Spectre/Hspice/Ultrasim

介紹2023/6/7共79頁1contentCadence中Spectre的模擬仿真Hspice的使用Ultrasim仿真技術2023/6/7共79頁2模擬集成電路的設計流程1.交互式電路圖輸入2.電路仿真3.版圖設計4.版圖的驗證（DRCLVS）5.寄生參數(shù)提取6.后仿真7.流片全定制2023/6/7共79頁3各種仿真器簡介SPICE:由UCBerkeley開發(fā)。用于非線性DC分析，非線性瞬態(tài)分析和線性的AC分析。Hspice:作為業(yè)界標準的電路仿真工具，它自帶了許多器件模型，包括小尺寸的MOSFET和MESFET。Cadence提供了hspice的基本元件庫并提供了與Hspice的全面的接口。

Spectre:由Cadence開發(fā)的電路仿真器，在SPICE的基礎上進行了改進，使得計算的速度更快，收斂性能更好。2023/6/7共79頁4高精度電路仿真器1、Spectre/SpectreRF(cadence)2、Hspice/HspiceRF(avanti)3、Ads(Agilent

主要針對RF)4、eldo(MentorGraphics)5、saber(Synopsys)2023/6/7共79頁5Cadenc軟件簡介Cadence提供了一個大型的EDA軟件包，它包括：ASIC設計全定制IC設計工具VirtuosoSchematicComposer電路仿真工具AnalogDesignEnvironmentFPGA設計PCB設計2023/6/7共79頁6Cadence中Spectre的模擬仿真1、進入Cadence軟件包2、建立可進行SPECTRE模擬的單元文件3、編輯可進行SPECTRE模擬的單元文件4、模擬仿真的設置(重點)5、模擬仿真結(jié)果的顯示以及處理6、分模塊模擬(建立子模塊)7、運算放大器仿真實例2023/6/7共79頁7一、進入Cadence軟件包方法一

安裝并運行exeed軟件，使用putty軟件（緣網(wǎng)下載），在Hostname處填工作站地址，端口默認，協(xié)議（protocol）選SSH，如圖所示，然后點擊Open。2023/6/7共79頁81、鍵入用戶名和密碼，在提示符處鍵入:source/opt/demo/cds.env(回車)2、setenvDISPLAY本機ip:0.0(回車)，再鍵入icfb&，出現(xiàn)的主窗口如圖所示:2023/6/7共79頁9方法二

1、安裝winvnc軟件

2、運行putty軟件鍵入用戶名和密碼，在提示符處鍵入vncserver命令申請vnc端口

3、運行winvnc，填入主機名稱：端口號碼2023/6/7共79頁10二、建立可進行SPECTRE模擬

的單元文件主窗口分為信息窗口CIW、命令行以及主菜單。信息窗口會給出一些系統(tǒng)信息（如出錯信息，程序運行情況等）。在命令行中可以輸入某些命令。主菜單包括：1、File菜單2、Tools菜單3、Options菜單2023/6/7共79頁11File菜單在File菜單下，主要的菜單項有New、Open、Exit等New菜單項的子菜單下有Library、Cellview兩項。Library項打開NewLibrary窗口，Cellview項打開CreateNewFile窗口。Open菜單項打開相應的OpenFile窗口。Exit項退出Cadence軟件包。LibraryCellSchematicSymbolLayoutVerilog（View）2023/6/7共79頁12Library,Cell以及View

1、library(庫)的地位相當于文件夾，它用來存放一整個設計的所有數(shù)據(jù)，包括子單元（cell）以及子單元（cell）中的多種視圖（view）。新建時注意選擇是否鏈接techfile。2、Cell（單元）可以是一個簡單的單元，像一個與非門，也可以是比較復雜的單元（由symbol搭建而成）。

3、View則包含多種類型，常用的有schemetic，symbol，layout，extracted，ivpcell等等,新建Cellview要注意選擇View的類型。2023/6/7共79頁13Tools菜單在Tools菜單下，比較常用的菜單項有LibraryManagerLibraryPathEditorTechnologyFileManagerLibraryManager項打開的是庫管理器。在窗口的各部分中，分別顯示的是Library、Category、Cell、View相應的內(nèi)容。2023/6/7共79頁14LibraryPathEditor可以對本用戶的文件路徑進行修改TechnologyFileManager基本上都是和工藝相關的功能和設置。比較常用的是EditLayers可以使用在版圖編輯中，用來修改原始圖層的一些屬性。LibraryPathEditor&TechnologyFileManager2023/6/7共79頁15Options菜單Options菜單主要是對Cadence的一些參數(shù)進行調(diào)整和設置，如快捷鍵等。一般無需設置，直接使用默認值。2023/6/7共79頁16三、編輯可進行SPECTRE模擬

的單元文件選擇主窗口File→Open→Openfile，打開相應的SchematicView，即進入了Composer-SchematicEditing窗口，如右圖所示。2023/6/7共79頁17工具欄介紹從上至下：1.CheckandSave2.Save3.Zoominby2]4.Zoomoutby2[5.Stretchs6.Copyc7.DeleteDel8.Undo9.Propertyq10.Instancei11.Wire（Narrow）w12.Wire（Wide）13.WireNamel14.Pinp15.CmdOptions16.Repeat2023/6/7共79頁18添加元器件點擊右邊工具欄“Instance”或快捷鍵“I”基本的元器件，如NMOSPMOS電阻電容電壓源電流源等等都在analoglib庫里。注意！View要選擇symbol2023/6/7共79頁19常用analoglib庫的元器件器件Cell名稱pnp管pnp電阻res地gnd電容cap直流電壓源vdc電感ind直流電流源idcNMOSnmos4方波發(fā)生源vpulsePMOSpmos4可編程方波發(fā)生源vpwlnpn管npn正弦波發(fā)生源vsin2023/6/7共79頁20元器件symbol視圖2023/6/7共79頁21一些快捷鍵以下是一些常用的快捷鍵：i

添加元件，即打開添加元件的窗口；[

縮小兩倍；]

擴大兩倍；w

連線（細線）；f

全圖顯示；p

查看元件屬性；m

整體移動（帶連接關系）；shift+m

移動（不帶連接關系）。2023/6/7共79頁22四、模擬仿真的設置(重點)Composer-schamatic界面中的Tools→AnalogEnvironment項可以打開AnalogDesignEnvironment窗口，如右圖所示。2023/6/7共79頁23AnalogDesignSimulation菜單介紹Session菜單SchematicWindow

SaveState

LoadState

Options

Reset

Quit回到電路圖保存當前所設定的模擬所用到的各種參數(shù)加載已經(jīng)保存的狀態(tài)一些顯示選項的設置重置analogartist。相當于重新打開一個模擬窗口退出2023/6/7共79頁24Setup菜單Setup菜單Design

Simulator/directory/host

Temperature

ModelLibraryEnvironment選擇所要模擬的線路圖選擇模擬使用的模型一般有cdsSpice

hspiceS

spectre等設置模擬時的溫度設置庫文件的路徑和仿真方式設置仿真的環(huán)境（后仿真時需設置）2023/6/7共79頁25Analyses菜單選擇模擬類型。Spectre的分析有很多種，如右圖，最基本的有tran（瞬態(tài)分析）dc（直流分析）ac（交流分析）。2023/6/7共79頁26tran（瞬態(tài)分析）2023/6/7共79頁27dc（直流分析）dc（直流分析）可以在直流條件下對temperature，DesignVariable，Component

Parameter，ModelParameter進行掃描仿真舉例:對溫度的掃描（測量溫度系數(shù)）電路隨電源電壓變化的變化曲線等2023/6/7共79頁28ac（交流分析）ac（交流分析）是分析電路性能隨著運行頻率變化而變化的仿真。既可以對頻率進行掃描也可以在某個頻率下進行對其它變量的掃描。2023/6/7共79頁29Variables菜單包括Edit等子菜單項。可以對變量進行添加、刪除、查找、復制等操作。變量（variables）既可以是電路中元器件的某一個參量，也可以是一個表達式。變量將在參量掃描（parametricanalysis）時用到。2023/6/7共79頁30其它有關的菜單項（1）Tools/ParametricAnalysis它提供了一種很重要的分析方法——參量分析的方法，也即參量掃描。可以對溫度，用戶自定義的變量（variables）進行掃描，從而找出最合適的值。2023/6/7共79頁31其它有關的菜單項（2）Outputs/Tobeplotted/selectedonschematicschematic子菜單用來在電路原理圖上選取要顯示的波形（點擊連線選取節(jié)點電壓，點擊元件端點選取節(jié)點電流），這個菜單比較常用2023/6/7共79頁32其它有關的菜單項（3）

Outputs/Setup當然我們需要輸出的有時不僅僅是電流、電壓，還有一些更高級的。比如說：帶寬、增益等需要計算的值，這時我們可以在Outputs/setup中設定其名稱和表達式。在運行模擬之后，這些輸出將會很直觀的顯示出來。舉個例子：標識3db的點，我們用到的表達式如下：bandwidth（VF(“/Out)，3，“l(fā)ow”）。

需要注意的是：表達式一般都是通過計算器（caculator）輸入的。Cadance自帶的計算器功能強大，除了輸入一些普通表達式以外，還自帶有一些特殊表達式，如bandwidth、average等等。

2023/6/7共79頁33Calculator的使用Calculator是一個重要的數(shù)據(jù)處理工具，可以用來仿真電源抑制比，相位裕度，共模抑制比2023/6/7共79頁34其它有關的菜單項（3）Results菜單2023/6/7共79頁35模擬結(jié)果的顯示以及處理在模擬有了結(jié)果之后，如果設定的output有plot屬性的話，系統(tǒng)會自動調(diào)出waveform窗口，并顯示outputs的波形，如左圖2023/6/7共79頁36分模塊模擬(建立子模塊)存在問題在電路越來越復雜的情況下，存在許多重復單元，如果花時間分別去建立schamatic，明顯會使工作更繁復。解決方案

我們在建立了一個子電路后，可以將其看作一個整體，建立一個模塊,即建立一個symbol（viewname），放在用戶自己庫里的作為一個器件(component)來用，這樣可以大大減小工作量、提高效率、簡化設計。2023/6/7共79頁37schematic和symbol圖在LibraryManager中分別建立cellview

的schematic(view)和symbol(view)，如下圖所示。兩者的Pin的名稱必須一致，這樣才能建立起一一對應的關系。2023/6/7共79頁38建立子模塊的方法1、直接建立在LibraryManager中新建cell，在彈出的窗口的Tool項選擇Composer-symbol,即建立的是symbol(view);用子菜單Add/Shape/Line和Add/Shape/Circle的命令畫出所需的形狀；用子菜單Add/label的命令添加標簽[@instanceName]；

用子菜單Add/PIn的命令添加管腳用子菜單Add/SelectionBox命令添加選擇框。2、間接建立打開cell的schematic(view)，用子菜單Design/CreateCellview/FromCellview命令。在彈出的窗口里輸入相應的名稱后，單擊OK2023/6/7共79頁39子模塊的調(diào)用在Schematic中點擊AddInstance。然后在Library中選中你的子模塊所在的library，cellview，symbol。這樣就可以調(diào)用你設計的子模塊了。2023/6/7共79頁40五、運算放大器仿真實例1、電路圖的輸入（共模反饋型運放），如下圖所示：2023/6/7共79頁412、建立Symbol圖2023/6/7共79頁423、仿真電路圖示意2023/6/7共79頁434、運放小信號仿真示例電源電壓Vdc=3.3V；交流信號源acm=1V；負載電容Cload=5pF；采用Spectre分析方式，選擇交流分析（ac），設置如下：SweepVariable：FrequencySweepRange：1Hz~100MHz仿真完成后，點擊Result->DirectPlot->ACGain&Phase

查看運放的幅頻特性和相頻特性

2023/6/7共79頁44仿真結(jié)果該運放直流增益為80.9dB，單位增益帶寬為82MHz，相位裕度為67.32deg。2023/6/7共79頁45相位裕度與負載電容的關系曲線仿真

1、設置相位裕度輸出，點擊Outputs->Setup其中運用了Candence函數(shù)PhaseMargin2023/6/7共79頁46相位裕度與負載電容的關系曲線仿真2、點擊Tools->ParametricAnalysis設置負載電容的掃描范圍和掃描步長，其中RangeType選擇From/To，StepControl選擇LinearSteps2023/6/7共79頁47相位裕度與負載電容的關系曲線仿真3、點擊ParametricAnalysis中的Analysis->Start得到相位裕度與負載電容的關系曲線如圖：2023/6/7共79頁485運放直流仿真示例目標：仿真輸出電壓與輸入電壓的變化曲線方法：采用直流仿真（dc）仿真參數(shù)設置

1、在仿真電路圖中將信號源的輸入電壓定義為變量Vin2、在仿真環(huán)境界面中選擇Variables->CopyFromCellview,將電路中設置的變量集中在DesignVariables欄中，初始化Vin和Cload變量，其中Vin=0V，Cload=5pF

2023/6/7共79頁493、設置dc仿真，其中SweepVariable選擇DesignVariable，在VariableName中填寫Vin，SweepRange選擇Start-Stop，Vin的掃描范圍為-1mV~1mV2023/6/7共79頁504、仿真結(jié)果（橫坐標為輸入電壓，縱坐標為輸出電壓）如圖我們可以看出：運放的輸出擺幅大約為-2.55V~2.55V2023/6/7共79頁516、瞬態(tài)仿真示例目標：通過仿真得到運放的擺率方法：運用瞬態(tài)仿真，輸入信號設置為電壓脈沖，觀察輸出電壓的變化情況參數(shù)設置：輸入信號源采用analoglib中的脈沖發(fā)生器vpwl，輸入電壓初始值為0V，在10ns~10.1ns跳變到4VTran仿真時間為100ns

在電路圖中選擇輸出變量，Outputs->ToBePlotted->SelectOnSchematic，在這里我們選擇輸入脈沖以及輸出電壓2023/6/7共79頁52仿真結(jié)果如圖我們可以計算得到：運放擺率SR=117V/us2023/6/7共79頁53附：Hspice

簡介Avant!Start－Hspice（現(xiàn)在屬于Synopsys公司）是IC設計中最常使用的電路仿真工具，是目前業(yè)界使用最為廣泛的IC設計工具，甚至可以說是事實上的標準。教材計算：采用Level2的MOSModelFoundry：Level49和Mos9、EKV等因此設計者除利用Level2的Model進行電路的估算以外，還一定要使用電路仿真軟件Hspice、Spectre等進行仿真，以便得到更精確的結(jié)果。

2023/6/7共79頁54Hspice的使用使用Hspice需要有hspicefile（*.sp），它的來源主要有以下兩種方式：（一）自己寫（二）由Cadence中的schematic文件得到2023/6/7共79頁55*.sp文件的生成（1）創(chuàng)建需要進行仿真的電路，設定好各項參數(shù)，包括激勵源的設置。2023/6/7共79頁56*.sp文件的生成（2）選擇Simulate/Directory/Host菜單仿真器選擇hspiceS選擇ModelPath菜單設置庫的路徑2023/6/7共79頁57*.sp文件的生成（3）選擇Analyses菜單下的choose項選擇仿真類型（tran）Simulation->Netlist->CreateFinalFile->SaveAs,輸入存放的全路徑2023/6/7共79頁58運行Hspice由于工作站版的Hspice沒有l(wèi)icense不能用，因此采用單機版的Hspice。版本是2002.2.22023/6/7共79頁59修改*.sp文件在進行Hspice仿真之前，還要對剛剛生成的*.sp文件進行修改，如圖所示，添加hspice的庫文件和仿真精度（ttffss

fs

sf）注意：庫文件的具體路徑要寫對，而且要是Hspice的庫POST必須加上2023/6/7共79頁60用Hspice進行仿真仿真查看錯誤信息波形查看器2023/6/7共79頁61AvanWaves波形觀察器2023/6/7共79頁62AvanWaves波形觀察器2023/6/7共79頁63

Ultrasim仿真技術傳統(tǒng)的SPICE模擬器(例如Spectre、PSPICE)有一些人所共知的局限性，例如模擬容量小(大約只能支持5萬有源器件)，對較大設計的模擬速度較慢。為了克服這些局限，Cadence推出了第三代SPICE模擬器，即所謂的FastSPICE模擬器，即Ultrasim模擬器，采用了電路劃分、多速率模擬和壓縮表模型等技術。2023/6/7共79頁64設定ultrasim仿真環(huán)境變量輸入source/opt/demo/ultrasim.env輸入icfb&2023/6/7共79頁65

Ultrasim仿真環(huán)境設置因為UltraSim已經(jīng)完全集成在Cadence的標準模擬電路仿真流程中，我們在搭建好點電路圖并且保存后，從Composer-schematic界面中的Tools→AnalogEnvironment項就可以打開ADE窗口2023/6/7共79頁66此時ADE窗口默認的仿真器Simulator為spetre，為了設置使用Ultrasim仿真器，點擊Setup→Simulator/directory/host，彈出對話框如圖6.31所示。選擇仿真使用的模型，在下圖Simulator中選擇UltraSim。2023/6/7共79頁67如同spetre仿真，在Setup→ModelLibrarySetup選擇模型文件的路徑，并填入仿真模型的工藝角類型。在Analyses菜單中可以選擇分析類型，從Analyses→Choose打開如圖窗口，選擇瞬態(tài)分析類型tran，tran的設置只需填入仿真停止時間即可。選擇是否保存直流工作點。2023/6/7共79頁68接下來選擇仿真所需要的精度和速度，如圖6.33所示，進入simulation菜單，選擇Option→Analog。2023/6/7共79頁69然后顯示如圖所示的simulationoption窗口，它有許多選項的設置，包括速度、精度、輸出、溫度，規(guī)模等等。下面將主要介紹一下四項仿真參數(shù)的設置，仿真模式、仿真速度、矩陣分割以及波形文件格式。2023/6/7共79頁701．仿真模式設置（SimulationMode）

SimulationMode中有6種模式，分別為DigitalFast（DF）、DigitalAccurate(DA)、MixedSignal（MS）、AnalogMultiRate(amr)、Analog（A）和Spice（S）。六種模式的精度依次升高，但是仿真速度依次降低。每種模式所利用的仿真模型也不完全相同，各種模式有相應的應用。下面將詳細介紹每種模式的應用、使用的模型以及仿真的目標精度。2023/6/7共79頁712023/6/7共79頁72DigitalFast(df)模式的目標精確度是相比之下S模式的10％以內(nèi)，為數(shù)字電路和存儲器的功能驗證而設計。這是通過使用MOSFET的數(shù)字非線性電流模型，MOSFET、MOSFET的擴散結(jié)和二極管固定電容模型來實現(xiàn)的。此分割算法用于提供高速仿真。DigitalAccurate(da)模式是用于數(shù)字電路和存儲器時序驗證、一些PLL和混合信號設計。此模式采用MOSFET的數(shù)字非線性電流模型和MOSFET擴散結(jié)、二極管的充電模型。此模式使用分割算法，目標模擬誤差小于5％。MixedSignal(ms)模式為模擬、混合信號和PLL的應用提供了所需的精確度。它采用分割算法和一個MOSFET的電流和充電，MOSFET的擴散結(jié)和二極管模擬的典型模型。此模式的目標精度在3％以內(nèi)。2023/6/7共79頁73AnalogMultiRate(amr)模式應用于那些過于敏感而不能使用MS模式模擬，或者過于復雜而不適用一個模式多速率行為應用。與一個模式相比，它具有的更高仿真速度是通過使用保守的模擬分區(qū)實現(xiàn)的，但