Hspice应用讲解.docx
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Hspice应用讲解
Hspice应用讲解
Hspice应用讲解
Hspice是一种通用电路分析程序，可用来进行集成电路和电子线路的分析模拟。
它可以用来分析电路的非线性直流特性，线性交流小信号特性，非线性瞬态特性，温度特性等。
其中，直流分析（.DC）不光可进行直流转移特性分析，还可进行直流工作点（.OP），直流小信号传输特性（.TF），直流小信号灵敏度（.SENS）分析；在进行交流分析（.AC）的同时还可进行噪声特性（.NOISE）和失真特性（.DISTO）分析；在进行瞬态分析（.TRAN）的同时还可进行傅立叶（.FOUR）分析；进行温度特性分析（.TEMP）以求得电路的温度特性。
在进行交流分析和瞬态分析前先进行直流分析，以决定其非线性组件的线性化小信号模型和其初始条件。
Hspice输入描述文件格式：
标题语句
组件语句
模型语句
和复杂性没有限制，并允许其包含其它子电路。
在电路中不能包括短路的电压源和电感，开路的电流源和电容，电路中的每个节点都不能悬空。
控制语句是控制程序的运行和规定分析及输出的内容。
如温度语句，工作点分析语句，交流分析语句，瞬态分析语句，打印语句，绘图语句和可选项语句等。
Hspice的每条语句都有若干个字段，字段之间由空格或符号隔开，多余的空格将被忽略，字段内不能随意加空格，即字段不能断开。
字段可以是字符段或数字段，字符段必须以字母开头，长度不超过8个字符，多余的字符将被忽略，且由用户定义的字符段中不能包括Hspice输入描述语言中已定义的字符段（即保留字）；数字段可以为整数或浮点数，其后可直接跟下列比例因子：
K=1E3，MEG=1E6，G=1E9，T=1E12，
M=1E-3，U=1E-6，N=1E-9，P=1E-12，F=1E-15，MIL=25.4E-6
比例因子必须紧跟在数字后面，不是比例因子的字母及比例因子之后的字母均被忽略。
如一个语句一行写不完，可在下一行接着写，该行称为续行，续行的第一列必须是“+”号，续行数没有限制。
Hspice模拟仿真流程：
N
Y
N
Y
N
Y
Y
N
Hspice输出文件类型如下表：
输出文件类型
扩展名
列表输出，其内容包括仿真所用的名字和版本；Meta-Software单元信息；输入文件名；使用者名；注册资料；拷贝的输入网点文件；节点计算；操作点参数；每个source和sub-circuit的电压降，电流，功耗的详细情况；由.PLOT语句产生低分辩率图表；.PRINT语句结果；.OPTIONS语句结果。
.lis，或使用者指定
瞬态分析结果，它包含瞬态分析的资料结果，是在输入文件同时有.TRAN和.OPTIONPOST语句时产生的一个分析记录文件。
.tr#+
瞬态分析测量结果，它是.MEASURETRAN语句分析结果。
.mt#
DC分析结果，包含其使用的步长或在.DC语句中定义的扫描频率下的分析结果，包括噪声，失真或网络分析。
.sw#+
DC分析测量结果，它是.MEASUREDC语句分析结果。
.ms#
AC分析结果，包含一个频率功能的输出变量列表，符合其后的.AC语句的使用者规格。
.ac#+
AC分析测量结果，它是.MEASUREAC语句分析结果。
.ma#
硬拷贝图表资料（从meta.cfgPRTDEFAULT）
.gr#++
数字输出，包含从U单元A2D转换选项得到的转换数字数据。
.a2d
FFT分析图表数据，包含显示FFT分析波形的图表数据。
.ft#+++
分支电路交叉列表，它说明了在符合分支电路定义下调用的分支电路节点名。
.pa#
输出情况，包含运行时间结果：
每个CPU状态的开始和结束时间；废弃的选择项设置警告；预先检查注册资料，输入语法，模型和电路拓扑结构的情况；对困难电路使用的Hspice收敛方法。
.st#
操作点节点电压（初始状态），对于.SAVE语句。
.ic
注意：
#表任一扫描编号或硬拷贝文件编号。
+只有在使用.POST语句产生图表数据才会生成。
++需要.GRAPH语句或在meta.cfg文件中有一文件输出指针。
在PC版的
Hspice中此文件不能产生。
+++只有在使用.FFT语句才会生成。
Hspice基本组件描述：
在下列描述中，“[]”内的域为可选项，其余的域为必须的；name1，name2为可选的字符串，字符串最多可有八个字符（包括首字符），但其中不能出现分隔符（如空格，等号，逗号等）。
1．电阻：
RnameN1N2value[TC=TC1[，TC2]]
R为关键词，N1，N2为与电阻相连的两节点的节点号，电阻值可为正值或负值，其单位为欧姆。
TC1，TC2为电阻的温度系数，电阻值按下式随温度而变化：
R（T）=R（TD）·（1+TC1·（T-TD）+TC2·（T-TD）2）
当两可选参数TC1，TC2未给出时，程序将自动赋零。
T0为标称温度，可由.OPTIONS控制语句进行修改。
2．电容：
CnameN+N-[PLOY]value[C1[C2…]][IC=v]
C为关键词，N+，N-表电容的正负节点，可选项PLOY表示该电容是一个随电压变化的非线性电容，其值可由下式求得：
C（V）=value+C1·V+C2·V2+…+Cn·Vn，其中n≤20。
[IC=]项为初始条件项，其作用将视瞬态分析语句中是否有UIC（UseInitialCondition）关键词而不同：
若瞬态分析语句中有UIC项，则进行瞬态分析时，将以IC项所给值作为该组件的瞬态分析初始条件。
3．电感：
LnameN+N-[PLOY]value[L1[L2…]][IC=i]
L为关键词，N+，N-表电感的正负节点，电流从正节点流到负节点。
可选项PLOY表示该电感是一个随电流变化的非线性电感，其值可由下式求得：
L（V）=value+L1·I+L2·I2+…+Ln·In，其中n≤20。
[IC=]项为初始条件项，其作用将视瞬态分析语句中是否有UIC（UseInitialCondition）关键词而不同：
若瞬态分析语句中有UIC项，则进行瞬态分析时，将以IC项所给值作为该组件的瞬态分析初始条件。
4．互感：
Kname1Lname2Lname3value
K为关键词，Lname2和Lname3为两个耦合电感名，耦合系数的取值范围为大于0小于1，每个电感的第一个节点作为同名端。
5．传输线：
TnameN1N2N3N4Z0=valueTD=val2[F=freq[NL=nlen]]+[IC=v1，i1，v2，i2]
T为关键词，N1，N2是埠1的两个节点，N3，N4是埠2的两个节点。
Z0为特性阻抗值，TD为传输延迟值，F为频率，NL相当于在频率F时传输线波长的归一化电学长度。
如指定F而省去NL，则NL缺省值为0.25。
传输线的传输延迟值必须以下列两种方法中的一种输入：
1）.直接给出TD值；
2）.由F和NL两项求出，即TD=NL/F。
v1，i1，v2，i2分别为埠1和端口2的电压，电流的初始值。
6．线性和非线性受控源：
Hspice包含四种线性和四种非线性受控源，它们分别为：
．线性电压控制电流源：
I=G·V，GnameN+N-NC+NC-value
．线性电压控制电压源：
V=E·V，EnameN+N-NC+NC-value
．线性电流控制电流源：
I=F·I，FnameN+N-Vnamevalue
．线性电流控制电压源：
V=H·I，HnameN+N-Vnamevalue
G，E，F，H分别为跨导，电压增益，电流增益和互阻因子。
N+，N-分别为受控
源的正负节点，NC+，NC-分别为控制电压源的正负节点，Vname为控制电流所流
过的电压源的名称，语句中的value值分别为各受控对应的跨导值，电压增益值，电流增益值和互阻因子值。
Hspice允许以一组多项式系数来描述非线性受控源，并且控制变量可以是多维的，维数与系数的数目没有限制，但系数的意义随维数的不同而改变。
其语句格式为：
．非线性电压控制电流源：
Gname n+ n- POLY（nd）nc1+ nc1-…ncnd+
ncnd- P0[P1…][IC=控制电压初值]
．非线性电压控制电压源：
Ename n+ n- POLY（nd）nc1+ nc1-…ncnd+
ncnd- P0[P1…][IC=控制电压初值]
．非线性电流控制电流源：
Ｆname n+ n- POLY（nd）Vname1…Vnamend
P0[P1…][IC=控制电压初值]
．非线性电流控制电压源：
Ｈname n+ n- POLY（nd）Vname1…Vnamend
P0[P1…][IC=控制电压初值]
n+，n-为受控源的正负节点，POLY为非线性受控源关键词，nd为控制变量维数，nc1+，nc1-…ncnd+，ncnd-分别为nd个控制电压源的正负节点，Vname1…Vnamend分别为nd个控制电流所流过的电压源的名称，P0，P1…是多项式的系数。
初始条件IC项给出受控源的初始条件，计算时将先使控制变量取IC项所给值，求电路的直流工作点；收敛后继续迭代，再求出控制变量的最终精确解。
若不给IC项，则控制变量的初始值为零。
以电压控制电压源为例，如控制电压为一维的，则受控电压为：
V（VX）=P0+P1VX+P2VX2+P3VX3+…+PnVXn；
如控制电压为二维的，则受控电压为：
V（VX，Vy）=P0+P1VX+P2Vy+P3VX2+P4VXVy+P5Vy2+P6VX3+P7VX2Vy+P8VXVy2+P9Vy3+…
如控制电压为三维的，则受控电压为：
7．独立电压源和电流源：
VnameN+N-[[DC]value][ACmagval[phaseval]]
+[PULSE（v1v2[td[tr[tf[pw[per]]]]]）]
or[SIN（vova[freq[td[kd]]]）]
or[EXP（v1v2[td1[t1[td2[t2]]]]）]
or[PWL（t1v1t2v2…tnvn）]
or[SFFM（vovafreq[mdi[fs]]）]
or[AM（vovafreq[fs[td]]）]
或InameN+N-[[DC]value][ACmagval[phaseval]]
+[PULSE（i1i2[td[tr[tf[pw[per]]]]]）]
or[SIN（ioia[freq[td[kd]]]）]
or[EXP（i1i2[td1[t1[td2[t2]]]]）]
or[PWL（t1i1t2i2…tnin）]
or[SFFM（ioiafreq[mdi[fs]]）]
or[AM（ioiafreq[fs[td]]）]
V和I为独立电压源和电流源的关键词，N+和N-为电源的正负节点，这里规定电
流源的方向是从正节点经电源内部流向负节点。
一个独立源，可以同时给出三种分析类型的信号源值，上面第一个选择项为电源
的直流值，第二个选择项为交流资料，第三个选择项为瞬态资料。
程序在作不同
的分析时，将取相应的信号源资料。
若作直流分析，取直流常数值；若作交流分
析，独立源被视为由振幅和相位所描述的正弦小信号（频率即为交流分析频率）；
当作瞬态分析时，则用随时间变化的瞬态资料（也可能是常数）；直流和瞬态分析
可用同一值描述，如值随时间变化，则取t=0的值作直流分析。
DC为直流信号的关键词，如直流值为零也可省略不写。
模拟时可用零值电压源表
电流表，因每个电压源和电流值都将被打印。
AC为交流信号的关键词，交流信号的振幅和相位的缺省值分别为“1”和“0”。
当电路中只有一个交流信号输入时，交流信号的振幅通常设为1，以便求得电路的
增益。
注意，Hspice中相位的单位为度。
瞬态分析所需的信号源的值是随时间而变化的，随时间变化的关系可以是下列六
种形式之一：
．脉冲信号源：
PULSE（val1val2tdtrtfpwper）
脉冲信号参数的意义及其缺省值如表1所示，表中tstep和tstop分别是瞬态分
析的时间步长和时间终值，它们均由.TRAN语句定义。
脉冲信号源一个周期内的信号值由表2决定，中间时间点上的信号值由输入
值的线性插值法求得。
参数
描述
缺省值
单位
val1
初始值
V或A
val2
脉冲值
V或A
td
延迟时间
0
s
tr
上升时间
tstep
s
tf
下降时间
tstep
s
pw
脉冲宽度
tstop
s
per
周期
tstop
s
时间
数值
0
val1
td
val1
td+tr
Val2
td+tr+pw
Val2
td+tr+pw+tf
val1
td+per
val1
表1表2
脉冲信号源的波形如下图所示：
V
val2
0t
val1
tdtrpwtf
per
．正弦信号源：
SIN（offampfreqtdkdph）
正弦信号参数的意义及其缺省值如表1所示，正弦信号源的值由表2决定。
参数
描述
缺省值
单位
off
直流偏置
V或A
amp
幅度
V或A
freq
频率
1/tstep
Hz
td
延迟时间
0
s
kd
阻尼因子
0
1/s
ph
相位延迟
0
°（度）
表1
时间
数值
0~td
off+amp*SIN（2*∏*ph/360）
td~
off+amp*EXP（td*kd-t）*SIN{2*∏*[freq*（t-td）+ph/360]}
表2
正弦信号源的波形如下图所示：
V
amp由kd决定的衰减包络线
off
-amp
tdperper=1/freq
0t
．指数信号源：
EXP（val1val2td1t1td2t2）
指数信号参数的意义及其缺省值如表1所示，指数信号源的值由表2决定。
参数
描述
缺省值
单位
val1
初始值
V或A
val2
脉冲值
V或A
td1
上升延迟时间
0
s
t1
上升延迟时间常数
tstep
s
td2
下降延迟时间
td1+tstep
s
t2
下降延迟时间常数
tstep
s
表1
时间
数值
0~td1
val1
td1~td2
val1+（val2-val1）*{1-EXP[（td1-t）/t1]}
td2~
val1+（val2-val1）*{1-EXP[（td1-td2）/t1]}*EXP[（td2-t）/t2]
表2
指数信号源的波形如下图所示：
V
val2
t1t2
0t
val1
td1
td2
．分段线性化信号源：
PWL（t1val1t2val2…tnvaln）
t1，t2，…，tn为时间点，val1，val2，…，valn为对应时间点的信号源值，ti和ti+1之间的数值是由vali和vali+1用插值法求得。
分段线性化信号源的波形如下图所示：
Vval3val4
val1val2val5val6
0t1t2t3t4t5t6t
．调频信号源：
SFFM（offampfcarmdindfsig）
调频信号参数的意义及其缺省值如表1所示。
参数
描述
缺省值
单位
off
直流偏置
V或A
amp
载波幅度
V或A
fcar
载波频率
1/tstop
1/s
mdind
调制系数
0
fsig
信号频率
1/tstop
1/s
表1
调频信号源的值由下式决定：
value=off+amp*SIN[2*∏*fcar*t+mdind*SIN（2*∏*fsig*t）]
调频信号源的波形如下图所示：
V
amp
off
-amp
fsigfcar
0t
．调幅信号源：
AM（ampofffmodfcartd）
调幅信号参数的意义及其缺省值如表1所示。
参数
描述
缺省值
单位
amp
载波幅度
0
V或A
off
直流偏置
0
V或A
fmod
调制频率
1/tstop
1/s
fcar
载波频率
0
1/s
td
延迟时间
0
1/s
表1
调幅信号源的值由下式决定：
value=amp*{off+SIN[2*∏*fmod*（t-td）]}*SIN[2*∏*fcar*（t-td）]
调幅信号源的波形如下图所示：
V
amp
fmod
fcar
0t
-amp
tdfcar
8．二极管：
Cnamen+n-modname[area][OFF][IC=icval]
C为关键词，n+，n-是正负节点，modname为模型名，它必须在.MODEL语句中
进行说明。
area为面积因子，为一无量纲的数，表示器件面积与模型语句中定义
的“单位面积”器件的面积比值，与面积有关的模型参数将乘以或除以这个面积
因子。
OFF项可帮助实现直流收敛，其作用是将器件作截止处理，迭代收敛后再
使器件正常工作，继续迭代求得精确解。
如.TRAN分析语句中有UIC项，那么IC
参数的值icval则为瞬态分析的初始条件。
9．晶体管：
Qnamencnbne[ns]modname[area][OFF][IC=Vbe，Vce]
Q为关键词，nc，nb，ne分别表晶体管的集电极，基极和发射极，ns表衬底节点，
缺省时则认为它是接地的。
其余modname，面积因子“area”，关键词“OFF”，
初始条件“IC=”项等的意义如前所述。
10．结型场效应管：
Jnamendngnsmodname[area][OFF][IC=Vds，Vgs]
J为关键词，nd，ng，ns分别表结型场效应管的漏极，栅极和源极节点，其余
各项的意义如前所述。
11．MOS管：
Mnamendngnsnbmodname[L=lval][W=wval]
+[AD=adval][AS=asval][PD=pdval][PS=psval][NRD=nrdval]
+[NRS=nrsval][OFF][IC=Vds，Vgs，Vbs]
M为关键词，nd，ng，ns，nb分别表MOS管的漏极，栅极，源极和衬底节点。
L和W分别为沟道长度和宽度，缺省值为100U。
AD，AS分别为漏极和源极扩散区面积，缺省值为0。
PD，PS分别为漏极和源极扩散区周长，缺省值为0。
NRD，NRS分别为漏极和源极扩散区等效方块面积数目，缺省值为1。
其中，L，W，AD，AS这四个参数均能通过.OPTIONS语句进行修改。
Hspice子电路描述语句：
在Hspice中，可以把电路中重复出现的相同单元定义为“子电路”，作为“宏模块”重复调用，从而使Hspice的电路描述更加简洁明了。
子电路与外部电路相联系的节点称为子电路的外部节点，只在子电路内部使用的节点称为子电路的局部节点。
局部节点只在子电路内部有效，因此局部节点的节点号可以与调用该子电路的主电路的节点号相同。
只有接地节点例外，因其无论对于子电路还是对于主电路，它都是接地点或参考节点。
子电路的描述以子电路定义语句开头，然后是一组描述这个子电路的描述语句，最后是结束语句。
子电路中可以直接调用主电路中描述的模型语句，也可以有自己的模型语句，还可以再定义和调用子电路（即“嵌套”），但不可出现其它控制语句。
子电路中的模型语句和嵌套子电路都是局部的，即只在子电路内部有效，外部不能调用。
1．子电路定义语句：
．SUBCKTsubnamen1[n2n3…]
subname是用户给予电路起的名字，n1，n2，n3…是子电路的外部节点。
．SUBCKT语句后是一组描述子电路的语句，这些语句可以是基本电路器件描述语句，独立电压源和电流源语句，半导体器件描述语句以及模型语句，还可以是对其他子电路的调用语句，但不能是控制语句。
子电路描述的最后一个语句是结束语句。
2．结束语句：
．ENDSsubname
如给出子电路名（subname），就表示结束subname子电路的描述，否则表示结束所有子电路的描述。
3．子电路的调用：
XnameN1[N2N3…]subname
子电路每次被调用时，都需给它赋一个标识符Xname，子电路的标识符必须以字
符X打头。
N1，N2，N3…是主电路的节点，通过它们与子电路相连，因此N1，
N2，N3…必须与子电路的外部节点一一对应。
Hspice的控制语句：
1．分析类型语句：
．直流分析：
．直流分析语句：
．DCvar1start1stop1incr1[var2start2stop2incr2]
或．DCvar1start1stop1incr1[SWEEPvar2typenpstart2stop2]
或．DCvar1typenpstart1stop1[SWEEPDATE=datenm]
或．DCDATE=datenm[SWEEPvar2start2stop2]
或．DCDATE=datenm
或．DCvar1typenpstart1stop1[SWEEPMONTE=val]
或．DCMONTE=val
或．DCDATE=datenmOPTIMIZE=optRESULTS=meaMODEL=optmod
或．DCvar1start1stop1SWEEPOPTIMIZE=optRESULTS=mea
MODEL=optmod
直流分析语句将完成对一个电路
升级会员 