taiwan University. Chapter 2 Mixed-Signal CAD Tools 2.1 Mixed-signal Spice Simulation. IsSpice 系統簡介 SpiceNet 繪圖功能介紹 IsSpice 即時模擬功能介紹 IntuScope 波形分析功能介紹 SpiceNet 繪圖功能實務操作 IsSpice 指令格式介紹與實務操作

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Presentation Transcript

  1. Mixed-signal IC Design Prof. Wu-shiung Feng Department of Electrical Engineering National Taiwan University

  2. Chapter 2 Mixed-Signal CAD Tools 2.1 Mixed-signal Spice Simulation IsSpice 系統簡介 SpiceNet 繪圖功能介紹 IsSpice 即時模擬功能介紹 IntuScope 波形分析功能介紹 SpiceNet 繪圖功能實務操作 IsSpice 指令格式介紹與實務操作 ICL 交談式指令語言介紹 SALT Spice 陣列連結技術介紹 IsSpice 模擬實務操作 註: 本資料取自Intusoft 之IsSpice 說明書

  3. SPICE 之發展 • 電路模擬軟體早於1960年代開始發展。 • 1970年代隨著電腦硬體與記憶管理等功能改善， • 使SPICE 逐漸為工業界接受，並持續發展。 • SPICE(SimulationProgram withIntegratedCircuitsEmphasis) • 80與90年代SPICE 3.x 的發展成功 ，SPICE 已進入新的領域。 • SPICE 3A.7 - March 1986 - SPICE 第一個版本 • SPICE3E.2 - April 1991 - 第一個取代2G.6 的版本 • SPICE3F.5 - Oct. 1992 - 最新版本 • SPICE 仍不斷更新，進入電子工業之類比混合電路模擬。

  4. SPICE 功能之演進 • Time 70’s SPICE - Fortran, AC, DC, Transient, Noise, Sens, Distortion, Fourier Pre Processing (Parameter Passing, Monte), Graphical Post Processing Graphical User Interfaces, Schematic Entry SPICE - C, Thermal, Pole-Zero, Convergence, Real Time Interface Behavioral Models - Equations, Table Models, If-Then-Else, Laplace RF - Models, T-Lines, PCB Feedback, Signal Integrity Interactive SPICE - Sweeping, Real Time Display, Cross-Probing Mixed Mode - Boolean Expressions, Integrated Digital, VHDL AHDL - C Subroutines Hardware-Software Interfacing 80’s 90’s

  5. SPICE 能做什麼 ? • 一般目的，所有型式之應用 • 線性、非線性、偏壓點、頻率響應、時域、雜訊、溫度、傅立葉、失真、最佳化 • ASIC、電路板與系統 • 電力與通信系統 • 濾波器設計、高頻與微波電路 • 混合信號 (類比、數位)之應用 • 混合技術 (機電整合)之應用 • 硬體與軟體整合應用

  6. Netlist 必 備 內 容 1. 標題 2. 控制指令 3. 輸出指令 4. 適當的電路描述 5. 激勵源與電源 6. .End 指令

  7. SPICE netlist 最 佳 結 構 SAMPLE CIRCUIT .control op show q showmod q .endc .AC DEC 10 1 1G .TRAN 1N 100N .OPTIONS ACCT .PRINT AC I(V3) IP(V3) .PRINT TRAN V(4) I(V3) V(7) V(8) V1 1 0 AC 1 PULSE 0 1 0 0 0 50N C1 1 2 .01U R1 2 7 390 Q1 3 7 0 QN2222 Q2 11 3 5 QN2222 Q3 8 5 4 QN2222 R2 7 5 390 R3 4 0 50 R4 5 0 390 V2 6 0 -2 R5 6 7 820 V3 9 8 D1 11 9 DLASER R6 11 3 750 V4 11 0 5 *INCLUDE C:\SPICE\lib\bjtnpn.LIB .MODEL QN2222 NPN(IS=1.9E-14 BF=150 VAF=100 IKF=.175 ISE=5E-11 + NE=2.5 BR=7.5 VAR=6.38 IKR=.012 ISC=1.9E-13 NC=1.2 RC=.4 + XTB=1.5 CJE=26PF TF=.5E-9 CJC=11PF TR=30E-9 KF=3.2E-16 AF=1.0) .MODEL DLASER D N=2 .END 標題 ICL 控制區段 控制指令 激勵信號 電路拓撲 電壓源 模型

  8. IsSpice4 電路設計模擬系統 SALT 硬 體 與 IsSpice4 連 結 應 用 無 限 制 元 件 數 量 及 時 波 形 顯 示 交 談 式 指 令 語 言 Magnetics Designer 變壓器設計 ICAP/4 Windows - NT Windows95 Macintosh Power Mac I S 4 邁 入 實 務 世 界 S PICE Interactive 交 談 式 模 擬 適 用 各 型 電 腦 系 統 AC-DC-TRAN FilterMaster 濾波器設計 進 階 模 型 資 料 庫 PreSpice S M 模 型 資 料 庫 PICE OD 由 Data Sheets 產 生 SPICE 模 型 Models SPICE IntuScope Monte Carlo 波 形 分 析 最 佳 化 掃 描 SpiceNet 實 驗 室 量 測 資 料 分 析 電 路 圖 交 談 式 修 改 元 件 值 與 及 時 波 形 顯 示 輸 入 法 波 形 處 理 與 分 析 自 動 產 生Netlist OLE • PCB 應 用 輸 出 電 路 圖 或 波 形 至 印 表 機 或 剪 貼 簿 連結 OrCAD 與 Protel

  9. 直流分析 靜態操作點之決定 Special Operating Point - 計算直流操作點 Sensitivity - 輸出相對靈敏度之分量 Transfer Function - 輸出與輸入阻抗之比例 DC Transfer Curves - 電源掃描

  10. 暫 態 分 析 完成非線性時域分析

  11. 交 流 分 析 頻率響應 (波德圖) 增益/相位邊限、開/閉迴路響應 Noise - 計算電阻與半導體的雜信成份 Distortion - 計算諧波失真 Sensitivity - 輸出所有頻率之相對靈敏度分量 Pole-Zero - 交流轉移函數之極零點分析

  12. 最 新 的 SPICE • Berkeley SPICE 3F.5 • 介面 - 交談式與即時系統 • 斷點 • 條件分支 • 模擬劇本 • 模型 (BSIM3, EPFL, GaAs, Lossy lines) • 分析：溫度、靈敏度、失真、最差狀況

  13. SPICE2與 SPICE3元件之比較 SPICE 2 ?Diodes, BJTs, JFETs, Ideal T-Line, Mosfets - Level 1, 2, 3 SPICE 3 ?Mesfet, New JFET, Mosfets - Level 2, 4, 5, 6 ? Switches, Lossy T-Lines, Multiple Coupled Lines ? Behavioral Modeling: Equations, If-Then-Else, Boolean

  14. SPICE2與 SPICE3分析功能之比較 SPICE 2 ? AC, DC, Tran, Fourier, Distortion, Temperature, DC Sens SPICE 3 ?New AC/DC Sensitivity and Pole-Zero analyses ? Improved Distortion and Temperature analyses ? ICL - Simulation Breakpoints, Control Loops ? Better Operating Point ? Real Time Display

  15. SPICE2與 SPICE3輸出功能之比較 SPICE 2 Voltages, Current Through Sources SPICE 3 Any Voltage (Even in subcircuits) ? Current through any component (Without extra sources) ? Device Power dissipation ? Over 150 different computed device/model parameters ? Print Expressions using the ICL Alias command ? Show and Showmod operating point summaries

  16. IsSpice優點 • Based on the latest SPICE 3F.5 with full 2G compatibility • More Behavioral Modeling Features • Superior Convergence algorithms • Gmin Stepping, Supply Ramping, Altinit UIC, Rshunt • Debugging Option • Interfaces - INTERACTIVE & REAL TIME • Breakpoints, Conditional Branching, Simulation Scripting

  17. IsSpice優點 • XSPICE Extensions • AHDL - C Code (XDL) Models and Subroutines • System & Board Level simulations • Over 40 new SPICE primitives • State machine, Laplace, VCOs, User-Defined • Add Models in Hours instead of Months • Native Mixed Mode - Analog/Digital, Sampled-Data • Event Driven Logic Simulator with Event Schedulin

  18. 模擬速度之比較 • . DIV4.CIR 107 Nodes 256 Elements 84.92K Memory Tran IBM Compaq ALR Micron V AX Pentium/200 AT 386/20 486/25 8700 0:3.6 T otal 29:30 3:20 0:45 0:47 Index 1 8.86 39.35 491.67 37.67 ELLIPTIC.CIR 54 Nodes 118 Elements 68K Memory AC/Tran vs. IBM Compaq ALR Micron VAX A T 386/20 486/25 Pentium/200 8700 T otal 8:57 0:44 0:08 0:00.316 0:12 LONG.CIR 1 162 Nodes 2967 Elements 1.025MEG Memory Tran IBM Compaq ALR Micron V AX A T 386/20 486/25 Pentium/200 11/780 T otal na 2:07:40 0:27:06 0:3:00.9 4:03:31 Index na 3.6 8.98 80.77 1

  19. ICL - 交談式指令語言 在模擬控制劇本中，組合一組分析、輸出、條件分支、斷點與自動控制迴圈指令，完成預期的模擬控制功能。

  20. PreSpice 模型資料庫 ?Standard Semiconductor DevicesPower Electronic Devices and Nonlinear Magnetic Models?Op-amp Models, Comparators? Analog Behavioral Models? Digital Elements (for Mixed Mode Simulation)? Sources (in addition to those in IsSpice)? Miscellaneous Crystals, Servos, Opto-Isolators, Pots, Vacuum Tubes? Thermal Analysis? Mechanical Functions?

  21. 原製造廠提供之 IC 模型 • AMP - Connector Models • Berg - Connector Models • Burndy - Connector Models • F. W. Bell - Hall Effect Devices • Harris - Power Mosfets, MCTs • Motorola - Power Mosfets, ECL • Philips - RF BJTs, JFETs • Philips - ALS, FAST, ABT, 3V CMOS/BiCMOS Digital • TI - Bus Translator Models • Zetex - Diodes, BJTs, Power Devices

  22. SpiceMod - 元件模型化易如反掌 • Use common data sheet parameters to create models • Diodes, Zeners, BJTs, JFETs, MOSFETs, SCRs, and IGBTs • Makes accurate models in under one minute • Run simulations before • selecting the final part • Use with any SPICE • on any computer • East to use • ASCII SPICE 2 format

  23. 混 合 系 統 模 擬 • 模擬可 利用由檔案或硬體、SPICE 元件、陣 列處理法則所提供的輸入 資料輸出至硬體。 • 設 計者可 建立新的介面方塊與新的陣列功 能。 • 電路或硬體可 應用 交談式 加 以探究。 HELLO 陣列至類比 模型 類比至陣列 模型 Hellooo .wav file 矩陣 至 聲音 波 形至 矩陣 MIDI Sweeping Compression 轉換波 形 FFTs ... ... 矩陣 數 學 法則

  24. SALT 支 援 模 式 支援多種資料攫取系統 與類比輸出介面卡。 波形轉換， FFT，矩陣數學。 聲音輸入 (檔案或麥克風)。 影像輸入 (TIFF)。 聲音輸出 (喇叭或檔案)。 影像輸出 (TIFF或 螢幕)。

  25. 想想看，可 能 嗎 ?... 類比硬體模型。 整合硬體測試，量測與控制。 直接連接至指定的測試與操作硬體。 連接 SPICE 至其他的分析軟體，Matlab 或 Maple。 使用者定義數學運算法則。

  26. Magnetics Designer • 設計各型變壓器與電感器 • 以規格參數輸入法產生完整資料 • 特性報告 • 生產規格表 • SPICE 模型 • 提供大量磁性元件資料庫 • 可由Excel擴充資料庫

  27. Newsletter • 每年定期出版多次期刊 • 諸如: • 切換式電容濾波器 • IGBT • Fuzzy Logic • 交換式電源供應器 • IBIS models

  28. 應 用 範 例 - Fuzzy Logic • 階層式設計 # 內建元件符號

  29. 應 用 範 例 - 天 線 BTOP PXNUMER 0 +V=SIN((2*V(N)*V(A)*PI*V(X))/((2*V(N)-1)*V(L)*V(R) + *(1+.5*(V(X)/V(R))^2))) BBOT PXDENOM 0 +V=2*V(N)*SIN((V(A)*PI*V(X))/((2*V(N)-1)*V(L)*V(R) + *(1+.5*(V(X)/V(R))^2))) BOUT PX 0 V=10*LOG(ABS(V(PXNUMER)/V(PXDENOM))^2) • 應用代數、三角函數與超越函數運算子表示電壓與電流。 • 新函數包 括：樓板、天花板、整數模式與分數。

  30. 應 用 範 例 - 機 電 整 合 ‧位置問題 ‧控制迴路 ‧非線性微分方程 式 ‧頻域與時域分析 ‧內建機械、數學、 拉普拉斯、類神經 與Z轉換資料庫

  31. 應 用 範 例 - 三相變頻器 較佳收歛特性

  32. 應 用 範 例 - 全 換 流 器 • 廣泛應用之電力電子 元件模型 , 完整的波 形分析, FFT , 溫度響應研究.

  33. 應 用 範 例 - 數 位 邏 輯 閘 模 擬 BSUM1 Boolean Expression describing a 2 BIt Binary Full Adder BSUM1 SUM1 0 V= (V(C0)&V(FB)) | (V(A1)&V(FB)) | + (V(B1)&V(FB)) | (V(C0)&V(A1)&V(B1)) BSUM2 SUM2 0 V= ~((V(FB)&V(C2)) | (~V(A2)&V(C2)) | + (~V(B2)&V(C2)) | (V(FB)&~V(A2)&~V(B2)) ) BC2 C2 0 V= ~((V(FB)&~V(A2)) | (V(FB)&~V(B2)) | (~V(B2)&~V(A2))) BFB FB 0 V= ~((V(C0)&V(A1)) | (V(C0)&V(B1)) | (V(B1)&V(A1)) ) BFB BSUM2 BC2

  34. 應 用 範 例 - 混 合 模 擬 Switched Mode Power Supplies

  35. 應 用 範 例 - C 級 RF 放 大 器 • 頻率相依之電阻、電感、電容、轉移函數與具損 耗傳輸線 • 線性、非線性、靈敏度與傅立葉分析

  36. 應 用 範 例 - RF 與 微 波 微 波 帶 耦 合 器 與 濾 波 器

  37. ....未 來 展 望.... 更 強 之 分 析 能 力 較強最佳化互除法 l 更完整之RF信號源 l Multiple-CPU 版本 SPICE l 改善類比與數位混合模擬功能 l 更佳軟硬體整合功能 l

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