模拟电路的仿真

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1、模拟电路的仿真模拟电路的仿真doc 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。北京中科微电子技术有限公司 北京中科微电子技术有限公司设计部 培训教程： 培训教程：模拟电路的仿真 (v1.0) 文档标识 文档类别 文档状态 文档编号 模拟电路的仿真 设计部内部资料 修改中、已完成 培-001 版本 完成日期 制作人 备注 v1.0 2003 年 7 月 24 日 冯翰雪模拟电路的仿真北京中科微电子技术有限公司设计部 2003 年 7 月第 1 页 共 25 页北京中科微电子技术有限公司 北京中科微电子技术有限公司设计部 培训教程： 培训教程：模拟电路的仿

2、真 (v1.0) 摘要：摘要：本文介绍了模拟电路仿真的一些基本概念和 Cadence 的模拟仿真环境。 排版约定 楷体，无衬线字体（楷体，Sans-Serif） 第一次出现的术语。软件名称。 宋体，等宽字体（宋体，constant-width） ： 用于例子和普通文本，显示 Unix 命令，各种代码、文本文件内容等。 粗体等宽字体表示用户输入的 Unix 命令 粗体等宽字体1 模拟电路仿真基础1.1 模拟分析类型为了便于分析电路的特性， 电路在不同条件下有不同的近似模型。 最为典型的例子就是 MOS 管的大信号模型和小信号模型：大信号模型用于分析计算电路的直流工作点、偏置等； 小信号模型用于分

3、析电路的频率响应、开环增益等等。 在模拟电路仿真中，也有类似的区分，称为“分析类型” 。不同的分析类型使用不同的 近似模型，用于分析电路不同方面的特性。常见的分析类型有以下几种。1.1.1 直流分析 (dc)直流分析用于确定电路的直流工作点，例如运放偏置电路产生的偏置电流、电压。做直 流分析时认为电容断路、电感短路。在交流分析、瞬态分析之前自动进行直流分析。 直流分析也可通过扫描某个参数来分析电路的直流传输特性，被扫描的参数可以是电 压、电流、频率、温度、元件参数、模型参数等等。例如，扫描温度参数可以分析电路的温 度特性；扫描 MOS 管栅极电压可以画出 MOS 的 VGSID 曲线。1.1.

4、2 交流分析 (ac)交流分析主要用于分析电路的频率响应，例如用交流分析可以画出运放的幅频响应曲 线、相频响应曲线，计算开环增益、相位裕度等等。交流分析时，使用器件在直流工作点附 近的线性的交流小信号模型进行计算，电路的激励是正弦交流小信号。 交流分析也可以在某一个频率上扫描电路的某个参数， 例如分析运放在低频时开环增益 随温度的变化。被扫描的参数可以是频率、温度、元件参数、模型参数等等。如果被扫描的 参数会改变电路的直流工作点，则重新计算直流工作点。第 2 页 共 25 页北京中科微电子技术有限公司 北京中科微电子技术有限公司设计部 培训教程： 培训教程：模拟电路的仿真 (v1.0)1.1.

5、3 瞬态分析 (tran)瞬态分析主要用于分析电路的实时响应。 瞬态分析计算从开始时间到结束时间内电路中 各个节点、元件的电压、电流等随时间的变化情况。如果没有指定初始条件，则使用电路的 直流工作点。1.1.4 其他分析类型以上三类分析是最常用的分析类型。除此之外，仿真工具还支持很多其他类型的分析。 例如 Cadence Spectre 还有以下分析类型。具体说明请参考 Spectre Reference Noise Analysis (noise) Periodic Steady-State Analysis (pss) S-Parameter Analysis (sp) Time-Doma

6、in Reflectometer Analysis (tdr) Transfer Function Analysis (xf)1.2 仿真环境Cadence 的电路仿真工具是 Spectre， 如图一所示。 其功能类似与 SPICE， 但具体语法、 器件模型等方面有所不同。Spectre 是一个命令行工具，如图一所示。图一、电路仿真工具Spectre电路按照 Spectre 规定的语法进行描述，这个描述称为网表（netlist） 。网表中还包含描 述输入激励、分析类型、选项控制、结果记录等内容的语句。Spectre 程序以网表文件作为第 3 页 共 25 页北京中科微电子技术有限公司 北京中科

7、微电子技术有限公司设计部 培训教程： 培训教程：模拟电路的仿真 (v1.0) 输入，根据网表指定的方式进行电路仿真、记录结果。下面是一个反相器网表的例子。* # FILE NAME: V2_A_INV1 * schematic/netlist/V2_A_INV1.C.raw * Netlist output for spectreS. * Generated on Jul 24 21:59:27 2003 * global net definitions .GLOBAL vdd! simulator lang= spectre * File name: motorlib_V2_A_INV1_s

8、chematic.s. * Subcircuit for cell: V2_A_INV1. * Generated for: spectreS. * Generated on Jul 24 21:59:27 2003. m1 (zn i 0 0) nmos w=3.6e-6 l=1.2e-6 m=1.0m0 (zn i vdd! vdd!) hp0ns w=12e-6 l=1.2e-6 m=1.0图二、一个反相器的 Spectre 网表网表可以手工编写。但更方便快捷的方法是用 Composer 绘制电路原理图（如图三所 示） ，然后用工具自动生成网表。为了从电路原理图产生符合 Spectre

9、语法的网表，要求电 路原理图中只使用 analogLib 库中的元件。图三、电路图输入工具Composer第 4 页 共 25 页北京中科微电子技术有限公司 北京中科微电子技术有限公司设计部 培训教程： 培训教程：模拟电路的仿真 (v1.0) 仿真结果可以用 Results Browserh, Waveform 等工具进行查看。后者（如图四）可以 直接绘制出输出波形。Cadence 还提供了 Caculator，帮助设计者对仿真结果进一步分析。图四、仿真结果查看工具Waveform图五、仿真结果计算工具Calculator第 5 页 共 25 页北京中科微电子技术有限公司 北京中科微电子技术有

10、限公司设计部 培训教程： 培训教程：模拟电路的仿真 (v1.0) Cadence 为模拟、 数模混合仿真设计了一个集成开发环境： Analog Artist， 如图六所示。 在 Analog Artist 中可以完成编辑电路原理图，生成网表，设置分析类型，观测波形等等整 个模拟电路仿真流程。图六、模拟电路集成开发环境Analog Artist1.3 analogLib前面提到模拟电路原理图中只能使用 analogLib 库中的元件。如图七所示，analogLib 库 中的元件基本上与 Spectre 中的器件一一对应， 并且可以直接在 Composer 中设置各个元件 的参数。在用 Spect

11、re 进行电路仿真时，建议使用单元的 spectre 和 spectreS 视图。常用元 件列与下表。 单元名 res cap ind nmos4 pmos4 diode gnd vdd 说明 电阻 电容 电感 NMOS 管 PMOS 管 二极管 地线符号 电源符号 主要参数 阻值 电容值、初值 电感值、初值 模型名、宽、长、倍数 模型名、宽、长、倍数 模型名、结面积、倍数第 6 页 共 25 页北京中科微电子技术有限公司 北京中科微电子技术有限公司设计部 培训教程： 培训教程：模拟电路的仿真 (v1.0)图七、analogLib模拟电路必须考虑 MOS 管的衬偏效应。因此在电路原理图中要求所

12、有 MOS 管的衬底 有明确的连接，也即必须使用 analogLib 库中的四端元件 nmos4 和 pmos4，如下图所示：图八、nmos4, pmos4图九是电阻 R1 的属性，在这里可以直接设置电阻的阻值(Resistance)、模型名(Model name)等等参数。从电路原理图生成 Spectre 网表时，就会自动生成如下 Spectre 语句来描述 这个电阻：rr1 (v_rc 0) resistor r=10e3 m=1.0第 7 页 共 25 页北京中科微电子技术有限公司 北京中科微电子技术有限公司设计部 培训教程： 培训教程：模拟电路的仿真 (v1.0)图九、电阻的属性对话框

13、除了基本元器件外，analogLib 中还包含了各种电流、电压源，它们常被用作电路的输 入激励。常用的电压源列于下表。另外，将下表中单元名首字母 v 改成 i 即是相应功能的电 流源。 单元名 vdc vpulse vsin vpwl 说明 直流电压源 脉冲信号源 正弦信号源 分段线性信号源 主要参数 直流电压；交流幅度、相位。 （常用作电路电源） 高低电平电压值、脉冲宽度、脉冲周期 幅度、频率、相位、偏置电压 时间电压对数目、 （时间、电压）第 8 页 共 25 页北京中科微电子技术有限公司 北京中科微电子技术有限公司设计部 培训教程： 培训教程：模拟电路的仿真 (v1.0)1.4 器件模型

14、不同工艺的 MOS 管参数不同，甚至不同尺寸范围的 MOS 其参数也不同。通常成熟的 工艺线至少会提供 MOS 模型。下面是一个模型定义文件的部分内容，它定义了一个模型名 称（Model name）为“nmos”的 NMOS 管模型。.model nmos NMOS +Level= +Tref=27.0 +Npeak= 4.3007E+16 +SatMod= 2 +BulkMod= 1 +Vth0= .7030622 Phi= .7705066 Tox=2.10000E-08 Xj=3.00000E-07 +dl= 2.00000E-07 dw= 5.00000007450581E-08 Su

15、bthMod= 2 10在模拟电路原理图中，要为每一个 MOS 管指定一个模型名。例如，图八中 NMOS 管 的模型名是“nmos” ，PMOS 管的模型名是“hp0ns” 。这里的模型名称与模型定义文件中定 义的名称一致，而不必与模型定义文件名一致。第 9 页 共 25 页北京中科微电子技术有限公司 北京中科微电子技术有限公司设计部 培训教程： 培训教程：模拟电路的仿真 (v1.0)2 入门指南下面以仿真一个简单的运放为例，说明模拟电路仿真的步骤。2.1 预备工作本文假设工作目录为 students 用户的主目录/export/home/casic/student/，若不 同则需做相应修改。

16、 首先建立工作环境。 执行/export/home/casic/training/analogsim/restart 脚 本， 指定工作目录。 注意， restart 脚本要求输入完整的绝对路径， 并且路径末尾不加 “/” 。 该脚本把本教程所需的库、模型等文件拷贝到工作目录的 anlaogsim 子目录下。 然后进入 anlaogsim 目录启动 icfb。 命令列表如下，其中粗体部分为用户的输入。u60a:/export/home/casic/student/export/home/casic/training/analogsim/restart Please input where you want to setup : /export/home/casic/student Please wait OK u60a:/export/home/casic/student/cd analogsim u60a:/export/home/casic/student/analogsimls -F cd