HSPICE 簡介 SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) 原先的目的是為了電子系統中積體電路 之模擬與設計而發展的軟體. 目前成為微 電子領域中電腦輔助電路分析的標準.

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1 HSPICE 簡介 SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) 原先的目的是為了電子系統中積體電路 之模擬與設計而發展的軟體. 目前成為微 電子領域中電腦輔助電路分析的標準

2 序論 1. 熟悉所設計電路的功能 2. SPICE 之外所需的基本概念 3. 了解電路元件參數與架構對各項電路特性的相關性， 以利模擬結果的改進 4. 了解元件的基本特性 5. 了解電路的輸入信號特性 6. 了解電路各項規格的相依性及優先程度 7. 了解需要驗證的電路規格及對應的模擬種類及電路組 態

3 類比設計 自然信號的處理 自然界發生的信號為類比信號, 例如麥克風產生數十微 伏特的電壓, 地震感應器之輸出電壓範圍數豪伏特.. 等等, 所有信號最後都必須以數位形式進行, 這些信號處理中 可以觀察到每一系統都由一個類比數位轉換器 (ADC) 和 一個數位信號處理器 (DSP) 所組成

4 實際上, 若直接由 ADC 將自然界信號數位化, 其信號強度大 小可能非常小, 而且不想要的頻帶干擾也會出現, 因此由下 圖可以看到, 利用放大器提高信號準位, 濾波器抑制干擾, 所 以高效能的放大器及濾波器的設計顯得十分重要 加入放大器及濾波器提高靈敏度 濾波器 放大器

5 Transmission Line Signal Intergrity Photocurrent Radiation Effects Circuit Cell Optimization Monte Carlo Worst Case Analysis Cell Characterization Incremental Optimization HSPICE 功能

6 核心特色 最佳化功能 (Optimization) 元件最佳化： 目的是在萃取及求出元件 SPICE 模 型參數，經比較測量值與模擬值誤差大小，而得 到最佳化之參數集。 電路最佳化：在給定設計規格為最佳化目標，調 整元件之大小到最接近目標之結果。

7 在層次化設計 (hierarchical design) 過程中，取 得各階段 ( 如開關或電晶體層次 ) 所處理信號的 一致性 (signal integrity) 是保護電路設計成功之 依據。 核心特色 由於深次微米製程中連接導線造成之訊號延遲， 已與元件響應參數大小相近。在模擬過程中， 如增加傳輸線之模型，將更能預估積體電路之 實際效能。

8 核心特色 光電領域之模擬與輻射效應之考量 HSPICE 提供光電流效應模型 (photocurrent effect model) ，對於主動元件如接面二極體與場效電晶體等 皆很容易受到光照射與輻射效應之影響。因此包括由 光輻射總離子化量 (total ionizing dose) 所造成之永久性 元件功能退化，以及在 p-n 接面暫態之光電效應。 晶圓製造服務廠商 (foundry service) 能掌握製程參數之 穩定性，對於每個製程批次 (lot) 都利用測試鍵來進行 元件關鍵參數之量測與統計分析。

9 核心特色 蒙地卡羅分析 由於積體電路產品的效能好壞，可以反應出產品品 質及良率。在 HSPICE 中，則可以利用蒙地卡羅分析， 將測試資料反映到原來設計規格之訂定；並可依此分 析，進行最壞狀況模擬，以提供產品效能的評估。 傳輸線是一可將輸入點之信號傳遞致遠距離之輸出 元件，在 HSPICE 中所提供的傳輸線模型有兩種，即 一般 SPICE 所用的理想無耗損傳輸線： T 模型或較準 確句號損的傳輸線： U 元件的模擬。 傳輸線之應用

10 積體化 (Integrated) 在同一基板上放置多樣電子元件的構想是在 1950 年代被提 出,40 年來的製作技術由生產包含少量元件的簡單晶片, 發展至 今可容納數十億電晶體, 同時電晶體的最小尺寸由 1960 年的 25 微米減少至 2000 年的 0.18 微米, 導致了積體電路的加速進展, 類 比電路和混合式類比數位積體電路以常出現在消費性的產品中, 我們以不再用單一模型來模擬類比電路的功能 金氧半導體場效應電晶體 金氧半導體場效應電晶體 (metal-oxide-silicon filed-effect transistor,MOSFET) 的概念於 1930 年代早期申請專利, 早在雙 載子接面電晶體發明前, 因製作技術的限制,MOS 技術成熟較晚, 並解在 1960 年代只生產 N 型晶體, 直到 1960 年中期, 互補式 MOS 元件發明出來後才開啟半導體工業的革命

11 方塊圖列舉了 hspice 所能執行的各類分析及使用 模型化分析

12 模型化技術 C 電容模型 D 二極體模型 L 電感模型 R 電阻模型 NPN NPN BJT 模型 PNP PNP BJT 模型 NJF N 通道 JFET 模型 PJF P 通道 JFET 模型 NMOS N 通道 MOSFET 模型 PMOS P 通道 MOSFET 模型

13 元件對應關係 常用的元件介紹.. val 為該元件之大小值 金氧半場效電晶體 (MOSFET) Mname D G S B xch L=val W=val.model xch xmos 電阻 or 電容 Rname 1 2 val Cname 3 4 val 獨立電壓源 or 電流源 Vname 5 6 DC val I name 7 8 DC val ( 若為交流訊號把 DC 改成 AC 即可 ) Cname=val 4 3 Rname=val 2 1 Mname D G S 7 8 I name=val 5 6 V v name=val

14 基礎分析 對一些簡單的元件. 如電阻. 電感. 電容. 獨 立電源作基礎分析

15 元件對應關係 節點 (node) 節點是電路元件的輸入或輸出端點, 在 SPICE 中, 所有的節 點都給予唯一的數字來表示, 而決定節點數目的規則如下 : 1. 節點數目字需為正整數如 1.2.3.4…. 等 ( 而 Hspice 可以直 接取英文字母或數字為節點名稱 ) 2. 節點數目字並不需隨大小排列來定義 3. 節點數目字 (0) 是定義為接地點 (GND) 4. 節點必須有一直流路徑到地點

16 1.PWL(piece wise linear waveform) 片段線性波形的描述方式 pwl( t1 v1 t2 v2 t3 v3 ………..) Ex: pwl (2s 1v 3s 3.5v 4s 2.5v + 4.5s 0.5v 6s 5v )

17 2.PULSE(pulse periodic waveform) 週期脈波的描述方式 pulse( v1 v2 td tr tf pw per ) Ex: pulse ( 2v 5v 1s 1s 1s 5s 10s) 延遲 上升 下降 波寬 週期 td tr pw per tf

18 3.SIN(sinusoidal waveform) 弦式波型態的描述方式 Sin ( v1 v2 freq ) Ex: sin ( 0v 4v 0.5k) 頻率 freq

19 基本指令分析.OP （直流偏壓點） 印出在特定時間或多時 間點之條件下的操作點相關資訊.DC （直流掃描）設定曲線的掃描範圍 Ex..DC Vx Vy Vz X 其中 VX 為電壓源或者電流源. Vy 為起始值. Vz 為截止值. X 為遞增值.AC （交流頻率）定義電路分析時指定的掃描 頻率範圍. 取樣型態 Ex..AC DEC 10 X Y.dc vs 1v 5v 0.1v 其中 DEC 10 每 10 進位進行 10 點 取樣.X 為起始頻率. Y 結束頻率.ac dec 10 1Hz 1kHz

20 .TF （小訊號轉移函數）計算特定變數對於輸 入源小訊號轉移函數相對增益及輸入輸出阻抗 基本指令分析.SENS （靈敏度分析）計算電路中指定輸出 變數相對於線路其他元件參數之直流小訊號敏 感程度.TRAN ( 暫態分析 ) Ex..tran tx tstop tstart 其中 tx 為時間增量. Tstop 為終止時 間. Tstart 為開始時間.tran 0.1ms 10ms 1ms 注意 : 由 1m 秒分析至 10m 秒增量

21 執行 Hspice 開始 > 程式集 > HSPICE U-2003.03 > HSPICE U-2003.03 1

22 出現主視窗 在桌面點選滑鼠右鍵. 開 啟文字文件後打入所需 的程式 2 3

23 程式完成後另存 新檔. 副檔為.sp 檔存檔類型點選 所有檔案 點選 Open 開啟副 檔名.sp 程式 4 5

24 點選 Simulate 進行模擬 點選 Edit 後尋 找是否有錯誤 6 7

25 完成上述步驟後. 點選 Avanwaves 即可觀看波形 8

26 點選 curver. 即可 看到每個節點的 波形 9

27 Hspice 輸入檔案的結構.SP 輸入檔之結構如下 * 標題敘述.end 電路描述 ( 資料敘述 ) 分析型態 ( 控制敘述 ) ( 輸出敘述 ) ( 結束敘述 ) ( * 註解敘述可 安插於其任一列 )

28 2Ω2Ω R4R4 R2R2 + - 123 2Ω2Ω 2Ω2Ω 2A 2Ω2Ω 7V R1R1 R3R3 I1I1 I2I2 V1V1 基本電路分析 如圖為一電壓源與電流源同時存在的網路其 中 I 1 =I 2 =2A,R 1 =R 2 =R 3 =R 4 =2Ω,V 1 =7v 可以 利用.op 指令來觀察每一個電阻上的電流及 電壓

29 程式部份.option I 1 0 1 2A I 2 1 2 2A V 1 3 0 10v R 1 1 0 2 R 2 1 2 2 R 3 2 3 2 R 4 2 0 2.op.end 模擬完後點選 Edit 每個電阻上的電流值及電壓值, 電流 流向由自己設的電阻節點方向, 如果 為負值代表方向相反, 同理至電壓值 也相同

30 基本的 RC 充電.option Vs 1 0 pwl(0 0 0.01ms 5v) R1 1 2 1k C1 2 0 1uf.tran 0.01m 6m 0.01m.print v(1) v(2).end 電容大約 4RC=4ms 充滿 5v R=1K C=1uf Vs=1v 12 - +

31 高通濾波器 一階高通濾波器 R = 5 C1 =15.9uf Vs Vo.option C1 1 2 15.9u R1 2 0 5 Vs 1 0 ac 1.ac dec 5 100 100k.print ac vdb(2).end 程式部份 21

32 振幅響應振幅響應 相位響應相位響應

33 低通濾波器 R1= 5 C1 =15.9uf Vs Vo 一階低通濾波器 程式部份.option C1 2 0 15.9u R1 1 2 5 Vs 1 0 ac 1.ac dec 10 10 10k.print ac vdb(2).end 2 1

34 振幅響應振幅響應 相位響應相位響應

35 Vs Vo R1 R2 C1 C2 帶通濾波器.option R1 1 2 5 C1 2 0 10u C2 2 3 25u R2 3 0 20 Vs 1 0 ac 1.ac dec 10 100 10k.print vdb(3) vp(3).end 程式部份 二階帶通濾波器 23 1

36 振幅響應 節點 3 相位響應 節點 2 相位響應

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40 斜率為 -50v/s 1V 步階信號

41 次電路之應用 如果在一複雜的電路中, 有某一電路重複出現或被使 用, 我們可以利用.SUBCKT 指令來定義副電路 Ex..SUBCKT circuit name node1 …...ENDS circuit name..…. 其中 node1 ….. 是用來連接外部 電路的節點.subckt cc_amp 1 2 3 4.ends cc_amp …. 呼叫次電路, 外部電路的節點順序與定義次電路的結點順序相同 Ex. Xname node1 ….. circuit name X1 5 6 7 8 cc_amp

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43 振幅響應振幅響應 相位響應相位響應

44 積體電路 積體電路及系統設計的成功與否, 不只決定在線路層次上規 格的達成, 也包含了所用元件模型的準確性, 模擬軟體的可靠 性, 及製程技術的配合.. 等, 故積體電路是屬於多程面整合的 產品, 基本上整體的模擬準確性是受限於下列的合成影響 1. 元件直流及交流模型的準確性 2. 在積體電路結構上, 不同層材料間連接 的等校模型準確性 3.IC 製造廠中, 設備能力及製程變化統計 資料的準確性

45 模擬技巧探討 1. 積體電路層次注重在金體模型之使用, 而系統層次則著重 在各個子電路之組成與應用 2. 如為較小或電晶體較少數目的電路, 則可以採用低階的模擬, 及 包含非線性電晶體模型層次之電路模擬, 如為功能或閘層次的電 路, 則可採用較高階的模擬, 如包含類比電路模型的模擬 3. 在模擬中中入元件庫模型的使用, 包含.inc 及.lib 等敘述 4. 模擬中可利用代數運算, 包含.param 之敘述 5. 在模擬中加入最壞狀況分析, 包含資料的掃描, 蒙地卡羅 的統計分析及.alter 之運用

46 系統設計層次的考慮 印刷電路板或系統設計, 依班是依據下列假設來模擬： 1. 每個電路是在獨立的溫度環境。 2. 每個電路部分 ( 獨立元件或積體電路 ) ，可能屬於各個獨立 不相關的製程所製造。 3. 每個電路部分，使用互不同相關且可個別變化的模型。 4. 分析是著重於各電路間的信號一致性的主題上，包含 時序漂移 (clock skew) 、接地彈跳 (ground bounce) 、信 號串音 (signal cross) 、最大的傳輸長度 (max trace length) 、信號線之終端 (line termination) 、電源雜訊 (power supply noise) ，去耦合電容值的選擇與加入 (decoupling capacitor and placement) 。

47 系統設計者使用環境範例方塊圖 Input Requests.circuit parameters.circuit temp.circuit stimulus Analysis Requests.dc sweep.transient.ac pole zero.noise distortion Model/Lib Selections.circuit marco def.asic vendor lib.memory vendor lib.processor vendor lib.pcb & mcm vendor Spice Execution.circuit simulation.ground bounce,crasstalk.Line termination.Optimzation Result analysis.post graphical processing Fineal design review/Modification

48 在 1991-1995 年期間, 國內各主要積體電路廠商, 如 TSMC 及 UMC 等所採用的 MOS 元件模型集中在 level3/level6/level13 等, 而 TSMC 在其 0.6 微米 ~0.8 微米的製程中提供 level28 模型, 而國外 廠商如美國 IC 製造商及韓國 DRAM 等, 則有不少 level28 的使用經 驗 。 Hspice 元件模型序論 LEVEL28 是 BSIM 的修正模型, 而 BSIM 是指 Berkeley Short Channel IGFET Model 奇主要是提供次微米元件模型用, 此模型 對每各參數都包含有隨電晶體閘及寬度及長度的靈敏度因素, 所 以可以較準確的模擬不同大小的 MOSFET 元件 。 在於 1996 年後,BSIM3(LEVEL49) 模型及逐漸的被應用在 0.5 微 米以下之 CMOS 製程, 也將 FET 元件模型帶入第三世代中, 而 2000 年由於 0.13~0.18 微米製程技術成熟,BSIM4 模型更帶來 FET 元件 模型之第四個世代 。

49 MOSFET 特性曲線.option m1 2 1 0 0 n l=0.1u w=3u.model n nmos (kp=10u Vto=1v lambda=0.01) Vds 2 0 10 Vgs 1 0 4.dc vds 0 10 10m vgs 1 5 1.print i(m1).end 以下為增強型 FET 輸出特性曲線, 假設參數為 (kp=10u Vto=1v lambda=0.01),VGS.VDS 為 調整的電壓範圍, 使用.DC 來作直流掃描分析 VDS 由 0V 至 10V VGS 由 1V 至 5V 掃描

50 VGS=5v VGS=4v VGS=3v VGS=2v VGS=1v=Vt 如圖為增強型輸出特性曲線

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52 I R = I M1 = I M2 ( W/L ) 1 ( W/L ) 2 I M2 = = 0.5 mA x 2 = 1 mA

53 串疊電流鏡 串疊電流鏡與一般組態電流鏡十分類似. 本電路的優 點可以提供較大的輸出電阻以及降低通道長度調變的 影響 上頁例子中實際上會有通道長度調變的影響 在短通道製程會變的更嚴重

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55 由輸出曲線可以看出 V DS 繼續上升但是輸出電流可以 幾乎維持在 1mA 一般電流鏡 串疊電流鏡

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57 輸入輸入 輸出輸出

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59 增強行負载的特性曲線 CMOS 的特性曲線

60 CMOS 反相器的串接 圖顯示為二個 CMOS 反 向器的串接 SPICE 之電 路圖, 其中每一個反向器 的輸出端假設有 0.5pf 的 負載電容, 主要為代表二 個邏輯閘內所對應的種 電容值

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62 經過暫態分析後, 二組反相器的輸出波形並不相同, 就第一級反相器而言, 輸入為理想而且上升及下降 時間很短, 反觀第二級輸入波形為第一級反相器的 輸出波形, 出現較長的下降時間 第一級反相器輸出 第二級反相器輸出

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66 當放大器二端的 差為零時二個 MOS 電流各分一 半 100uA MOS 差動對的轉移曲線 M1 M2

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69 手算中頻帶增益與主極點頻率 A M = -gm(Rd//R L ) R3+Rin Rin 中頻帶增益為 20.624DB 高 3 分貝頻率 F H 為 128.7Hz WH=WH= (R 1 //R 2 //R 3 )[C ds +C gd (1-k)] 1

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71 振幅響應振幅響應 相位響應相位響應

72 振幅響應振幅響應 相位響應相位響應

73 MOSOP 頻率響應 V DD