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Hspice语言学习总结

作者:高考题库网
来源:https://www.bjmy2z.cn/gaokao
2021-02-17 23:45
tags:

-

2021年2月17日发(作者:quantity)


HSpice


语言学习总结




第一讲:



SPICE


》概述




1




元器件模型



构成器件模型的方法有两种:



?



行为级模型


—“


黑匣子”模型



例如

< p>
IBIS


模型和


S


参数< /p>


,


最新的是


Verilog



AMS



型和

< p>
VHDL-AMS


模型



精度较差,


一致性不能保证,


受测试技术和精度的


影响。




一般应用到高频 、


非线性、


大功率等大型电路设计



?



等级


(L EVEL)


模型



例如


Hspice


便是利用这种模型



精度较高



一般应用于中小型电路的< /p>


IC


设计




2




LEVEL


模型






LEV EL1



LEVEL3


:线性模型或低 阶模型,可


直接进行计算或估算。



②流片工厂提供的模型,



Level 49



Mos 9


< br>EKV


等,无法直接进行计算或估算,需要用电路仿真软件


进行仿真,以便得到精确的结果。如


Hspice





Hspice

提取模型,


是利用提取元件库的形式


.lib,

< p>
元件库一般由工厂提供




3




集成电路特征线宽



微米:



Micrometer:




>1.0um



亚微米:


0.8um 0.6um


深亚微米:


0.5um



0.35um



0.25um


超深亚微:


0.25um 0.18um 0.13um


纳米:


0.09um (90nm)



0.07um (70nm)


Moor

定律:


每一代(


3


年)硅芯片上的 集成密度翻两



番。加工工艺的特征线宽每代以


30%


的速度缩小。




4




Hspice


的使用流程





5




Hspice


网表输入格式




--------------------------- -------------------------------------------------- ------------------------------------------


第二讲




HSPICE


网表的语法




1




?



?



?



文件名格式




工具的多少:


Cadence>>Hspice



精度:一般


Hspice>Cadence


适用对象:


Cadence


用于


RF


设计较好,


Hspice


更适合模拟


IC


设计



?



目前应用建议:

< br>用


Cadence


布线布图以及版图

设计,


Hspice


仿真




2




输入行格式:



◆第一个语句必须是标 题行,最后一个语句必须



.END


语 句;



?



标 题语句和结束语句中间语句无任何先后次


序;



?



不区分大小写,无上标和下标


(


忽略


)


?



语句、等式的长度不能超过


256


字符;



?



续行用“


+”


表示。




3




分隔符:



①分隔符可以为:



tab


键,空格,逗号,等号,括号



②元件的属性用冒号来分割,例如



M1:beta


③用句点来表示隶属关系,例如


X1.A1.V”


表示电路


X1

的子电路


A1


的节点


V




4




节点




< /p>


结点标识可以长达


1024


个字符





结点数字开头 的


0


被忽略





跟在以数字开头的结点编号后的字母被忽略。





结点名可以由以下任何字符打头:


# _ ! %




结点可以用


.GLOBAL


语句声明为全局调用。如声明


节点

< p>
1


为全局调用,


.GLOBAL 1




结点


0< /p>



GND



GN D


!和


GROUND


均指的是


Hspice


全局的地。





1.0


) 后缀名



.sp


。产生方法:可以用任 何一个文本


编辑器产生,只需更改后缀名



?



文件名:必须为英文,以字母打头 ,长度不超



256


个字符

< p>


?



放置目录:要放置于全英文目录下



?



输入网表文件不能压缩

< p>


HSPICE


要求每个节点对地均要有直流通路 。当这个


条件不满足时,通常是接一个大电阻使该悬浮节点具


有 直流通路。



⑧每个节点至少应连接两个元件,不能有悬空节点 存





5




数值及比例因子



数字表示:



a)



数字可以用整数,如

< p>
12



-5


< p>


b)



浮点数,如


2.3845



5.98601

< p>



c)






< br>点












6E-14



3.743E+3




d)



在整数或浮点数后面跟比例因子,如


10.18k

< p>
比例因子:为了使用方便,它们用特殊符号表示不同


的数量级:

< p>


e)



T=1E+12



G=1E+9


MEG=1E+6



K=1E+3



M=1E-3



U=1E-6



N=1E-9



P =1E-12



F=1E-15



DB=20lg


10



MIL=25.4E-6(


千分之一英寸


)




6




单位及关键字



单位:以工程单位米、 千克和秒(


M



Kg

< br>,


S


)为


基本单位。由此得到的 其它电学单位可省略。如


10



10V


表示同一电压数。


1000Hz



1000



1E+3



1k



1kHz

< br>都表示同一个频率值。


同样,


W



A


等标准单位在描述


时均可省略。< /p>


单位可以省略,例如


:



C1 1 2 10P



二、标题、结束及注释语句




1




标题语句:



.TITLE


语句





形式


:



1







.TITLE


2










例如:可以为


.title a simple ac run


更常见的是第二种形式:


a simple ac run


注意:如果没有标题,第一行空出。





2




结束语句



.END


语句






形式:



.END





.END


语句之后的文本将被当作注释而对模拟没有


影响。




3




注释语句



一般形式:


*






$$


as and following HSPICE input>


注释标识:




*


”或“


$$”



*


”打头的注释放在每行


开头, 而“


三、电路描述语句


$$”


打头的注释 紧跟语句之后。





1


)元件描述的基本格式



HSPICE


中元件的属性由



器件名,


器件位置,


器件类型,


器件参数值等来定义。格式为:












所连


接的









件的



< p>


参数值



例:




1A SIMPLE AC RUN















标题



2V1 1 0 DC 10 AC 1


3R1 1 2 1K


4R2 2 0 1K























电路描述语句



5C1 2 0 .001U


S LIST NODE POST



DEC 10 1K 1MEG













命令语句



AC V(1) V(2) I(R2) I(C1)
























结束语句





1


)无源器件


1-

< br>电阻



一般形式:



RXXX






n1



n2





Rvalue






TC=TC1,TC2


温度系数的缺省值为


0



0


注释:


R=R


0


*[1+TC1*(T-T


0


)+TC2*(T-T< /p>


0


)2]



T< /p>


0


为室温,


25



27




例:



R1




1




2




100k






2




)无源器件


RC1



12





17


2-




电容



1k






TC=0.001, 0



一般形式:



CXXX






n1 n2





Cvalue






TC=TC1,TC2


温度系数的缺省值为

< br>0



0


注释:


C=C


0


*[1+TC1*(T-T

< br>0


)+TC2*(T-T


0


)2


]


例:



C1




1




2




10u







CP 12



17



1p



TC=0.001, 0


?



非线性电容:








CXXX





n1





n2





POLY




C0



C1



C2 ...



电容值=


C0



C1*V



C2*V**2





V


为电容两端的电






3


)无源器件


3-


电感



?



一般形式:



LXXX






n1 n2





Lvalue






TC=TC1,TC2


温度系数的缺省值为

< br>0



0


例:



L1




1




2




10u







LP 12



17



1u



TC=0.001, 0


?



非线性电感:




LXXX




n1 n2




POLY




L0




L1




L2 ...



电感值=

< p>
L0



L1*I



L2*I**2





I


为流过电感的电流




4






源器件



4-


互感(电感)耦合


一般形式:





KXXX





LYYY





LZZZ




Kvalue










KXXX





LYYY





LZZZ




K=value


两耦合电感的名字


: LYYY



LZZZ



耦合系数


: K ,




0


例:



K34









LAA






LBB







0.9999



KXFTR


5







L1


源器件









5-


L4


无损耗传输线









K=0.87



一般形式:




TXXX




in





refin




out





refout




Z0=value




TD=value




TXXX




in





refin




out





refout





Z0=value


F=value



NL=value



TXXX




in





refin




out





refout





Z0=value



L=value



In






端口


1



(+);





refin


:端口


1



(-)


节点;



Out


:端口


2



(+);





refout

:端口


2



(-)


节点。



Z0





特征阻抗。



例子:


T1





1





0





2





0





Z0=50





TD=10NS








T2





1





3





4





6





Z0=200



F=4.5MEGHz



NL=0.5



T3





1





2





3





4





Z0=120



F=1.5MEGHz



(NL=0.25)



6





源器件


6-


有损 耗传输线



均匀分布


RC


传输线一般形式:




UXXX




N1 N2 N3




MNAME




L=LEN






节点:


N1



N2



N3



其中


N3 < /p>


是连接到电容的节点;


MNAME


:模型 名称。



LEN



RC


传输线长度


(m)





LUMPS




传输线中所采用的集总分段数目

















U1 1 5 0 URCMOD L



50U


URC2 1 10 4 UMOPL L=100U N=4


有源器件



?



晶体二极管


(D)


?



双极型晶体三极管


BJT(Q)


?



结型场效应管

JFET


或金属半导体场效应管


MESFET (J)


?



MOS


场效应管


(M)


晶体二极管



?



(1)


晶体二极管


(D)


只往一个方向传送电流的元件。



单向导电特性:电流由正极流向负极



决定二极管性能的因素:



?



二极管面积:决定反向饱和电流,寄生电阻等



?



掺杂浓度及材料:导通电压等



?



温度:影响反向饱和电流,势垒电容等





(二)一般形式


:









DXXX







nplus






nminus





mname







+













+












注释:



?



DXXX



二极管元件名,

< p>
必须以


D


开头,


后面最< /p>


多跟


15


个字符。



?



nplus/nminus:


二极管的正端


(


阳极

< br>)


和负端


(


< br>极


)


?



mname:


二极管模型名



(三)一般形式


:









DXXX







nplus






nminus





mname







+













+












注释


(



)




?



area


:二极管面积,它定义了饱和电流,电容


与 电阻值。可以写为


area=???


也可以直接写



???


,缺省值为


1.0


;若不定义


area


,用定义


W(


二极管宽度


)


和< /p>


L(


二极管长度


)


来代替也可


以,


area=W*L


(四)一般形式


:









DXXX







nplus






nminus





mname







+













+












注释


(



)




?



PJ


:二极管周长,


PJ=2(L+M)

< p>



?



WP/LP:


寄生多晶电容的宽度


/


长度,缺省值为


0


?



WM/LM:

< br>寄生金属电容的宽度


/


长度,缺省值


0


(五)一般形式


:









DXXX







nplus






nminus





mname







+












+












注释


(



)




?



OFF


:规定在进行直流分析时忽略初始条件,


缺省 值为


ON




?



IC:


瞬态分析的初始条件



?



M:


多重二极管模拟时的倍增因子,缺省值为


1

< br>DTEMP:


元件温度与电路温度之间的差额,


缺省



0


(六)一般形式


:









DXXX







nplus






nminus





mname







+













+












例子:












DBRIDGE







6










7










DIODE






1











DCLMMMP




3








GND





DMOD





3





IC=0.2



第三讲




H SPICE


网表的语法


(


< p>
)


双极型晶体三极管


(1)



决定三极管性能的因素:



?



三极管面积:决定电流,电容,寄生电阻等



?



掺杂浓度及材料:导通电压等




晶体二极管一般形式


(


回忆


)


一般形式


:









DXXX







nplus






nminus





mname







+
















+












注释:




1


:元件名称



2



节点



3


:几何参数



4


:初始值设定




5


双极型晶体三极管


:温度设定



(2)


一般形式


:







QXXX







nc






nb





ne






mname








+


AREAC=value>






+





VCE=value>





+


注释:



?



QXXX


:三极管元件名,必须以


Q< /p>


开头,后面


最多跟


15

< br>个字符。



?



nc/nb/ne/ns:



三极管的 集电极、基极、发射极


以及基底节点



mname


:


三极管模型名



avalue


:三极管面积。也可以用


areaA=???



areaB=???


以及


areaC= ???


来定义。其中


areaA, areaB


以及


areaC


分别为发射区,基区,集电区的面积倍 增因子。缺省


值为


1.


< p>
OFF



规定在进行直流分析时忽略初始条件,缺 省值



ON




IC:



瞬态分析的初始条件两种表达方式。



M:



多重三极管模拟时的倍增因子,缺省值为


1

< br>DTEMP:


元件温度与电路温度直接的差额,缺省值


0


(五)一般形式


:









QXXX







nc






nb





ne






mname








+


AREAC=value>






+





VCE=value>





+


例子:



Q11



CX



BX



EX



QPNP



AREAA=1.5



AREAB=2.5



AREAC=3.0


Q22



10





18




12





QMOD



IC=0.5, 5.0


Q33



11




265



4



有源器件



20



MOD



结型场效应管


JFET



MESFET (1)


决定


JFET


性能的因素:< /p>



?



面积:决定电流,电容,寄生电阻等



?



掺杂浓度及材料:导通电压等



?



温度:影响电流,势垒电容等



MES FET



将金属半


导体接触

< p>



(



特基势垒


)





PN




为栅极



结型场效


应管


JFET



MESFET(2


)


一般形式


:









JXXX







nd






ng





ns






mname








+<< AREA=value; AREA>| W=val L=val >






+





Vgs=value>





+


注释:



?



JXXX


:元件名,必须以


J


开头,后面最多跟


15


个字符。



?



nd/ng/ns/nb:



漏极、< /p>


栅极、


源极以及基底节点



?



AREA



面积倍增因子。可以用


AREA=???

或者


直接


???


来表示。或者用栅 极宽


W


和栅极长


L

代替。缺省值为


1.


?



OFF


:规定在进行直流分析时忽略初始条件,


缺省值为


ON




?



IC


:


瞬态分析的初始条件,两种表达方式。



一般形式


:




JXXX







nd






ng





ns






mname





+<< AREA=value; AREA>| W=val L=val >



+





Vgs=value>






+


例子:



J11



DX



GX



SX



JM1



AREA=1.5


J22



10





18




12





JMOD



IC=0.5, 5.0


MOS


场效应管


(1)


决定


JFET


性能的因素:



?



面积


:决定电流,电容,寄生电阻等



?



掺杂浓度及材料


:导通电压等



?



温度


:影响电流,势垒电容等




MOS


场效应管


(2)


一般形式


:








MXXX






nd





ng





ns








mname







+






+







+


注释:



?



MXXX


:元件名,必须以


M


开头,后面最多跟


15


个字符。



?



nd/ng/ns/nb:



漏极、< /p>


栅极、


源极以及基底节点



?



L/W


:沟道长度和宽度;



?



AD/AS


:漏扩散区和源扩散区的面积;



PD/PS


:漏结和源结的


周长



?



NRD/NRS

< br>:用以计算漏、源极寄生串联电阻的



漏扩散区等效方块数



?



RDC/RSC

< br>:漏极、源极与连线的接触电阻



?



OFF



规定在进行直流分析时忽略初始条件,


缺省值为


ON




?



IC


:


瞬态分析的初始条件。



?



M:



多重管模拟时的倍增因子,缺省值为


1


?



DTEMP:

元件温度与电路温度直接的差额,


缺省


< br>0


?



一般形式


:



MXXX






nd





ng





ns









mname






+








+



+


例子:



M11



D



G



S



B



MM1




M22



10





18




12




1



MODM




L=0.5


W=2U



(0.5U




2U)


M33



11




265



4





1




MOD





OFF




10U


5U



2P



2P



电路描述语句



激励源



?



独立源



独立电压源

< br>(V)


和独立电流源


(I)


?



源控源



?



电压控制电压源


(E)


?



电流控制电流源


(F)


?



电压控制电流源



(G)


?



电流控制电压源


(H)


直流源:一般形式


:



VXXX






n+





n-





value>




IXXX







n+





n-





value>



例子:














V11



2



0



DC=5V















V11



2




0



5V














I11



3





0



DC




3mA














I11




3




0




3mA


交流源:一般形式


:



VXXX






n+





n-





AC<=>>




IXXX







n+





n-





AC<=>>



例子:














V11



2



0




AC=10V




90













V11



2




0



AC



10V



90














I11



3





0



AC=3mA



0














I11




3




0




AC 3mA




脉冲源:一般形式


:



VXXX




n+



n-





PULSE





Va



td




tr




tf


pw




per>


IXXX




n+



n-





PULSE





Ia





td





tr


tf




pw




per>



例子:



VIN




3




0




PULSE




-1




1




2ns



2ns



2ns


50ns



100ns





正弦源:一般形式


:



VXXX




n+




n-





SIN




V0





Va







td



θφ


>


IXXX




n+



n-





SIN




I0





Ia







td



θφ


>


注释:



V0


:初始值;


Va


:峰值;


freq


:频率;< /p>


td


:延迟时间;


θ

:阻尼因子;


φ


:相位



指数源:一般形式


:




VXXX




n+




n-





EXP




V0





Va






t1



td2




t2>


IXXX




n+




n-





EXP




I0






Ia







t1



td2




t2>


注释:



V0


:初始值


(V0


先上升后下降


)



Va


:峰值

(V0>Va,


先下降后上升


)



td1


:下降


(

上升


)


延迟时间;


t1

< p>
:下降


(


上升


)


时间常数;


td2


:上升


(


下降


)


延迟时间;


t2


:上升


(


下降

< p>
)


时间常数。




例子:



VIN




3




0




EXP




0




4



2ns




30ns




60ns




40ns





分段线性源


:


一般形式


:



VXXX




n+




n-





PWL




t1




V1





V2…R



td>



IXXX




n+




n-






PWL




t1





I1






I2…R




td>



注释:



tn



Vn/In


:时间

< br>—


电压


/


电流对


;R


:是否周期重复



td


:重复时延迟时间











例子:



VIN




3




0




PWL




60n




0V





80n



5V





120n



5V






140n




0V



+160n



0V



180n



5V




R




300n



直流源


DC



交流源


AC



脉冲源


PULSE



正弦源


SIN



指数源


EXP


,分段线性源

< p>
PWL


,单频调频源


SFFM

,单



单频调频源


:


一般形式


:



VXXX




n+




n-





SFFM




V0




Va







>>



IXXX




n+




n-




SFFM






I0






Ia









>>


注释:



V0/I0


:电压


/


电流初 始值



;Va/Ia


:电压

< p>
/


电流峰值




fc/fs


:载频


/


调 频


;mdi


:调制指数



例子:



VIN




3




0




SFFM




0.01V




0.4V



100MEG



0.3




20K



表达式:





单频调幅源


:


一般形式


:



VXXX






n+






n-







AM






sa







oc



fm







fc







td



IXXX







n+






n-







AM






sa







oc



fm







fc







td



注释:



sa


:调制信号的幅度


;Oc


:偏移常数



;fm/fc


:调频


/




;td


:信号开始前的延 迟时间



例子:



VIN




3




0




AM




10




1



100



1K




10n








频调幅源


AM



第四讲




H SPICE


网表的语法


(


< p>
)


源控源


:


一般形式< /p>


:



E(FGH)XXX






N+






N-







NC+


GAIN_VALUE









NC-

















说明:



?



HSPICE

< br>中具有的四种电压和电流控制元件,


通称为


E

< p>


F



G



H


元件。



?




HSPICE


中用这些控制元件能够模拟


MOS


晶 体管、双极型晶体管、


隧道二极管和可控硅


整流器,此外还能对 一些功能块,诸如运放、


加法器、比较器、压控振荡器、调制解调器和

< br>开关电容电路等进行模拟。



?



控制元件有线性和非线性两类。


非线性以及延

< br>迟等特性我们不再详细讲述



元件与激励源描述小结:



一般格式:



名称






节点







<


模型名称


>








度,初始值


…)>



?



无源元件的描述


(R


C



L



K



T)



R(C,L,K,T)





n1





n2






value









RB





2





3





10K


RC





4





0





2K


rbe





3





0





1e6


rce





4





0





2k


Cbe



3





0






1n


Cbc



3




4







2u


Commands…



.end



3




CMOS


反相器。请写出本电路的网表


(


不写命令


行,



…< /p>


省略


)



其中< /p>


VCC=5V,VIN


为脉冲源,


低电压


0.2



高电压


4.8


,延迟时间


2ns


,上升下降 时间为


1ns


,脉


< br>5ns


,周期


20ns



PMOS



NMOS


,沟道长度为


1um



宽度

< p>
20us





?



有源元件的描述



D(Q,J,M)





n1




n2




(n3)





mname




para meter


:几何参数,初始值的设定,温度设定



元件与激励源描述小结



?



独立源的描述



V(I)




n+




n-




type




value


type



DC, AC, PULSE SIN EXP PWL SFFM, AM


value


:电压或电流值,时间,周期等



?



源控源的描述



E(FGH)






n+






n-







nc+






nc-






value








1



一个简单的 晶体管放大电路,


所有的元件、


激励源、它们的值或模型以及各 个节点的定义均已标


在图中,


请写出本电路的网表


(


不写命令行,




省略


)



其中,


RC


的温度因子


TC1=0.02,TC2 =0




网表的格式:



Title



Elements and sources


Commands


.end



a single NPN common-emiitter AMP



VBB



1




0




0.87


VCC



5




0




10


VS






2





1




AC




1


RB





2





3





10K



TC=0.02, 0


RC





4





5






2K


Q1





4





3






0





Q2N222




Commands…



.end



2



晶体管放大 电路的等效电路。


请写出本电路的网



(


不写命令行,用



省略


)




Small signal equivalent circuit




VS






2





0




AC




1


*VCCS with a gain gm=1


Gb





4






0






3






0




1



an inverter circuit


VCC vcc 0 5




VIN IN 0 PULSE 0.2 4.8 2n 1n 1n 5n 20n




M1 out in vcc vcc PCH L=1U W=20U


M2 out in 0 0 NCH L=1U W=20U


CLOAD out 0 0.75p


*.MODEL PCH PMOS LEVEL=1


*.MODEL NCH NMOS LEVEL=1


…COMMAND


S


.END


?



子电路描述语句




子电路描述一般形式


:







.SUBCKT(.MACRO)






SUBNAME







N1




<


N2 …>







具体电路描述



.ENDS


注释:







子电


路是




.SUBCKT




.MACRO


开头





.ENDS


结束的一组语句。子电路可嵌套其他子电


路。




SUBNAME


:子电路模型名。


< /p>


N1,N2…


:子电路外部的节点名称。



.ENDS


:结束语句。只有当二次以上嵌套时才后跟


子电路模型名。





子电路调用语句:







Xnnn




N1









SUBNAME



注释:







子电路调用时,可以将子电路看成 是以


X



关键字的器件。




Xnnn


:子电路名称。


< p>
N1,N2…


:子电路外部的节点名称,与子电路描述

语句的外部节点一一对应,但名称不一定相同。



SUBNAME


:子电路模型名。


< /p>


注意:子电路中的节点号


,


器件名,模型 的说明均


是局部量,



可以和外部的相同



子电路使用举例



CMOS

< p>
反相器组成的三级反相器链网表:






.SUBCKT





INV





IN





OUT


Mn



out




in




0





NMOS






子电路描述



Mp



out




in vdd



PMOS



.ENDS


X1





IN






1


INV


X2





1








2



INV



子电路调用



X3





2





OUT






INV


CL



OUT



0









1PF



……




电路描述语句:元件的模型







< p>




D(Q,J,M)





n1




n2




(n3)


mname






三极管放大电路网表



a single NPN common-emiitter AMP





Q1





4





3






0





Q2N222






.end


反相器网表



an inverter circuit




M1 out in vcc vcc PCH L=1U W=20U


M2 out in 0 0 NCH L=1U W=20U


*.MODEL PCH PMOS LEVEL=1


*.MODEL NCH NMOS LEVEL=1




.END


模型描述语句







.MODEL




mname




type






pnameter2=value2 . . . >



注释:



mname:



模型参考名,


与元件描述语句的


mname


相同



type


:用来选择模型类型。



prameter1,2…


:此类模型所共有的参数值




:


.MODEL




MOD1




NPN





BF


=


50



IS


=


1E-+13



VBF = 50



+AREA = 2 PJ = 3



N = 1.05

模型类型


(


全,共


14

< p>


)



MOSFET< /p>


模型:


MOSFET


模型的描述方法:< /p>



PMOS



.MODEL



模型名




PMOS







NMOS



.MODEL



模型名




NMOS







MOS


场 效应管的描述中都必不可少的加入了


LEVEL


模型。



?



第一代元件模型:


LEVEL 1, LEVEL 2, LEVEL 3


?







< br>模




BSIM1




(LEVEL13)



LEVEL28(


修正的


BSIM1< /p>


模型


)



LEV EL39(BSIM2)


?



第三代元件模型:


BSIM3 (LEVEL49)


?



第一代元件模型:



?



LEVEL1


1968


年以前,简单的


MOS FET


模型。



?



线性方程,可手动计算。



?



计算速度快



?



不精确,只能进行近似分析



?



LEVEL2


1969~1978


年,


增强型 的


LEVEL1


模型



?



引入


3< /p>


/


2


幂次项,基于几何图


形的分析



?



适用于长通道元件


~10um


?




LEV EL1


精确,


但仍不能有效


地进行计算 机模拟



?



LEVE3



1979


?



利用一阶泰勒展开取代

< p>
3


/


2





?



引入实验性方程式,为半实验


模型



?



CPU


时间较少,适用于沟道长








~2um


以上元件。


?



第二代元件模型:



?



LEVEL13

< br>:


1984


年,


BSIM1


模型



?



使用较多的多项式描述。



?



适用于通道长度小于


2um



entryname


:将要包括的库文件段的入口名



库文件嵌套:



.LIB










entryname



具体库模型的描述



.LIB












path>



file


name’







MOS


元件,实验参数较多



?



偶尔造成元件行为的不易控


制。



?



LEVEL28

< br>:


1990


年,修正的


BSIM 1


模型



?




Meta- software


公司开发,


更加准确



?



可有效进行亚微米元件的模




?



解决了


B SIM1


的问题



?



LEVE39


1991



BSIM2


模型



?



利用数值分析的方法



?



适用深亚微米级元件的模拟,


沟道长度


~0.2um


以上的元件



?



模型参数过多。



?



第三代元件模型



?



LEVEL49

< br>:


1995


年,


BSIM3V3


模型,加州大学


伯克利分校推出。



?



以缩减的物理参数为主,实验


性参数为辅。



?



共有


166


个模型参数



?



适用于深亚微米级模拟 和数


字集成电路的模拟



?



LEVEL50

< br>:


MOS9


,飞利浦公司推出



?




72< /p>


个模型参数



?



适用于深亚微米级的模拟集


成电路的模拟



不同


MOSFET


模型应用场合:



?



Level 1


:简单


MOSFET< /p>


模型,常用于数字电路


的模拟,精度低、速度快

< br>


?



Level 2


:耗尽型


MOS



10 ?m


器件模拟分析



?



Level 3



2?m


器件数字分析



?



Level13

< br>,


39



49

< br>:


可进行亚微米及深亚微米模


拟电路的分析,精度高、速 度慢







对电路设计工程师来说


,


采用什么模型参数


在很大程度上还取决于能从相应的工艺制造单位得到< /p>


何种模型参数


?



库文件调用及定义语句


.



(.LIB


语句


)


库文件的使用:库文件可包含:



?



器件模型


(.MODEL


语句


)


?



子电路


(


包含


.ENDS


语句


)


?



有关注释语句



?



库文件调用语句


(.LIB


语句


)


等。



使用库文件的优点:速度快、占内存少。



库文件的创建:



.LIB










entryname



具体库模型的描述



.ENDL



entryname



注释:



.LIB





ent ryname


:定义入口名为


entryname



库。



ENDL


:结束库定义语句



注意:不能包含


.END


语句

< br>


库文件调用:



一般形式:





.LIB






file name’








entryname



注释:



filepath:



库文件所在的路径,若


.lib


与所运行的


网表在相同目录下,则可以缺省。



filename


:库的文件名。扩展名必


.lib


不可少。路


径与文件名必须包含在双引号或者 单引号里面。



entryname1



.ENDL



entryname



注意:



库文件定义中嵌套调用其他库 文件的入口名不能


与所要定义的名字相同!可以无限嵌套。



例子:创建:



.LIB






CMOS1




.LIB



‘…/sum/’





CMOS2





.ENDL


调用:



.LIB






‘…/sum/’



CMOS1




.INCLUDE


语句】





.Include













file name’




例:


.include


****** ************************************




命令语句






直流工作点分析


.OP







. op


方式:所有独立源或受控源都是直流形态,所有


电感短路,电容开路。



输出:节点电压、电源电流、静态功耗、半导体


器件 的电流、阻抗和电容。



注意:只可以出现一次


.OP


语句



Task1:


op



A SIMPLE AC RUN











V1 1 0 10 AC 1









R1 1 2 1K





































R2 2 0 1K





































C1 2 0 .001U
































.OPTIONS LIST NODE POST $$control options


.OP












































.END











































【直流扫描分析


(.DC)





直流扫描分析:







在指定 的范围内,某一个(或两个)独立源


或其他电路元器件参数步进变化时,计算电路直流输


出变量的相应变化曲线。







a.


直流参数值扫描








b.


电源值扫描








c.


温度范围扫描








d.


执行直流蒙特卡罗分析


(


随机扫描


)







e.


完成直流电路优化








f.


完成直流模型特性化






一般形式:



R1 1 3 100



.DC







variable







start







stop







R2 1 2 100



step



R3 2 3 100



注释:



R4 3 0 100



variable


:要扫描的对象< /p>


(


如电压、电流、温度等


)


.OPTION LIST NODE























的变量名。



.OP



start


:扫描初始值。



.TF




V(2)





VS



































stop


:扫描终止值。



step


:扫描步进步长。



举例:



.DC




VIN




0.25





5.0





0.25


.DC Examples







.DC



VIN



0.25



5.0



0.25


Sweep VIN from 0.25 to 5v by 0.25v increments



.DC



VDS



0



10



0.5



VGS



0



5



1


Sweep VDS from 0 to 10v by 0.5 incr at VGS values


of 0, 1, 2, 3, 4, & 5v.



.DC



TEMP



-55



125



10


Sweep


TEMP


from


-55C


to


125C


in


10


degree


C


increments



.DC



Rx



1k



10k



0.5k



SWEEP



TEMP



LIN



5



25



125


DC analysis performed at each temperature value.


Linear


TEMP


sweep


from


25


to


125


(5


points)


while


sweeping


a


resistor


value


called


‘Rx’


from


1K


to


10K


in .5K increments.


【直流小信号传输函数



(.TF)< /p>





直流传输 函数:在直流工作点附近对电路进行线


性化处理,然后对电路进行以下分析:

< p>


?



直流小信号传输函数(小信号增益)



?



输出变量对于输入源的增益



?



电路输入电阻



?



电路输出电阻



该语句特别适用于直流 电路和直接耦合放大器


(差动电路和运算放大器)的增益、输入电阻,输出


电阻的计算



一般形式:


.TF







variable1





variable2



注释:



variable1


:传输函数中的分子变量,一般为输出


变量。



variable2


:传输函数中的分母变量,一般为出入


变量。



注意:每一次电路模拟中只能有一 个


.TF


语句,若


有多个,则执行最后 一个



举例:



.TF



V(5,3)






VIN



例:利用

< br>HSPICE


求出节点


2


处的电 压与输入


Vs


的比值,并求出输入输出阻抗。

< br>



Task3:


tf



A tf run







































VS 1 0 DC 10



































.END


























tf


( small signal transfer information)


第六讲




H SPICE


网表的语法


(


< p>
)


直流小信号灵敏度分析


.SENS


直流小信号灵敏度:







在指定 的范围内,各个指定的输出变量相对


于某一电路参数


(


如主被动元件值、


独立电源等


)


的直流


【小信号灵敏度。





绝对灵敏度

















相对。





?



一般形式:



.SENS







VO1







注释:



VO


:输出的支路电流或节点电压。



灵敏度分析能够帮助电路设计者了解在电路中哪


些元件和模型参 数对直流偏置的影响最大。据此,电


路的设计者知道电路中哪些元件的作用是

< p>


关键



的,

< p>
它们参数的变化都会对输出造成较大的影响,从而对


这些元件精密度的选择 做出了要求。




举例:


.SENS




V(8)




I(VOUT)



2.7




利用


HSPICE


求出电压

< p>
VO


的灵敏度。



A SIMPLE SENS RUN














Vs 1 0



10



R1 1 2



40



R2 2 0



10




.OP


























.SENS



V(2)








.END










(Operating point information (in sens file))



【交流分析】



交流信号:







包含幅值、相位、频率等的信号。



交流分析:







分析输出参数随频率变化规律:







频率响应



交流分析中的一些规定:



?



电阻:若包含交流电阻,则使用交流电阻。



?



电容:阻抗为


1


/jwC



?



电感:阻抗为


jwL



?



有源元件、非线性元件:全部转化 为小信号模


型。



?



直流源:全部接地。















注:< /p>


交流分析与直流分析。是以激励源的类型不


同来命名的。直流分析 是忽略所有的交流信号,电容


开路,电感短路,整个电路中只存在直流器件。交流


分析是忽略所有的直流信号,电容和电阻写出阻抗形


式。因此,分析要 比直流分析复杂。交流分析实际上


为频率响应分析



?



交流小信号分析


(.AC)


?



极零点分析


(.PZ)


?



交流小信号失真分析


(.DISTO)


?



交流噪声分析


(.NOISE)


?



噪声叠加分析


(.SAMPLE)


?



交流网络分析


(.NET)



1.


交流小信号分析


.AC

< br>】



?



一般形式:



.AC







type




np




fstart




fstop




注释:



type


:扫描类型。



np


:扫描点数


fstart/fstop


:起始


/


终值频率



注意:电路当中必须至少含有一个独立交流源!



扫描类型


type




type


包含的类型






?



DEC


:每十进制实现对


np


个点进行扫描,对


数坐标




?



OCT



每八进制实现对


np


个点进行扫描,< /p>


对数


坐标)




?



LIN


: 线性扫描,在指定的


fstop- fstart


频率范


围内进行线性扫描




?



POI


:按所列参数点表进行扫描




Expamples:



?



q .AC



DEC



10 1K 100MEG


?



Sweep from 1KHz to 100MEGHz



with 10 points


per decade


?



q .AC LIN 100 1 100HZ


?



A 100 point frequency sweep from 1Hz to 100.


.AC


其它形式


(1)



一般形式:



.AC







type




np




fstart




fstop



+SWEEP




variable




start-value



stop-value


+increment (type



np



start-value



stop-value)


Expamples:



q


.AC



DEC



10



1



10K



SWEEP



Cload



LIN


20



1pf



10pf







Cload


的每个值进行


AC


分析,


扫描频率为


1Hz



10KHz




10


进制扫描


10


个点,


其中


Cload



值为从


1pf



1 0pf


等距离取


20


个点




?






.AC


DEC


10


1


10K


SWEEP


Rx


POI



2




5k


15k


?






.AC DEC 10 1 10K SWEEP Rx



5k



15k



5k


:


这是一个简单的


RC


电路,请利用


HSPICE


求出


当激励源的




1KHz





100MH z


时,


节点


2


的电


压、


通过


R2


C1


的电


流的幅值和

< p>
相位的变化。




A SIMPLE AC RUN


R1



1



2



1K


R2



2



0



1K


C1



2



0 .001U


V1



1



0



10



AC=1


.OPTIONS LIST NODE POST


.OP


.AC DEC 10 1K 1MEG


.PROBE AC V(2) VP(2)



I(R2) IP(R2) I(C1) IP(C1)


.END


.AC


分析结果输出




2.


极/零点分析


.PZ< /p>




任何线性时不变电路网络,都可以化 为线性传递


函数来表示:




其中,


z1…zm


为网络的零点,


p1…pn


为网络的极


点。


主要是用做放大器、滤波器等非时变网络的设计



?



一般形式:



.PZ







OUTPUT







INPUT



注释:



OUTPUT



输出变量,


可为任一支路电流或节点电


压。



INPUT



输入变量,


可为任一独立电压或电流源名


称。



举例:



.PZ



V(10)



VIN




5.2




利用


HSPICE


对简单放大器等效电 路作极


/


零点分析。




.PZ analysis netlist


A



pz




run





































Vin





1




0




1




AC



1
























Rs






1




2




1k



Rpi





2




0




1k



RL






3




0




1k



Cpi





2




0




1n


Cmu



2




3




10P


Gmu



3




0




2



0



0.04


.OPTIONS




POST=2























.OP


.PZ




V(3)




VIN

































.AC



DEC



5




100




100MEG


.PRINT



AC



VDB(3)




VP(3)













.END












































.PZ analysis result(in dc file













【交流小信号失真分析


(.DISTO )




考虑失真时:



1.


输入频率


f


时:


输出会出现二 次谐波


…n


次谐波


(

< br>可利用它计算谐波失真特性


)



如失真系数可定义为谐


波分量的总有效值与基波分量之比




2.


当输入频率为


f


1



f

2


时,不仅会产生各自的


谐波,


还 会产生


m


f


1+m

f


2


的组合谐波


(


可利用它计算相


互调制失真特性


)




当输入信号的能量很大时,或者通 俗的讲,当输


入电压的幅值很大时,三极管有可能会进入饱和状态


而不是放大状态,此时,三极管的输出电压的幅值就


会失真,所以针对这种情况,我们 选用宏观的分析方


法,即大信号图解分析法。而当输入电压的幅值很小

< br>时,用宏观的分析方法也就是大信号图解法,显然结


果会很不准确,所以就用小信 号模型分析法。小信号


模型,就是把抽象元件三极管等效为电阻,受控电流


源等元件组成的二端口网络。在这样的基础上进行分


析。如图是一个非常典型 的三极管放大电路。当输入


为小信号时,通过模拟电路的学习,知道,它有三个


工作区域:截止区,放大区以及饱和区。很多的时候,


我们调整其静态工 作点,使其工作在线性区,从而达


到让其成为放大器的目的。它的基极电流为

< p>
IB


,集电


极电流为


IC


,输出工作电压为


VCE


,我们认为, 它可


以等效为这样的一个线性模型,经过计算,可以得到,


输出 电流


IC


为输入基极电流


IB


的贝塔倍,


成线性关系。


大家注意,这种线性关 系,只是输入、输出特性曲线


上极小的一段,是一种近似的线性,没有考虑失真的


情况。很多时候,我们必须考虑失真,例如功放电路


分析中。由于输入 输出的非线性,


(周期信号经过非线


性系统,输出会产生高次谐 波)当放大器输入某一频



f


时,输出 就会出现二次谐波,三次谐波,四次谐


波等等。


当输入频率为< /p>


f1



f2


时,


不仅会产生它们的


谐波,还会产生


mf 1+mf2


的组合谐波。在功放的推动


级,这时的信号幅度已比 较大,特性曲线的一段不能


用直线来代替,必须考虑非线性失真。要根据输入、


输出信号的大小及放大器的特性来选择合适的工作


点,尽量使非线性失真 达到最小,并要引入负反馈等


措施来减少失真。



可计算的五个失真量:



?



DIM2



相互调制失真量


(与第一级谐波差额时


的失真量)


。即频率量



f


1



f


2



相关的幅度和


相位



?



DIM3



相互调制失真量


(与第二级谐波差额时


的失真量)



即频率分量



2*


f


1


< p>
f


2


相关的幅度


和相位



?



HD2



第二级谐波失真量。


即忽略



f


2


时,


2*


f


1


频率分量相关的幅度和相位。



?



HD3



第三级谐波失真量。


即忽略



f


2


时,


3*


f


1


频率分量相关的幅度和相位。



?



SIM2


:相互调制失真量(总量)


。即频率分量



f


1+


f


2


相关的幅度和相位



一般形式:



.DISTO




Rload




>>>


注释:



Rload

< br>:输出负载电阻的名字,所有失真功率都是


在该负载电阻上计算得出。

< p>


交流小信号失真分析,便是分析某个输出负载的


输出功率失真。




注释




in ter


:打印失真计算结果的频率间隔,即规定打


印多少计算结 果。



1.


一般此频率为进行交流扫描 的频率。



2.


若不写,则不打印失真 计算结果,可以在再



.PRINT



.PLOT


语句对失真结果进行打印。



3.


若只需要打印第一个和最后一个频率失真计算


结果,




inter



>


分析计算的终止频率。




skw2



第二个频率


f


2


与标称分析频率


f


1


的比值。


允许的范围是


1e-3



skw2


缺省值是


0.9(



f


2=0.9*


f


1)


f1


:计算谐波失真特性



f2


:可选,计算调制失真特性









refpwr


用来计算输出失真功率的参考功率


,

缺省值是


1mw











spwf


:第二频率



F2


的振幅,



其值必须大


于或等于



1e-3




缺省值是


1.0



< br>注意:一次电路模拟只能有一个


.DISTO


语句,默< /p>


认执行最后一个。



例:


.DISTO





RL



2




0.95



1.0E-3




0.75



第七讲


:


命 令语句



【交流噪声分析


(.NOISE)




?



噪声:有用信号外的某些电子干扰。



?



噪声来源:电阻和半导体器件。



?



输出噪声:每个器件的噪声源在< /p>


AC


分析的每


个频率点计算出相应的噪声 ,


并传送到一个输


出节点。



电路总的输出噪声



一定的频率下,

< p>
各个噪声源计


算所得噪声在该点进行



RMS (


均方根


)

< br>相加:





注释:



I


:由各个端点噪声产生的等效电流



Z


:噪声源与输出之间的等效电阻


< /p>


n



与电路中所有电阻、


MOSFET



二极管、


JF ET



BJT


有关的噪声源数目。



单位

< p>


V


2


/Hz


噪声的定义:


1.


电路总的输入噪声:一定的频 率下,


总的输出噪声除以电路电压


(


或 电流


)


增益或者传输函


数。单位:


V


2


/Hz


2.


均一化噪声:


(onoise/BW)


0.5


,单位:



?



一般形式:



.NOISE




OVV




srcnam



inter



注释:



OVV


:指定节点总的噪声输出电压。



srcnam


:是作为噪声输入基准的独立电压源或独


立电流源



inter


:打印噪声分析结果的频率间隔




注 意:


交流噪声分析时必须进行交流小信号分析。




举例





.NOISE



V(5)



VIN



10










.AC



DEC



10



1




100MEG



思考:本例共计算了几个频率点的交流噪声?




例:


求出图中输出节点


2


的噪声,频率范围


1Hz~100MEGHz



20


个点打印一次。


Noise




A simple noise run


R1 1 2 5


C1 2



0 500pf


V1 1 0 0 AC=10V, 37


.AC DEC 10 1 100MEG



.noise



v(2)



v1



20


.END



Output noise information (in noise file)


【噪声叠 加分析


.SAMPLE



< p>
噪声叠加分析:


对模拟信号数据采样的采样噪声


进 行分析。得到某输出节点各采样值的噪声


(


对各噪声

< p>
的叠加


)



.SAMPLE









FS=freg



注释:



FS=freg


:数据采样频率



【交流网络分析


.NET





交流网络分析:

< br>进行交流小信号分析时,计算输


入输出阻抗矩阵


(Z


矩阵


)



导纳



矩阵


(Y


矩阵


)


混 合矩阵


(H


矩阵


)

< br>和散射矩阵


(S


矩阵


)


的参数



单端口网络:


.NET



input



< RIN=val>








.NET



output



input







注释:









input




交流输入电压或电流源名









output



输出端口变量









RIN/ROUT


:输入输出电阻





.NET




V(10,30)




VINAC




ROUT=75




RIN=50


瞬态分析:







也称为 时域的暂态分析


(


时域分析


)



是指对所


选定的电路节点的时域响应进行分析 ,即观察该节点


在整个显示周期中每一时刻的波形。




瞬态分析条件:



?



电路中含有储能元件,如电容、电感等。



?



换路的条件:

电源值的升高与降低


(


包括接通与


断开


)


、电路中元件参数的改变。



?



换路定理


1


:在换路瞬间,电容上的电压、电


感中的电流不能突变。


这就意味着瞬态分析中


需要设置初始条件。



?



换路定理


2


:换路瞬间,电感相当于理想恒流



I


0


,电容相当于理想恒压源


U


0




瞬态分析目的:



?



低阶电路的时间常数


τ


的物理意义?



?



瞬态分析的目的:电路的响应速度。



?



电路的瞬态响应:



?



零输入响应



?



零状态响应



?



全响应



瞬态分析的初始条件



?



直流工作点


(


静态工作点


)









必须配合


.OP


语句,


以直流工作点为初始条


件 。



直流工作点为初始条件常常出现不收敛!





瞬态分析初始条件的设定



初始条件语句一般形式:





.IC





var1=val1








<…>



.DCVOLT




V(node1)/node1=val1





<…>




例:



.IC



V(11) = 5



V(4) = -5



V(2) = 2.2




.DCVOLT



11



5



4



-5



2



2.2



注意



.IC


可以设置任意变量初始值 ,而


.DCVOLT


只能设置电压初始值。


节点电压语句一般形式:




.NODESET



V(node1) = val1









.NODESET




node1



val1





val2...>



例:



?



.NODESET



V (12) = 4.5





V(4) = 2.23


?



.NODESET




12





4.5




4




2.33





初始条件设置的三种形式:



?



①:


IC =?


,描述元器件两端的初始电压。



?










如:


C1



2



0



1uF



IC=2V


?



②:


初始条件语句


.IC


-


-


-


-


-


-


-


-



本文更新与2021-02-17 23:45,由作者提供,不代表本网站立场,转载请注明出处:https://www.bjmy2z.cn/gaokao/663713.html

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