HSpice仿真

一、HSPICE基础知识
Avant! 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。
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。
表1 Hspice所使用的单位
独立电压和电流源包括：
1. 直流源（DC）：
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）：
脉冲源：pulse v1 v2 td tr tf pw per
线性源：pwl t1 v1 <t2 v2 t3 v3…>
正弦源：sin vo va freq td damping phasedelay
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
TITLE
.INCLUDE
.LIB MACRO
元件描述
信号源描述
分析命令
测量命令
.ALTER
.END
图1 输入网表（Netlist）文件标准格式
二、有源器件和分析类型
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
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。
.AC var1 start1 stop1 inc1 sweep var2 type np start2 stop2
交流分析包括以下四种语句：
.NOISE：噪声分析；
.DISTO：失真分析；
.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..
三、输出格式和子电路
（1） 输出命令包括：.PRINT、.PLOT、GRAPH、.PROBE和.MEASURE。
.PLOT antype ov1 ov2… plo1,phhi1…plo32,phi32
.PROBE ov1 ov2… ov32
.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。
.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。
2. 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：
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：
用于显示用户自定义的变量。
可以采用的句法包括：raise,fall,delay,average,RMS,min,max,p-p等。
5. 参数语句：
用于显示用户自定义的节点电压等表达式。
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> &
（3）子电路：
1. 采用.GLOBAL设置全局节点：
.GLOBAL node1 node2 node3…
2. 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，.optionaccurate=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。
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。
(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。
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：
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。
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。
(2) 针对仿真分析中可能出现的不收敛情况进行分析：
1.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。
2.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。
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：
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。
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
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>。
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。
七、统计分析仿真
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
.model … tox=tox …
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。

参 考 文 献
1. K. S. Kundert, The Designer’s Guide to Spice & Spectre;

 

（原文地址：http://blog.sina.com.cn/s/blog_808085080101a45p.html）