模拟电路的仿真.docx

1、模拟电路的仿真文档标识模拟电路的仿真版本v1.0文档类别设计部内部资料完成日期2003年7月24日文档状态修改中、已完成制作人冯翰雪文档编号培-001备注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

2、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

3、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。1.1.2 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。1.1.3 瞬态分析 (tran)瞬态分析

4、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-Domain Reflectometer Analysi

5、s (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* sch

6、ematic/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_schematic.s.* Subcircuit for cell: V2_A_INV1.* Generated for: spectreS.* Generated on Jul 24 21:59:27 2003.m1 (z

7、n i 0 0) nmos w=3.6e-6 l=1.2e-6 m=1.0 m0 (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C

8、aculator，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CalculatorCadence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

9、元件的参数。在用Spectre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。单元名说明主要参数res电阻阻值cap电容电容值、初值ind电感电感值、初值nmos4NMOS管模型名、宽、长、倍数pmos4PMOS管模型名、宽、长、倍数diode二极管模型名、结面积、倍数gnd地线符号vdd电源符号图七、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, pmos4rr1 (v_rc 0) resisto

10、r r=10e3 m=1.0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：图九、电阻的属性对话框除了基本元器件外，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。单元名说明主要参数vdc直流电压源直流电压；交流幅度、相位。（常用作电路电源）vpulse脉冲信号源高低电平电压值、脉冲宽度、脉冲周期vsin正弦信号源幅度、频率、相位、偏置电

11、压vpwl分段线性信号源时间电压对数目、（时间、电压）1.4 器件模型.model nmos NMOS+Level= 10+Tref=27.0+Npeak= 4.3007E+16 Tox=2.10000E-08 Xj=3.00000E-07+dl= 2.00000E-07 dw= 5.00000007450581E-08+SatMod= 2 SubthMod= 2+BulkMod= 1+Vth0= .7030622 Phi= .7705066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

12、名称（Model name）为“nmos”的NMOS管模型。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。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。首先建立工作环境。执行/export/home/casic/training/analogsim/restart脚本，指定工

13、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。u60a:/export/home/casic/student/export/home/casic/training/analogsim/restartPlease input where you want to setup :/export/home/casic/studentPlease wait . OK u60a:/export/home/casic/student/cd analogs

14、imu60a:/export/home/casic/student/analogsimls -Fcds.lib lib/ libManager.log models/ restart* simulation/u60a:/export/home/casic/student/analogsimicfb&命令列表如下，其中粗体部分为用户的输入。Libaray Manager中有四个库，如图七所示。analogLib, basic, cdsDefTechLib是Cadence的基本参考库。analogsim库中包含两个单元：opamp和opamp_tb。前者是一个简单的运放；后者是该运放的测试电路。以

15、下所有操作都在analogsim库中进行。2.2 第一步：绘制电路图以只读方式打开analogsim库中的opamp单元的schematic视图，观察其结构。单击选中PMOS管M1，“Q”键打开它的属性对话框，如下图所示。图十、M1的属性对话框从M1的属性对话框中可见，它是analogLib库中的pmos4单元；宽长比是48/2.4；它的模型名是“hp0ns”。名为“hp0ns”的PMOS管是在models/目录下名为“hp0ns.m”的文件中定义的。另外，该目录下的“nmos.m”文件定义了NMOS管模型“nmos”。然后关闭opamp单元的电路图，打开opamp_tb单元的电路图。opam

16、p_tb单元的电路图中，U1, U2两个单元是前面查看得opamp单元的实例。U1和电阻构成一个同相比例运放，闭环增益为5倍，它用于演示瞬态分析的方法。而U2输入差分正弦小信号，用于演示交流分析的方法。在Composer中可以直接为电路加上输入激励，这些激励用analogLib库中的相关单元源产生。opamp_tb单元的电路图中已经设置好这些激励元件的参数，可以逐项查看一下以下各项参数。 V0是analogLib库中的vdc单元，为整个电路供电，其参数仅需设置“DC Volatage”一项，这里设为“5 V”。 V1是analogLib库中的vpwl信号源，用于产生同相比例运放的输入信号。其参

17、数设置如下图所示。V1会产生如图十二所示的电压波形。图十一、V1的参数设置图十二、V1产生的波形 V2, V3也是vdc单元，它们为运放U2设置输入偏置、提供差分输入信号。其中V2的参数设置如下图。这里设置了“DC Voltage”作为输入偏置电压，在进行交流分析之前，仿真器用该值计算电路的直流静态工作点；而“AC magnitude”项是交流分析时输入的交流小信号的幅度。V3除“AC magnitude”项为“-10m V”外，其余于V2设置相同。图十三、V2的参数设置2.3 第二步：设置仿真环境执行Composer的菜单命令“Tools-Analog Artist”即可直接打开集成开发环境

18、Analog Artist。所有仿真环境直接在Analog Artist中设置。首先选择后端的模拟器。执行Analog Artist的菜单命令“Setup-Simulator/Directory /Host .”将出现如图十四所示的对话框。在该对话框中可以设置： Simulator：这里选用Cadence Spectre作为后台运行的模拟器，选择“spectreS”项。 Project Directory：这里指定存放的仿真数据如电路网表、仿真结果等的目录。建议如图设置。 Host Mode：因为Spectre在本机运行，故选择“local”项。图十四、设置仿真器、仿真目录然后执行菜单命令“S

19、etup-Environment .”弹出“Environment Options”对话框。这里需要设置“Include/Stimulus File Syntax”和“Include File”两项内容。如图十五所示。#include /export/home/casic/student/analogsim/models/hp0ns.m#include /export/home/casic/student/analogsim/models/nmos.m这一步设置主要是为了指定模型文件的路径。在文件“/analogsim/models/ inc.v”中包含了模型文件也即nmos.m, hp0ns

20、.m两个文件的路径（前面“预备工作”中执行的setup.sh脚本即用于自动生成inc.v文件），其内容类似如下：该文件中的内容将被合并到最终电路网表文件中，传送给Spectre进行仿真。图十五、设置Include文件2.4 第三步：选择分析类型Analog Artist中在菜单命令“Analyses-Choose .”弹出的“Choose Analyses”对话框中选择分析类型。各种分析类型最下方都有一个“Enabled”选项：，选中后即进行相应的分析。下面仅以瞬态分析和交流分析为例。一般情况下，瞬态分析仅需设置结束时间（Stop Time）一个参数，如图十六所示。然后选中“Enabled”选

21、项即可。图十六、设置瞬态分析交流分析的设置如图十七所示。为了绘出运放的频率响应，选择扫描变量（Sweep Variable）为“Frequency”，然后设置扫描范围10500MHz，最后选中“Enabled”选项。图十七、设置交流分析2.5 第四步：指定观测数据使用“Outputs”菜单下的命令选择观测数据，如图十八所示。图十八、Analog Artist的Outputs菜单首先我们进行瞬态分析仿真，观测运放U1的输入信号Vin和输出Vout，并作出同相比例运放的输入闭环增益曲线。执行“Outputs-To Be Plotted-Select On Schematic”命令，Analog A

22、rtist自动把电路图抬到前台，这时用鼠标点击电路图中的线网则观测该线网上的电压，点击元件的端口则观测该端口流过的电流（如图十九所示）。图十九、观测端口电流这里仅需点击一下“Vin”和“Vout”两个线网。选择完毕以后按“Esc”键退出命令。“To Be Plotted”命令将把选中数据的仿真波形直接显示到Waveform中。然后选择交流分析所需的数据，观测U2的频率响应，绘制幅频响应和相频响应。执行“Outputs-To Be Saved-Select On Schematic”命令，单击电路图中线网“V+”“V-”“Vac”。因为不需直接绘出这三个信号的仿真波形，所以只用“To Be Sa

23、ved”命令保存仿真结果。所有被选择的观测数据列于Analog Artist的Outputs栏内，如下图所示。图二十、Analog Artist的Output栏2.6 第五步：瞬态分析仿真至此可以运行仿真了。首先只进行瞬态分析：选中图十六中的“Enabled”选项，不选中图十七中的“Enabled”选项。Analog Artist的Analyses栏如图二十一所示。图二十一、Analog Artist的Analyses栏然后执行菜单命令“Simulation-Run”，在icfb的信息窗口会显示仿真过程信息，仿真完成后icfb显示类似于图二十二。图二十二、仿真结束后ICFB的显示Analog

24、Artist会自动弹出Waveform窗口，绘制前面“To Be Plotted”命令选择的数据的仿真波形，如图二十三所示。图二十三、瞬态分析的仿真波形为了得到同相比例运放的增益曲线，需要使用Calculator工具（如图五所示）。执行Analog Artist菜单命令“Tools-Calculator”打开Calculator。首先执行一下Calculator的菜单命令“Options-Set Algebraic”，该命令将表达式格式设置成代数形式，Calculator默认使用RPN (Reverse Polish Notation)表达式。然后在Calculator上方的输入框中输入： V

25、T(/Vout)/VT(/Vin) 。其含义是瞬态分析电压值Vout和Vin之比随时间的变化关系。最后单击Calculator的按钮（erase plot），在Waveform中绘制上述表达式的波形。结果如图二十四所示。图二十四、运放闭环增益2.7 第六步：交流分析仿真下面仿真运放的频率响应。设置只进行交流分析，Analog Artist的Analyses栏如下所示。图二十五、Analog Artist的Analyses栏然后选择Analog Artist菜单命令“Simulation-Run”运行仿真。待仿真完成后打开Calculator，输入如下表达式： dB20(VF(/Vac)/(VF

26、(/V-)-VF(/V+) 。该表达式的含义是交流分析电压值Vac与差分输入(V-V+)之比（取分贝值）随频率的变化关系，最后单击Calculator的“erplot”按钮，即可绘制出运放的频率响应的波特图，如图二十六所示。图二十六、运放的幅频响应同样，绘制表达式 phase(VF(/Vac)-phase(VF(/V+)-VF(/V-) 的波形即可得到运放的相频特性。如所示。图二十七、运放的相频响应3 小结本教程中，我们介绍了模拟仿真的基本概念，包括分析类型、Cadence的相关工具、analogLib库等等。并以分析运放的闭环增益和频率响应为例，介绍了模拟仿真的流程。关于模拟仿真进一步的知识

27、，可以参考以下文档。Openbook中的模拟电路设计相关文档Analog Artist Simulation HelpAnalog Artist Microwave Design HelpAnalog Artist Mixed-Signal Simulation HelpAnalog Artist Parametric Analysis HelpAnalog Artist Substrate Coupling Analysis (SCA) HelpAnalog Artist SKILL Functions ReferenceAnalog Artist Tutorial: Switched Ca

28、pacitor DesignAnalog Expression Language ReferenceCadence SPICE ReferenceComponent Description Format User GuideFunctional Block Library ReferenceHSPICE/SPICE Interface and SPICE 2G.6 ReferenceSpectre ReferenceSpectre User GuideSpectreHDL ReferenceSpectreRF HelpSwitched Capacitor Design System HelpVerilog-A Reference4 高级话题 数模混合仿真 Netlist for Hspice 高级分析类型 寄生参数分析 Monte Carlo分析 优化