模拟电路仿真

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1、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（vl.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 v1.02003 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：模拟电路的仿真（vl.0）摘要： 摘要：本文介绍了模拟电路

2、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， cons tan t-wid th）: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 分析电路的频率响应、开环增益等等。在模拟电路仿真中，

3、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。1.1.2 交流分析 (ac) 交流分析主要用于分析电

4、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(vl.0)1.1.3 瞬态分析 (tran) 瞬态分析主要用于

5、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) PeriodicSteady-StateAnalysis(pss)S-ParameterAnalysis(sp) Time-Domain Reflectometer Analysis

6、(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Spec tre电路按照 Spectre 规定的语法进行描述，这个描述称为网表 （n e t lis t） 。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微电子技术有限公 司设计部 培训教程：培训教程：模拟电路

7、的仿真（vl.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.GLOBALvdd!simulatorlang=spectre*Filename: motorlib_V2_A_INV1_schematic.s. * Subcircuit for cell: V

8、2_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 语法的网表，要求电路原理图中只使用 analogLib 库中的元件。图

9、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（vl.0）仿真结 果可以用 ResultsBrowserh,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Calcula tor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限公 司设计部 培训教程：培训教程：模拟电路的仿真(vl.0) Cadence

10、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 Ar tis t1.3 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 Spectre 进行电路仿真时，建议使用单元的 spectre 和 spectreS 视图。常用元件

11、列与下表。单元名 rescapindnmos4pmos4diode 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(vl.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

12、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（vl.0）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

13、，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（vl.0）1.4 器件模型不同工艺的 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

14、义文件的部分内容，它定义了一个模型名 称（Model name）为“nmos ”的NM0S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 SubthMod= 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” ,

15、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（vl.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.l 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 作目录。注意,

16、 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/trainin g/analogsim/restart Please input where you want to setup :/export/home/casic/student Please wait OK u60a:/export/home/ca

17、sic/student/cd analogsim u60a:/export/home/casic/student/analogsimls -F cds.lib lib/ libManager.log models/ restart* simulation/u60a:/export/home/casic/student/analogsimicfb&LibarayManager 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

18、测试电路。以下所有操作都在analogsim库中进行。第 10 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（vl.0） 2.2第一步：绘制电路图以只读 只读方式打开analogsim库中的opamp单元的 schema tic视图，观察其结构。只读 单击选中PMOS管Ml,“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“hpOn

19、s.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。 opamp_tb单元的电路图中，Ul, 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。V是analogL

20、ib库中的vdc单元，为整个电路供电， 其参数仅需设置“DCVolatage” 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。其参数设置 如下图所示。V1会产生如图十二所示的电压波形。第 ll 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(vl.0)图十一、V1的参数设置V lV(Time l, Voltage l) (Time 2, Voltage 2)0.1V 0图十二、V1产生的波形100ust第 l2 页 共 25 页北京中科微电子技术有限公司北京中科微电

21、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(vl.0) 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“T0m V”外，其余于V2设 置相同。图十三、V2的参数设置第 l3 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（vl.0）2.3

22、 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Analog Ar tist。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“spec treS ”项。Project Direc tory :这里指定存放的仿真数据 如电路网表、仿真结果等的目录

23、。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、仿真目录第 14 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（vl.0）然后执 行菜单命令 “Setup-Environment ”弹出“EnvironmentOptions” 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。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

24、含了模型文件也即nmos.m, hp0ns.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：#include/export/home/casic/student/analogsim/models/hp0ns.m #include/export/home/casic/student/analogsim/models/nmos.m 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 文件第 15 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

25、教程：培训教程：模拟电路的仿真（vl.0）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） 个参数，如图十六所示。然 后选中“Enabled” 选项即可。图十六、设置瞬态分析第 16 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（vl.0）

26、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、设置交流分析第 17 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（vl.0）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 Ul 的输入信号 Vin 和 输出Vout，并作出同相比例运

27、放的输入一闭环增益曲线。执行“Ou tput s-To Be Plo tt ed-Selec t On Schema tic ” 命令，Analog Artist 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 Plo tt ed ”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-T

28、o 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 Saved”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。第 18 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（vl.0）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，

29、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的显示第 19 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（vl.0） Analog 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

30、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：VT(/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。

31、最后单击Calculator的波形。结果 如图二十四所示。按钮(erase plot)，在Waveform中绘制上述 表达式的第 20 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 栏第 21 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

32、真(v1.0)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(/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、运放的幅频响应第 22 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)同样， 绘制表达式

33、phase(VF(/Vac)-phase(VF(7V+)-VF(7V-)的 波 形即可得到运放的相频特性。如所示。图二十七、运放的相频响应第 23 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（vl.0）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，可以参考以下文档。Openbook 中的模拟电路设计相关文档Analog Artist Simulation Hel

34、p Analog Artist Microwave Design Help Analog ArtistMixed-Signal Simulation Help Analog Artist Parametric Analysis Help Analog Artist Substrate Coupling Analysis （SCA） Help Analog Artist SKILL Functions Reference Analog Artist Tutorial: Switched Capacitor Design Analog Expression Language Reference C

35、adence SPICE Reference Component Description Format User Guide Functional Block Library Reference HSPICE/SPICE Interface and SPICE 2G.6 Reference Spectre Reference Spectre User Guide SpectreHDL Reference SpectreRF Help Switched Capacitor Design System Help Verilog-A Reference第 24 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（vl.0）4 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 优化第 25 页 共 25 页1