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1、Hspice/Spectre 介绍介绍罗豪罗豪2008.9.222024/7/251共88页模拟集成电路的设计流程模拟集成电路的设计流程1.交互式电路图输入2.电路仿真3.版图设计4.版图的验证（DRC LVS）5.寄生参数提取6.后仿真7.流片全定制全定制2024/7/252共88页各种仿真器简介各种仿真器简介lSPICE : 由UC Berkeley 开发。用于非线性 DC分析，非线性瞬态分析和线性的AC分析。lHspice: 作为业界标准的电路仿真工具，它自带了许多器件模型，包括小尺寸的MOSFET和MESFET。Cadence提供了hspice的基本元件库并提供了与Hspice的全面的
2、接口。 lSpectre: 由Cadence开发的电路仿真器，在SPICE的基础上进行了改进，使得计算的速度更快，收敛性能更好。2024/7/253共88页高精度电路仿真器高精度电路仿真器l1、Spectre/SpectreRF(cadence)l2、Hspice/HspiceRF(avanti)l3、Ads(Agilent 主要针对RF)l4、eldo(Mentor Graphics)l5、saber(Synopsys)2024/7/254共88页Cadenc软件简介软件简介Cadence 提供了一个大型的EDA 软件包，它包括：lASIC 设计 全定制IC设计工具Virtuoso Sche
3、matic Composer 电路仿真工具Analog Design EnvironmentlFPGA 设计lPCB设计2024/7/255共88页Cadence中中Spectre的模拟仿真的模拟仿真1、进入Cadence软件包 2、建立可进行SPECTRE模拟的单元文件 3、编辑可进行SPECTRE模拟的单元文件 4、模拟仿真的设置(重点) 5、模拟仿真结果的显示以及处理 6、分模块模拟(建立子模块) 7、运算放大器仿真实例2024/7/256共88页一、进入一、进入CadenceCadence软件包软件包l方法一方法一 安装并运行exeed软件，使用putty软件（缘网下载），在Host
4、name处填工作站地址，端口默认，协议（protocol）选SSH，如图所示，然后点击Open。2024/7/257共88页1、键入用户名和密码，在提示符处键入: source/opt/demo/cds.env(回车)2、setenv DISPLAY 本机ip:0.0(回车)，再键入icfb&，出现的主窗口如图所示:2024/7/258共88页l方法二方法二 1、安装winvnc软件 2、运行putty软件键入 用户名和密码，在提示 符处键入 vncserver命 令申请vnc端口 3、运行winvnc，填入 主机名称：端口号码2024/7/259共88页二、建立可进行二、建立可进行SPECT
5、RESPECTRE模拟模拟的单元文件的单元文件主窗口分为信息窗口CIW、命令行以及主菜单。信息窗口会给出一些系统信息（如出错信息，程序运行情况等）。在命令行中可以输入某些命令。主菜单包括：1、File菜单 2、Tools菜单 3、Options菜单2024/7/2510共88页File菜单菜单l在File菜单下，主要的菜单项有New、Open、Exit等lNew菜单项的子菜单下有Library、Cell view两项。Library项打开New Library窗口，Cell view项打开Create New File窗口。lOpen菜单项打开相应的Open File窗口。lExit项退出Ca
6、dence软件包。LibraryCellSchematicSymbolLayoutVerilog（View）2024/7/2511共88页Library,Cell以及以及View 1、library(库)的地位相当于文件夹，它用来存放一整个设计的所有数据，包括子单元（cell）以及子单元（cell）中的多种视图（view）。新建时注意选择是否链接新建时注意选择是否链接techfile。 2、Cell（单元）可以是一个简单的单元，像一个与非门，也可以是比较复杂的单元（由symbol搭建而成）。 3、View则包含多种类型，常用的有schemetic，symbol，layout，extracted
7、，ivpcell等等 ,新建新建Cellview要注意选择要注意选择View的类型。的类型。2024/7/2512共88页Tools菜单菜单l在Tools菜单下，比较常用的菜单项有 lLibrary ManagerlLibrary Path EditorlTechnology File ManagerLibrary Manager项打开的是库管理器。在窗口的各部分中，分别显示的是Library、Category、Cell、View相应的内容。 2024/7/2513共88页Library Path Editor可以对本用户的文件可以对本用户的文件路径进行修改路径进行修改Technology F
8、ile Manager基本上都是和工艺相关的功能和设置。比较常用的是Edit Layers 可以使用在版图编辑中，用来修改原始图层的一些属性。 Library Path Editor & Technology File Manager2024/7/2514共88页Options菜单菜单lOptions菜单主要是对Cadence的一些参数进行调整和设置，如快捷键等。一般无需设置，直接使用默认值。2024/7/2515共88页三、编辑可进行三、编辑可进行SPECTRESPECTRE模拟模拟的单元文件的单元文件选择主窗口FileOpenOpen file，打开相应的Schematic View，即进
9、入了Composer-Schematic Editing 窗口，如右图所示。 2024/7/2516共88页工具栏介绍工具栏介绍从上至下：1.Check and Save 2.Save3.Zoom in by 2 4.Zoom out by 2 5.Stretch s6.Copy c7.Delete Del8.Undo 9.Property q10.Instance i11.Wire（Narrow） w12.Wire（Wide）13.Wire Name l14.Pin p15.Cmd Options16.Repeat2024/7/2517共88页添加元器件添加元器件点击右边工具栏“Instan
10、ce”或快捷键“I”基本的元器件，如NMOS PMOS 电阻 电容 电压源 电流源 等等 都在analoglib库里。注意！注意！View要选择要选择symbol2024/7/2518共88页常用常用analoglib库的元器件库的元器件器件Cell 名称pnp管pnp电阻res地gnd电容cap直流电压源vdc电感ind直流电流源idcNMOSnmos4方波发生源vpulsePMOSpmos4可编程方波发生源vpwlnpn管npn正弦波发生源vsin2024/7/2519共88页元器件元器件symbol视图视图2024/7/2520共88页一些快捷键一些快捷键l 以下是一些常用的快捷键：i
11、添加元件，即打开添加元件的窗口； 缩小两倍； 扩大两倍；w 连线（细线）；f 全图显示；p 查看元件属性；m 整体移动（带连接关系）；shift+m 移动（不带连接关系）。2024/7/2521共88页四、模拟仿真的设置四、模拟仿真的设置( (重点重点) )Composer-schamatic界面中的Tools Analog Environment项可以打开Analog Design Environment 窗口，如右图所示。2024/7/2522共88页Analog Design Simulation菜单介绍菜单介绍Session菜单菜单Schematic Window Save State
12、 Load State Options Reset Quit回到电路图保存当前所设定的模拟所用到的各种参数加载已经保存的状态一些显示选项的设置重置analog artist。相当于重新打开一个模拟窗口退出2024/7/2523共88页Setup菜单Setup菜单菜单Design Simulator/directory/host Temperature Model Library Environment选择所要模拟的线路图选择模拟使用的模型一般有cdsSpice hspiceS spectre等 设置模拟时的温度设置库文件的路径和仿真方式设置仿真的环境 （后仿真时需设置）2024/7/2524共
13、88页Analyses菜单选择模拟类型。Spectre的分析有很多种，如右图，最基本的有tran（瞬态分析）dc（直流分析）ac（交流分析）。2024/7/2525共88页tran（瞬态分析）（瞬态分析）2024/7/2526共88页dc（直流分析）（直流分析）dc（直流分析）可以在直流条件下对temperature，Design Variable，Component Parameter，Model Parameter进行扫描仿真举例:对温度的扫描（测量温度系数）电路随电源电压变化的变化曲线等2024/7/2527共88页ac（交流分析）（交流分析）ac（交流分析）是分析电路性能随着运行频率变
14、化而变化的仿真。既可以对频率进行扫描也可以在某个频率下进行对其它变量的扫描。2024/7/2528共88页Variables菜单包括Edit等子菜单项。可以对变量进行添加、删除、查找、复制等操作。变量（variables）既可以是电路中元器件的某一个参量，也可以是一个表达式。变量将在参量扫描（parametric analysis）时用到。2024/7/2529共88页其它有关的菜单项（1）Tools/Parametric Analysis它提供了一种很重要的分析方法参量分析的方法，也即参量扫描。可以对温度，用户自定义的变量（variables）进行扫描，从而找出最合适的值。2024/7/25
15、30共88页其它有关的菜单项（2）Outputs/To be plotted/selected on schematicschematic子菜单用来在电路原理图上选取要显示的波形（点击连线选取节点电压，点击元件端点选取节点电流），这个菜单比较常用2024/7/2531共88页其它有关的菜单项（3） Outputs/Setup 当然我们需要输出的有时不仅仅是电流、电压，还有一些更高级的。比如说：带宽、增益等需要计算的值，这时我们可以在Outputs/setup中设定其名称和表达式。在运行模拟之后，这些输出将会很直观的显示出来。 举个例子：标识3db的点，我们用到的表达式如下：bandwidth（
16、VF(“/Out)，3，“low”）。 需要注意的是：表达式一般都是通过计算器（caculator）输入的。Cadance自带的计算器功能强大，除了输入一些普通表达式以外，还自带有一些特殊表达式，如bandwidth、average等等。 2024/7/2532共88页Calculator的使用的使用Calculator是一个重要的数据处理工具，可以用来仿真电源抑制比，相位裕度，共模抑制比2024/7/2533共88页其它有关的菜单项（3）Results菜单2024/7/2534共88页模拟结果的显示以及处理在模拟有了结果之后，如果设定的output有plot属性的话，系统会自动调出wavef
17、orm窗口，并显示outputs的波形，如左图2024/7/2535共88页分模块模拟(建立子模块)l存在问题 在电路越来越复杂的情况下，存在许多重复单元，如果花时间分别去建立schamatic，明显会使工作更繁复。l解决方案 我们在建立了一个子电路后，可以将其看作一个整体，建立一个模块,即建立一个symbol（view name），放在用户自己库里的作为一个器件(component)来用，这样可以大大减小工作量、提高效率、简化设计。2024/7/2536共88页schematic和和symbol图图在Library Manager中分别建立cellview 的schematic (view)
18、和symbol(view)，如下图所示。两者的Pin的名称必须一致，这样才能建立起一一对应的关系。2024/7/2537共88页建立子模块的方法建立子模块的方法1、直接建立在Library Manager中新建cell，在弹出的窗口的Tool项选择Composer-symbol,即建立的是symbol(view);用子菜单Add/Shape/Line和Add/Shape/Circle的命令画出所需的形状；用子菜单Add/label的命令添加标签instanceName；用子菜单Add/PIn的命令添加管脚用子菜单Add/Selection Box命令添加选择框。2、间接建立打开cell的sch
19、ematic(view)，用子菜单Design/Create Cellview/From Cellview命令。在弹出的窗口里输入相应的名称后，单击OK2024/7/2538共88页子模块的调用子模块的调用在Schematic中点击Add Instance。然后在Library中选中你的子模块所在的library，cellview，symbol。这样就可以调用你设计的子模块了。2024/7/2539共88页五、运算放大器仿真实例1、电路图的输入（共模反馈型运放），如下图所示：2024/7/2540共88页2、建立Symbol图2024/7/2541共88页3、仿真电路图示意2024/7/254
20、2共88页4、运放小信号仿真示例l电源电压Vdc=3.3 V；l交流信号源acm=1 V；l负载电容Cload=5p F；l采用Spectre分析方式，选择交流分析（ac），设置如下： Sweep Variable： Frequency Sweep Range ：1 Hz100M Hzl仿真完成后，点击 Result - Direct Plot - AC Gain&Phase 查看运放的幅频特性和相频特性 2024/7/2543共88页仿真结果该运放直流增益为80.9dB，单位增益带宽为82M Hz，相位裕度为67.32deg。2024/7/2544共88页相位裕度与负载电容的关系曲线仿真相位
21、裕度与负载电容的关系曲线仿真1、设置相位裕度输出，点击Outputs -Setup 其中运用了Candence函数PhaseMargin2024/7/2545共88页相位裕度与负载电容的关系曲线仿真相位裕度与负载电容的关系曲线仿真2、点击Tools- Parametric Analysis设置负载电容的扫描范围和扫描步长，其中Range Type选择From/To，Step Control选择Linear Steps2024/7/2546共88页相位裕度与负载电容的关系曲线仿真相位裕度与负载电容的关系曲线仿真3、点击Parametric Analysis中的Analysis-Start得到相位
22、裕度与负载电容的关系曲线如图：2024/7/2547共88页5 运放直流仿真示例l目标：仿真输出电压与输入电压的变化曲线l方法：采用直流仿真（dc）l仿真参数设置 1、在仿真电路图中将信号源的输入 电压定义为变量Vin 2、在仿真环境界面中选择Variables -Copy From Cellview,将电路中设 置的变量集中在Design Variables栏中， 初始化Vin和Cload变量， 其中Vin=0 V，Cload=5p F 2024/7/2548共88页3、设置dc仿真，其中Sweep Variable选择Design Variable，在Variable Name中填写Vin
23、，Sweep Range选择Start-Stop，Vin 的扫描范围为-1m V1m V2024/7/2549共88页l4、仿真结果（横坐标为输入电压，纵坐标为输出电压）如图我们可以看出：运放的输出摆幅大约为-2.55V2.55V2024/7/2550共88页6、瞬态仿真示例l目标：通过仿真得到运放的摆率l方法：运用瞬态仿真，输入信号设置为电压脉冲，观察输出电压的变化情况l参数设置： 输入信号源采用analoglib中的脉冲发生器vpwl，输入电压初始值为0 V，在10n s10.1n s跳变到4V Tran仿真时间为100n s 在电路图中选择输出变量，Outputs- To Be Plot
24、ted- Select On Schematic，在这里我们选择输入脉冲以及输出电压2024/7/2551共88页l仿真结果l如图我们可以计算得到：运放摆率SR=117 V/us2024/7/2552共88页附：附：Hspice 简介简介lAvant!StartHspice（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。l教材计算：采用Level 2的MOS Model Foundry： Level 49和Mos 9、EKV等l因此设计者除利用Level 2的Model进行电路的估算以外，还一定要使用电路仿真软
25、件Hspice、Spectre等进行仿真，以便得到更精确的结果。 2024/7/2553共88页Hspice的使用的使用l使用Hspice需要有hspice file （*.sp），它的来源主要有以下两种方式： （一） 自己写 （二）由Cadence中的schematic文件得到2024/7/2554共88页*.sp文件的生成（文件的生成（1）创建需要进行仿真的电路，设定好各项参数，包括激励源的设置。2024/7/2555共88页*.sp文件的生成（文件的生成（2）选择Simulate/Directory/Host菜单仿真器选择hspiceS选择Model Path菜单设置库的路径2024/7
26、/2556共88页*.sp文件的生成（文件的生成（3）选择Analyses菜单下的choose项选择仿真类型（tran）Simulation- Netlist -Create FinalFile-Save As,输入存放的全路径2024/7/2557共88页运行运行Hspicel由于工作站版的Hspice没有license不能用，因此采用单机版的Hspice。版本是2002.2.22024/7/2558共88页修改修改*.sp文件文件在进行Hspice仿真之前，还要对刚刚生成的*.sp文件进行修改，如图所示，添加hspice的库文件和仿真精度（tt ff ss fs sf）注意：库文件的具体路
27、径要写对，而且要是Hspice的库POST 必须加上2024/7/2559共88页用用Hspice进行仿真进行仿真仿真查看错误信息波形查看器2024/7/2560共88页AvanWaves波形观察器波形观察器2024/7/2561共88页AvanWaves波形观察器波形观察器2024/7/2562共88页Spectre Verilog 数模混合仿真数模混合仿真lPush the limit of system performance Reduce parasitic Reduce I/O driving loads Exploit design space between blockslPus
28、h the limit of power dissipation Reduce parasitic loads Reduce I/O driving currentslReduce the system sizeWhy Mixed-Signal Simulation?2024/7/2563共88页System in the Real World2024/7/2564共88页Mostly Applied Method of Mixed-Signal Design系统分成若干个芯片，每个芯片分开设计，再经电路板整合。2024/7/2565共88页IntegratedMixed-Signal Des
29、ign2024/7/2566共88页Commercially Available SimulationEnvironmentslCadence ADE：VHDL/Verilog, Verilog-A, Spectre AMS：VHDL/Verilog, Verilog-A, VHDL/Verilog-AMS, Spice, SpectrelMentor Graphic ADVance MS (ModelSim + Eldo)：C, VHDL/Verilog, Verilog-A, VHDL/Verilog-AMS, SpicelSynopsys Timemill：Transistor leve
30、l Star-Sim：Transistor level VCS + NanoSim：C, VHDL/Verilog, Verilog-A, SpicelDolphin Integration SMASH：ABCD, VHDL/Verilog, VHDL/Verilog-AMS, Spice2024/7/2567共88页Mixed-Signal Simulator 的基本结构的基本结构l以模拟电路仿真器为核心以模拟电路仿真器为核心 在处理数模混合电路时将数字部分等效为相应的简化的模拟电路、或采 用解析函数来表示逻辑模块的行为，然后对整个系统采用模拟电路的方法 进行模拟。 优点：优点：模拟结果精确
31、、能处理的电路规模比较大，模拟速度也有显著提高。 缺点：缺点：比逻辑模拟器还是慢很多。l同时包含模拟和数字两个仿真核同时包含模拟和数字两个仿真核 处理速度快，能处理的电路规模极大，但需要解决模拟仿真核和数字仿真 核之间的通信问题；另外，由于数字逻辑仿真器和模拟仿真器的输入、输 出数据是不一样的，还必须在模拟仿真核和数字仿真核之间实现模拟信号 和数字信号的相互转换。2024/7/2568共88页Creating Analog BlockCreate the schematic view of analog block, and create a symbol view for cell use2
32、024/7/2569共88页Creating Digital Block2024/7/2570共88页Create digital block symbolUse Add-Pin/Add-Shape to create digital block symbolThe pin name clkin and clkout must be the same as verilog text2024/7/2571共88页Creating a Mixed-Signal Schematic2024/7/2572共88页Create Config View for SimulationThe mixed-si
33、gnal simulation hierarchy is controlled by Hierarchy-Editor which must be defined with config viewcell name is top circuit name for simulationview name will be set as configUse Create New File to create a new config view with Hierarchy-Editor2024/7/2573共88页Set New Configuration1.Choose Use Template
34、sample information2.Choose spetreVerilog1233. Change the view name to schematic for simulation 4. Click OK2024/7/2574共88页Open the Schematic Version of Config ViewOpen the schematic version of the config view of mix from the Library manager2024/7/2575共88页Set Block Partition开启hierarchy editor设定所使用的cel
35、l view显示所使用的cell view 及其颜色设定Schematic editor 中的Hierarchy-Editor 及Mixed-Signal 两项Menu是由菜单Tools-Mixed Signal Opts.而产生的2024/7/2576共88页Set Block Partition(cont.)2024/7/2577共88页Check Block PartitionChange analog & digital stop views to match the stop views in your hierarchy editor (as below)2024/7/2578共8
36、8页Check Partition Results设定显示的颜色及项目显示所有模块划分的结果显示模拟电路模块显示数字电路模块显示混合信号电路模块显示无法规类的电路模块清除所有显示内容2024/7/2579共88页Partition RequirementlThe design must contain at least one analog component.lThe design must contain at least one digital component.lThere must be with at least one interface net.lAnalog stimuli
37、 defined in the analog stimuli file cannot be used to drive digital net.lDigital stimuli defined in the digital stimuli file can not be used to drive analog net.lAny interface net must be identified before netlisting.2024/7/2580共88页Setup the analog/digital interfaceSelect: Mixed-Signal - Interface E
38、lements - Instancethis tool is used to configure how the digital block reads analog inputs and how digital outputs are seen by analog cells (effective A/D and D/A).2024/7/2581共88页Setup the analog/digital interfaceMOS_a2d: A2D_V0 低电平 A2D_V1 高电平 A2D_TX：voltage between V0 and V1 after TX will yield a l
39、ogic XMOS_d2a：Model ParametersD2A_VL : input low voltageD2A_VH : input high voltageD2A_TR : rise time for low to highD2A_TF : fall time for high to low2024/7/2582共88页Setup Menu in Analog EnvironmentWith Setup window to define simulationinitialization setupChoose the simulatorDefine device model libr
40、aryDefine temperature2024/7/2583共88页Choosing Simulator/Directory/Host选择选择SpectreVerilog2024/7/2584共88页Choose Analysis TypeInvoke the analysissetting windowFor Mixed-Signalsimulation, onlytran is meaningfulSet the simulation timeCheck this box to enable this simulation2024/7/2585共88页Submit the SimulationExecute the simulation job with Run, or create the netlist with Netliststart simulation2024/7/2586共88页Results其中 clk：数字模拟输入 DIGITAL_OUT：数字输出 ANALOG_OUT ：模拟输出 2024/7/2587共88页THANK YOU!2024/7/2588共88页
