如何编写HSPICE网表

论

§1.1 HSPICE简介

随着微电子技术的迅速发展以及集成电路规模不断提高，对电路性能的设计要求越来越严格，这势必对用于大规模集成电路设计的EDA工具提出越来越高的要求。自1972年美国加利福尼亚大学柏克莱分校电机工程和计算机科学系开发的用于集成电路性能分析的电路模拟程序SPICE（Simulation Program with IC Emphasis）诞生以来，为适应现代微电子工业的发展，各种用于集成电路设计的电路模拟分析工具不断涌现。HSPICE是Meta-Software公司为集成电路设计中的稳态分析，瞬态分析和频域分析等电路性能的模拟分析而开发的一个商业化通用电路模拟程序，它在柏克莱的SPICE（1972年推出），MicroSim公司的PSPICE（1984年推出）以及其它电路分析软件的基础上，又加入了一些新的功能，经过不断的改进，目前已被许多公司、大学和研究开发机构广泛应用。HSPICE可与许多主要的EDA设计工具，诸如Candence,Workview等兼容，能提供许多重要的针对集成电路性能的电路仿真和设计结果。采用HSPICE软件可以在直流到高于100MHz的微波频率范围内对电路作精确的仿真、分析和优化。在实际应用中，HSPICE能提供关键性的电路模拟和设计方案，并且应用HSPICE进行电路模拟时，其电路规模仅取决于用户计算机的实际存储器容量。

§1.2 HSPICE的特点与结构

HSPICE除了具备绝大多数SPICE特性外，还具有许多新的特点，主要有： ! 优越的收敛性

! 精确的模型参数，包括许多Foundry模型参数 ! 层次式节点命名和参考

! 基于模型和库单元的电路优化，逐项或同时进行AC，DC和瞬态分析中的

优化

! 具备蒙特卡罗（Monte Carlo）和最坏情况（worst-case）分析 ! 对于参数化单元的输入、出和行为代数化

! 具备较高级逻辑模拟标准库的单元特性描述工具

! 对于PCB、多芯片系统、封装以及IC技术中连线间的几何损耗加以模拟 在HSPICE中电路的分析类型及其内部建模情况如图1.2.1和图1.2.2所示：

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图1.2.1HSPICE的电路分析类型

图1.2.2 HSPICE的内部建模技术

集成电路设计中的分析和验证是一种典型的围绕一系列结构的试验和数据管理。在电路性能分析中，一般都要在不同应用条件下，根据需要加入各种容差和限制后进行直流分析（.DC）、交流分析（.AC）和瞬态分析（.TRAN）。HSPICE模拟时的程序结构如图1.2.3所示

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图1.2.3 HSPICE模拟时的程序结构

HSPICE能够通过不同的源文件去访问各种输入和模拟控制信息，并绘制和输出有关节点的分析曲线和结果。图1.2.4表示了HSPICE模拟过程中各数据的状态。

图1.2.4 HSPICE模拟过程各数据状态

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§1.3 HSPICE的输入与输出文件

HSPICE根据输入网表（netlist）文件运算并产生仿真结果，仿真结果存储在输出列表文件或图形数据文件之中。

HSPICE读或写的文件都与当前的电路设计有关，而且都采用电路设计名作为前缀。一般情况下，与一个设计有关的所有文件都存放在同一目录下面。

一.文件名的后缀

1.HSPICE输入文件 配制文件 meta.cfg 初始化文件 hspice.ini 直流工作点初始化文件 .ic 输入网表文件 .sp 库输入文件 模拟转移数据文件 .d2a

2.HSPICE输出文件 输出列表 .lis或由用户自己定义 瞬态分析结果 .tr#+ 瞬态分析测量结果 .mt# 直流分析结果 .sw#+ 直流分析测量结果 .ms# 交流分析结果 .ac#+ 交流分析测量结果 .ma# 硬拷贝图形数据 .gr#++ 数字输出 .a2d FFT分析图形数据 .ft#++ 子电路交叉列表 .pa# 输出状态 .st# 工作点节点电压（初始条件） .ic # ：代表扫描分析序号或者硬拷贝文件序号，一般从0开始。 +：表示在用.POST语句产生图形数据后该文件才被确立。

++：表示该文件需要一个.GRAPH语句或有一个针对meta.cfg文件中存在的文件的地址计数器。该文件在HSPICE的PC版中不产生。 +++：表示只有当应用了.FFT语句后该文件才被确立。

二. 输入网表文件

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输入网表文件和库输入文件能够由一个线路网表转换器或用一个文本编辑器产生。

1.写输入网表文件的规则

输入网表文件的第一个语句必须是标题行，最后一个语句必须是.END语句，它们之间的语句次序是随意的，除非是续行（行首有“＋”的行）必须接在要接下去的行后面，最后值得注意的是.ALTER子模块必须紧跟文件的结尾并出现在.END语句前。注释行可加在文件中的任何地方。

2. 输入文件的编辑

(a)HSPICE采用自由格式输入。语句中的域由一个或多个空格，一个 Tab，一个逗号， 一个等号或一个左/右圆括号分开。 (b)除UNIX系统中的文件名外，不予区分大写或小写字母。 (c)每行语句长度限于80个字符以下。

(d)一个语句如在一行写不下，可以用续号继续下去。续行以“+”作为第一个非数值、非空格字符。 (e)输入网表文件不能被“打包”，也不能被压缩。 (f)输入网表文件中不要采用特殊的控制字符。

三. 输出列表文件

电路模拟运行的结果和输入网表都被放入输出列表文件。输出列表文件被自动地取与指定的输入列表文件相同的前缀，不同的仅是带有“.lis”后缀。如输入列表文件为netlist.sp,则输出列表文件为netlist.lis。

输出列表文件包含了由输入列表文件中的.PLOT、.PRINT以及分析语句指定的模拟结果。例如输入列表文件包含了多于一次的模拟运行（通过采用.ALTER、.INCLUDE、.DATA等语句），输出列表文件中也包含了每一次模拟运行的结果。

四. 数值比例因子

HSPICE中的数值可以是整形数、浮点数。一个整形数或浮点数后跟随一个整形指数（如1e-14,2.65e3,但不能是1e-3pf）或者一个整形数或浮点数后跟随一个以下列出的数值比例因子:

MI=25.4E-6 FT=.305 DB=20lg10 F=1e-15

P=1e-12 N=1e-9 U=1e-6 M=1e-3 T=1e12 G=1e9 MEG=X=1e6 K=1e3

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图1.3.1显示了HSPICE的模拟流程。

图1.3.1 HSPICE模拟流程

第二章 电路的描述语句

本章介绍HSPICE的一些主要描述电路的语句。用这些语句对电路模拟的标题，电路的连接方式即拓扑信息，构成电路的元件、器件、电源等的属性、参数、模型、所加的注释、电路模拟结束等进行描述。

§2.1 输入描述语句和规定

在输入的电路描述语句中输入的第一条语句是标题语句，最后一条语句必须是结束语句。

一. 标题语句（.TITLE语句）

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一般形式：.TITLE 或 例：POWER AMPLIFIER CIRCUIT TEST

若用户不需要标题，则第一行必须空出，否则第一行的其它HSPICE语句被作为标题行，而不被执行。 二. 结束语句（.END）

一般形式：.END

注意“.”不能少，它是结束语句整体的一部分。若一个HSPICE输入文件包含有几个HSPICE的运行，则每一个HSPICE运行的最后都要加上.END语句。

例 MOS OUTPUT

.OPTIONS NODE NOPAGE VDS 3 0

VGS 20

M1 1 2 0 0 MOD1 L=4U W=6U AD=10P AS=10P

.MODEL MOD1 NMOS VTO=-2 NSUB=1.0E15 TOX=1000 UO=550

VIDS 3 1

.DC VDS 0 10 0.5 VGS 0 5 1 .PRINT DC I(M1) V(2) .END MOS OUTPUT MOS CAPS

.OPTION SCALE=1U SCALM=1U WL ACCT .OP

.TRAN .1 6

V1 1 0 PWL 0 -1.5V 6 4.5V V2 2 0 1.5VOLTS

MODN1 2 1 0 0 M 10 3

M2 .MODEL M NOS VTO=1 NSUB=1E15 TOX=1000 + UO=800 LEVEL=1 CAPOP=2

.PLOT TRAN V(1) (0,5) LX18(M1) LX19(M1) + LX20(M1) (0,6E-13) .END MOS CAPS

三. .GLOBAL语句

一般形式：.GLOBAL node1 node2 node3…

node1… Global nodes, such as supply and clock names,

override local subcircuit definitions

输入文件若定义了.GLOBAL语句，则输入文件所有子电路中与.GLOBAL节点名相同的节点将都被自动定义成有连接关系。一般线路的电源、地被定义成.GLOBAL 语句。

四. 注释语句

是用户对程序运算和分析时加以说明的语句。在列出输入程序时会打印出来，但不参与模拟分析。该语句可放在输入文件标题语句以后的任意位置加以注

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释。

一般形式：*

或 $following HSPICE input>

§2.2 元件描述语句

元件语句一般由元件名、元件所连接的电路节点号和元件参数值组成。元件在输入中以一行表示，该行不能以“.”开始。语句中的第一个字母是关键字，它确定了该元件的类型。

一般形式：elname

或 elname val2...valn>

其中：

elname: 元件名，是一个带有一个关键字母的不超过15个字符的

字符串。

HSPICE中表示元件的关键字母的含义： C－电容 K－耦合互感 L－电感 R－电阻 T－无损耗传输线 U－有损耗传输线 =

node1... 节点名，用来说明元件所连接的节点，节点名的第一个

字符必须是字母，整个字符串不超过16个字符（连第一个

字母在内）。＝（）′. ′[ ]等符号不能出现在节点名中。

mname: 模型参考名，对除了无源器件外所有元件都是必需的。 pname1... 元件参数名，用来标明一些元件的参数值。

val1... 赋于的参数值或模型节点，这些数值可以是数值，也可以

是代数表达式。

M=val 元件的倍增因子。

一. 电阻

一般形式：RXXX n1 n2 Rval>

+ + 或 RXXX n1 n2 R=val +

+

或 RXXX n1 n2 R=equation 例： R1 1 2 100k

RC1 12 17 1k TC=0.001, 0 1.2 R4 5 54 RMOD 12k

上述电阻描述语句中，电阻值可以是正值或负值，但不能为零。TC1和TC2是温度系数，其缺省值是零。

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二. 电容和电感

(1) 电容：

一般形式： CXXX n1 n2 capval >

+ + 或 CXXX n1 n2 C=val

+ + 或 CXXX n1 n2 C=equation CTYPE=0 or 1

例： C1 3 2 10U IC=3V

CBYP 13 0 1UF C2 1 2 CMOD 6PF

若系统中所用电容是非线性的，则其一般形式是：

CXXX n1 n2 POLY C0 C1 C2 ... 电容值＝C0＋C1*V＋C2*V**2＋…

(2) 电感：

一般形式：LXXX n1 n2 Lval >

+ 或 LXXX n1 n2 L=val

+ 或 LXXX n1 n2 L=equation LTYPE=0 or 1

例： LLINK 42 69 1UH LSHUNT 23 51 10U 0.001 0 15 IC=15.7MA

LH8 5 80 LMOD 2MH

若系统中所用电感是非线性的，则其一般形式是:

LXXX n1 n2 POLY L0 L1 L2 ... 电感值＝L0＋L1*i＋L2*i**2＋…

在非线性电容和电感的表达式中，POLY表示其中的数值C0,C1,C2…（和L0,L1,L2…）是描述元件值的多项式系数。电容值为元件两端电压V的函数，而电感值则为流过电感的电流i的函数，故有上述的表达式：

电容值＝C0＋C1*V＋C2*V**2＋…

电感值＝L0＋L1*i＋L2*i**2＋…

三. 互感（电感）耦合器

一般形式： KXXX LYYY LZZZ Kvalue

或 KXXX LYYY LZZZ K=val

其中LYYY和LZZZ是两耦合电感的名字，耦合系数K的值，必须大于零且小于等于1。 例： K34 LAA LBB 0.9999

KXFTR L1 L4 K=0.87

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四. 无损耗和有损耗传输线

(1) 无损耗传输线： 一般形式： TXXX in refin out refout Z0=val TD=val

+ 或 TXXX in refin out refout Z0=val F=val + 或 TXXX in refin out refout mname L=val 传输线是一个双向的理想延迟线，有两个端口，in和refin是端口1的（＋）和（－）节点；out 和refout分别是端口2的（＋）和（－）节点。Z0是特征阻抗。传输线长度可用三种形式表示：一种是由传输线的延迟TD确定的，例如：TD＝10NS；另一种是给出一个频率F和参数NL来确定，NL是在频率为F时相对于传输线波长归一化的传输线电学长度。若规定了F而未给出NL，则认为NL＝0.25(即频率为1/4波长的频率，F为二次谐波频率)；第三种是直接用传输线长度来表示。IC规定了传输线每个端口的初始电压和初始电流。

例： T1 1 0 2 0 Z0＝50 TD＝10NS T2 1 2 3 4 Z0＝120 F＝1.5MHZ T3 1 3 4 6 Z0＝200 F＝4.5MHZ NL＝0.5 (2) 均匀分布的RC传输线（有损耗传输线）

一般形式：UXXX N1 N2 N3 MNAME L=LEN N1和N2是RC传输线连接的两个元件节点，N3是连接到电容的节点，MNAME是模型名称。LEN是RC传输线长度（单位是米），LUMPS如果给定，它用于模拟RC传输线中所采用的集总分段数目（the number of lumped segments）。

例： U1 1 5 0 URCMOD L＝50U URC2 1 10 4 UMOPL L=100U N=4

§2.3电源描述语句

HSPICE中提供了一些供激励用的独立源和受控源。电源描述语句也由代表电源名称的关键字、连接情况和有关参数值组成。描述电源的关键字含义为：

V: 独立电压源 I: 独立电流源 E: 电压控制电压源 F: 电流控制电流源 G: 电压控制电流源 H: 电流控制电压源

一. 独立电压源V和独立电流源I

一般形式：VXXX n+ n－ ＜＜DC=＞dcval＞ ＜tranfun ＞ + ＜AC=acmag,＜acphase＞＞

或 IYYY n+ n－ ＜＜DC=＞dcval＞ ＜tranfun ＞

+ ＜AC= acmag,＜acphase＞＞ 其中：

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VXXX: 独立电压源名。必须以“V”开始，后面字符串不得超过15 个字符。

IYYY: 独立电流源名。必须以“I”开始，后面字符串不得超过15 个字符。

n+/n－: 电源的正负节点，电流源的电流正方向是使电流从n+节点流

出，经过电流源流入n-节点。正的电压源是使电流从n+节点流出，通过电压源流入n-节点。注意电源不必接地。若将零值的电压源接到电路某支路中，这样可得到流经该支路的电流值。零值电压源就是短路线，所以不影响电路的工作。

DC: 电源直流值

tranfun: 电源的瞬态功能

AC: 表示电源用来作交流小信号分析 acmag: 交流幅度

acphase: 交流初相位（缺省值为0.0） M: 电流源并联数（缺省值为1.0）

基于上面的语句格式，HSPICE规定有七种独立电源：

1. 直流源

一般形式：VXXX n+ n- <dcval>

IXXX n+ n- <dcval>

例 V1 2 0 DC=5v

V1 2 0 5v

I1 3 0 DC=3mA I2 3 0 3mA

2. 交流源

一般形式：VXXX n+ n- >

IXXX n+ n- > 例：V1 1 0 AC＝10V 90

VIN 1 0 AC 10V 90

ISRC 23 21 AC 0.333 45.0

如果在关键字AC后面省去acmag，就认为该值是1。如果省去acphase，则认为该值为0。

3. 脉冲源

一般形式：PULSE <(> V1 V2 >>> <)>

或： PU <(> >>> <)> 其中：

V1: 脉冲源开始前的初始值 V2: 脉动值 td: 第一个脉冲开始前的延迟时间，缺省值为0.0 tr: 脉冲上升时间，缺省值为TSTEP tf: 脉冲下降时间，缺省值为TSTEP

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pw: 脉冲宽度，缺省值为TSTEP per: 脉冲周期，缺省值为TSTEP

图2.3.1脉冲源示意图

例： VIN 3 0 PULSE (-1 1 2ns 2ns 2ns 50ns 100ns)

V1 99 0 PU lv hv tdlay tris tfall tpw tper

上述第二个例子中将用.PARAM语句中的参数来定义此脉冲源的相关值。

4. 正弦源（调幅正弦信号）

一般形式：SIN <(> vo va >>> <)>

其中：

vo: 电压或电流偏移量

va: 电压或电流幅度峰值 freq: 频率，缺省值是1／TSTOP。单位是Hz

td: 延迟时间，缺省值是0.0，单位是秒。 θ: 阻尼因子，单位是1／秒，确省值是0.0。 ϕ: 相位，确省值是0.0，单位是度。

例：VIN 3 0 SIN(0 1 100MEG 1NS 1e10)

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图2.3.2正弦源示意图

5. 指数源：

一般形式： EXP<(> v1 v2 >>> <)> 其中：

v1: 电压或电流的初始值

v2: 电压或电流的趋向值

td1: 上升延迟时间，缺省值为0.0，单位是秒

td2: 下降延迟时间，缺省值为td1+TSTEP，单位是秒 τ1: 上升时间常数，缺省值为TSTEP，单位是秒 τ2: 下降时间常数，缺省值为TSTEP，单位是秒

图2.3.3指数源示意图

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例：VIN 3 0 EXP(-4 -1 2NS 30NS 60NS 40NS)

6. 分段线性源：

一般形式： PWL <(> t1 v1 > <)>

其中：

v1... 电流或电压值。

t1... 分段点时间。 R 定义分段重复功能

repeat 定义分段重复的波形起始点

TD 定义实际分段线性开始前的延迟时间的关键字 delay 规定了分段线性的延迟时间

下面举一个应用分段线性源的实例：

*FILE: PWL.SP THE REPEATED PIECEWISE LINEAR SOURCE *ILLUSTRATION OF THE USE OF THE REPEAT FUNCTION “R” .file pwl.sp REPEATED PIECEWISE LINEAR SOURCE .OPTION POST .TRAN 5N 500N

V1 1 0 PWL 60N 0V, 120N 0V, 130N 5V, 170N 5V, 180N 0V, R 0N R1 1 0 1

V2 2 0 PL 0V 60N, 0V 120N, 5V 130N, 5V 170N, 0V 180N, R 60N R2 2 0 1 .END

图2.3.4上述实例中分段线性源示意图

PWL形式是分段线性源。每一对值(ti，vi)确定了在时间TIME=ti时分段

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线性源的值vi，从而确定了波形的一个拐点，中间时间的源值可用线性插值方法确定。

7. 单频调频源：

一般形式：SFFM <(> vo va >> <)> 其中： vo 输出电压或电流的偏移量

va 输出电压或电流的幅度

fc 载频，缺省值为1／TSTOP，单位是Hz mdi 调制指数，缺省值为0.0

fs 调制信号频率，缺省值为1/TSTOP，单位是Hz

波形由下式决定：

*SIN[2*π*fc*Time+mdi*SIN(2*π*fs*Time)]

图2.3.5单频调频源示意图

例：VIN 7 0 SFFM(0.01 0.4 100MEG 0.3 20k)

8. 单频调幅源：

一般形式：AM(sa oc fm fc td) 其中：

sa 调制信号幅度，缺省值为0.0

oc 偏移常数，缺省值为0.0

fm 调制信号频率，缺省值为1／TSTOP，单位是Hz fc 载频，缺省值为0.0，单位是Hz

td 信号开始前的延迟时间，确省值为0.0，单位是秒

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sourcevalue=vo+va

波形由下式决定：

sourcevalue=sa*{oc+SIN[2*π*fm*(Time-td)]} *SIN[2*π*fc*(Time-td)]

===

图2.3.6单频调幅源示意图

例：V3 3 0 AM (10 1 100 1k 1M)

二. 电压和电源控制源：

(1) 电压控制电压源—E元件

一般形式：

线性：EXXX n+ n- in+ in- gain ＋

+

+

多阶： EXXX n+ n- POLY(NDIM) in1+ in1- ... + inndim+ inndim- +

+ P0 分段线性：EXXX n+ n- PWL(1) in+ in- +

+ x1, y1, x2, y2... + x100, y100

多输入门：EXXX n+ n- gatetype(k) in1+ in1-... + ink+ ink-

+

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+ x1, y1,... x100, y100

延迟元件：EXXX n+ n- DELAY in+ in- TD=val +

(2) 电流控制电流源—F元件 一般形式：

线性: FXXX n+ n- vn1 gain + +

多阶：FXXX n+ n- POLY(NDIM) vn1 <...vnndin> +

+ P0 分段线性：FXXX n+ n- PWL(1) Vn1

+ x1, y1,... x100, y100

多输入门: FXXX n+ n- gatetype(k) vn1, ..., vnk +

+ x1, y1, ..., x100, y100 延迟元件: FXXX n+ n- DELAY vn1 TD=val + NPDELY=val

(3) 电压控制电流源—G元件 一般形式：

线性：GXXX n+ n- in+ in- transconductance + +

多阶：GXXX n+ n- POLY(NDIM) in1+ in1- ... + + + P0

分段线性：GXXX n+ n- PWL(1) in+ in-

+

+ x1, y1, x2, y2 ... x100, y100 +

或：GXXX n+ n- NPWL(1) in+ in-

+

+ x1, y1, x2, y2 ... x100, y100 +

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或：GXXX n+ n- PPWL(1) in+ in-

+

+ x1, y1, x2, y2... x100, y100 +

多输入门：GXXX n+ n- gatetype(k) in1+ in1- ... + ink+ ink-

+ + x1, y1, ..., x100, y100

延迟元件：GXXX n+ n- DELAY in+ in- TD=val + NPDELY=val

(4) 电流控制电压源—H元件 一般形式：

线性： HXXX n+ n- vn1 transresistance + +

多阶: HXXX n+ n- POLY (NDIM) vn1

+ <...vnndim> + P0 +

分段线性：HXXX n+ n- PWL(1) vn1

+ + x1, y1, x2, y2 ... , x100, y100

多输入门：HXXX n+ n- gatetype(k) vn1, ..., vnk +

+ x1, y1, ..., x100, + y100

延迟元件：HXXX n+ n- DELAY vn1 TD=val

+

上述是HSPICE中具有的四种电压和电流控制元件，通称为E、F、G和H元件。在HSPICE中用这些控制元件能够模拟MOS晶体管、双极型晶体管、隧道二极管和可控硅整流器，此外还能对一些功能块，诸如运放、加法器、比较器、压控振荡器、调制解调器和开关电容电路等进行模拟。控制元件有线性和非线性两类。

控制元件在实际应用中将根据不同情况以线性、多阶、分段线性、多输入门和延迟元件等方式来处理。

下面简单介绍一下多阶函数和分段线性函数：

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控制元件描述语句允许控制输出变量作为一个或多个电压或分支电流的多阶函数来定义。在HSPICE中可通过POLY(NDIM)参数对三种多阶方程加以选择。

POLY(1) 一维方程 POLY(2) 二维方程 POLY(3) 三维方程

与多阶方程有关的多阶方程系数(P0,P1,...,Pn)对每一个多阶方程都要明

=确设置。

POLY(1)对应一个控制变量的函数

FV=P0+(P1⋅FA)+(P2⋅FA2)+(P3⋅FA3)+(P4⋅FA4)+(P5⋅FA5)+.... POLY(2)对应两个控制变量的函数

FV=P0+(P1⋅FA)+(P2⋅FB)+(P3⋅FA2)+(P4⋅FA⋅FB)+(P5⋅FB2)+(P6⋅FA3)

+(P7⋅FA2⋅FB)+(P8⋅FA⋅FB2)+(P9⋅FB3)+...

POLY(3)对应三个控制变量的函数

FV=P0+(P1⋅FA)+(P2⋅FB)+(P3⋅FC)+(P4⋅FA2)+(P5⋅FA⋅FB)+(P6⋅FA⋅FC) + (P7⋅FB2) +(P8⋅FB⋅FC)+(P9⋅FC2)+(P10⋅FA3)+(P11⋅FA2⋅FB) + (P12⋅FA2⋅FC) +(P13⋅FA⋅FB2) +(P14⋅FA⋅FB⋅FC)+(P15⋅FA⋅FC2)+(P16⋅FB3) +(P17⋅FB2⋅FC) +(P18⋅FB⋅FC2) +(P19⋅FC3)+(P20⋅FA4)+... 其中：

FV: 来自控制源的控制电压或电流

P0...PN: 多阶方程系数

FA, FB, FC: 控制变量(分支电流或节点电压)

分段线性函数可以对诸如隧道二极管，可控硅整流器和二极管击穿范围等，通过规定测定数据点来进行分段描述，并且DELTA参数的设定可用来控制分段转角的曲率。

上述四种控制元件描述语句中的一些主要参数的定义规定如下： ABS ABS1，输出是绝对值

DELAY 延迟元件的关键字。这个延迟元件简化了宏模型处理中传播延迟的

调整，作为HPSPICE的一个关键字，DELAY不能用来当作节点名。

DELTA 用来控制分段线性转角的曲率。DELTA的缺省值是最小转折点距离

的1/4，最大值被限制在最小转折点距离的1/2。

GXXX 电压控制电流源名，必须以“G”开头，随后的字符串不得超过15

个字符。

FXXX 电流控制电流源名，必须以“F”开头，随后的字符串不得超过15

个字符。

EXXX 电压控制电压源名，必须以“E”开头，随后的字符串不得超过15

个字符。

HXXX 电流控制电压源名，必须以“H”开头，随后的字符串不得超过15

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个字符。

gatetype(k) 逻辑门的类型可以是AND，NAND，OR或NOR中的一种，参数

(k)代表逻辑门的输入端数目，”x”,”y”表示作为输入函数的输出分段线性变量。在多输入门中，只要一种输入状态就能确定输出的状态。

IC 初始条件，控制电压（电流）初始估算值。如果IC没有被赋值，缺

省值是0.0。

in+/- 正或负控制节点 M 元件并联数 MAX 在VCCS中是：最大电流或电阻值，不定义缺省值，无最大限制

在CCCS中是：最大输出电流值，不定义缺省值，无最大限制 在VCVS中是：最大输出电压值，不定义缺省值，无最大限制 在CCVS中是：最大电压值，不定义缺省值，无最大限制

MIN 在VCCS中是：最小电流或电阻值，不定义缺省值，无最小限制

在CCCS中是：最小输出电流值，不定义缺省值，无最小限制 在VCVS中是：最小输出电压值，不定义缺省值，无最小限制 在CCVS中是：最小电压值，不定义缺省值，无最小限制

n+/- 控制源的正负连接节点 NDIM 多阶函数维数，如果NDIM没设置，则HSPICE假定其为一维的。NDIM

必须是正数。

NPDELAY 延迟模拟中设置的数据点数目，它由下式决定：

min

NPDELAYdefault=max[,10]

tstep其中tstep或testop的值在.TRAN语句中规定

NPWL 建立NMOS对称双向开关或传输门模式。 P0,P1... 多阶方程系数。当规定一个系数时，HSPICE 假定是P1（P0＝0.0）

并且认为元件是线性的，当规定多个系数时，则HSPICE用P0,P1,P2...来表示，此时元件是非线性的

POLY 多阶状态关键字。 PWL 分段线性状态关键字。

PPWL 建立PMOS对称双向开关或传输门模式。 SCALE 元件倍增数

SMOOTH 选择分段线性中曲线平滑的方法

TC1,TC2 一阶和二阶温度系数，“SCALE”靠温度来刷新： SCALEeff=SCALE⋅(1+TC1⋅∆t+TC2⋅∆t2)

TD 时间延迟关键字

transconductance 电压（电流）到电流（电压）转换因子 vn1... 控制电流流进的电压源名。

20

x1... 在VCCS中是: 通过节点in+和in-的控制电压，x值必须是递增次

序排列。

在CCCS中是: 通过vn1源的控制电流，x值必须是递增次序排列。 在VCVS中是: 通过节点in+和in-的控制电压，x值必须是递增次序排列。

在CCVS中是: 通过vn1源的控制电流，x值必须是递增次序排列。

y1... 在VCCS中是: 与x相应的元件数值

在CCCS中是: 与x相应的输出电流值 在VCVS中是: 与x相应的元件数值 在CCVS中是: 与x相应的输出电压值

最后要提请注意的是，VCCS，CCCS，VCVS，CCVS在HSPICE中代表控制源的关键字，不能用来当作节点名用。

§2.4 半导体器件描述语句

电路中每个半导体器件也和上述的元件一样需用器件语句来描述。每个器件描述语句的第一字母是代表某种器件的关键字，这一节中所涉及的关键字的含义为：

D：晶体二极管 Q：双极型晶体三极管 J：结型或MES场效应晶体管 M：MOS场效应管

一. 晶体二极管

一般形式: DXXX nplus nminus mname +

+

或 DXXX nplus nminus mname > +

或 DXXX nplus nminus mname + + 其中：

AERA: 二极管的面积，它定义了饱和电流，电容和电阻值。在LEVEL

＝1模型中通过选择SCALE，可以不受AREA因子影响。缺省值是1.0。模型LEVEL＝3还要影响IK，IKR，JS，CJ0和RS等参数。

21

AREAeff=AREA*M*SCALE2*SHRINK2或AREAeff=Weff*Leff*M

如果没定义AREA，则模型从W，L中计算得到。

DTEMP: 元件温度与电路温度之间的差额，缺省值为0.0

DXXX: 二极管元件名。必须以“D”开头，后面最多跟15个字符。 IC=vd: 若瞬态分析不要求从静态工作点开始，就可规定IC＝vd为初

始条件，注意若选用IC选项，则它必须和.TRAN的UIC可选项连用，并且可不必再考虑使用.IC语句来设置初始条件。IC=vd规定二极管两端的初始电压值。

L: 二极管的长度（level3特有）。 LM: 寄生金属电容的长度（level3特有），缺省值为0.0。 LMeff=LM*SCALE*SHRINK LP: 寄生多晶电容的长度（level3特有），缺省值为0.0。 LPeff=LP*SCALE*SHRINK M:

多重二极管模拟时的倍增因子，其间所有的电流寄生电容和电阻均受影响，缺省值为1。

mname: 二极管模型名，可以是一个最多16个字符组成的字符串。 nplus/nminus: 二极管的正端（阳极）和负端（阴极），可以是一个最

多16个字符组成的字符串。

OFF: 规定在进行直流分析时使器件所加初始条件为关态，缺省值为

ON。

PJ: PN结的周长，由W，L得到，它影响JSW和CJP等模型参数，

缺省值为0.0。

对于 LEVEL=1， PJeff=PJ*M 对于LEVEL=2， PJeff=PJ*SCALE*M*SHRINK

PJeff=(2*Weff+2Leff)*M

W: 二极管宽度（level3特有）。

Weff=W*SCALE*SHRINK+XWeff WM: 寄生金属电容的宽度（level3特有），缺省值为0.0。 WMeff=WM*SCALE*SHRINK WP: 寄生多晶电容的宽度（level3特有），缺省值为0.0。 WPeff=WP*SCALE*SHRINK

二极管的正电流是从正节点流出，通过二极管流入负节点。HSPICE中可通过模型用到四种二极管：齐纳二极管，扩散PN结硅二极管，肖特基势垒二极管，非易失性存储二极管（隧道电流）。

例： DBRIDGE 6 7 DIODE 1

DCLMMMP 3 substrate DMOD 3 IC=0.2

22

图2.4.1 二极管模型中电流方向

二. 双极型晶体三极管

一般形式： QXXX nc nb ne mname

+ 或 QXXX nc nb ne mname +

+ + 其中：

QXXX: 双极型晶体三极管名，必须以“Q”开头，后面最多跟15

个字符的字符串。 nc: 集电极节点 nb: 基极节点 ne: 发射极节点

ns: 衬底节点，这是可选项。可以用模型中的BULK=节点名来

设定。

mname: 模型参考名

aval: 面积（AREA）数值

OFF: 表示在进行直流分析时在器件上不加初始条件，缺省值为

ON。

IC=vbeval,vceval: 设置初始Vbe和Vce值，若选用了此项，则必须和.TRAN

中的UIC可选项连用，并可不必再用.IC语句来设置初始条件。

M: 多重三极管模拟时的倍增因子，其间所有的电流、寄生电

容和电阻均受影响，缺省值为1。

DTEMP: 元件温度与电路温度之间的差额，缺省值为0.0。

AREA: 发射区面积倍增因子，它影响电流、寄生电容和电阻值，

缺省值为1。

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AREB: 基区面积倍增因子，它影响电流、寄生电容和电阻值，缺

省值为1。

AREC: 集电区面积倍增因子，它影响电流、寄生电容和电阻值，

缺省值为1。

双极型晶体管模型中电流方向规定：

图2.4.2 双极型晶体管模型中电流方向

例: Q108 CX BX EX QPNP AREA=1.5 AREAB=2.5 AREAC=3.0

Q26 10 18 12 QMOD IC=0.6, 5.0

Q50A 11 265 4 20 MOD

三. 结型场效应管或MESFET

一般形式： JXXX nd ng ns mname

+ 或 JXXX nd ng ns mname <| W=val L=val> + < DTEMP=val > + 其中：

JXXX: JFET或MESFET元件名，必须以“J”开头，后面最多跟15

个字符的字符串。 nb: 衬底节点 nd: 漏极节点 ng: 栅极节点 ns: 源极节点

mname: 与JFET或MESFET相关的模型参考名

AREA: 面积倍增因子，它影响BETA、RD、RS、IS、CGS和CGD等

模型参数。如果AREA没有定义，但Weff和Leff远大于0，

24

则：AREA=

Weff

Leff

，ACM=0。

AREA=Weff*Leff，ACM=1AREAeff=M*AREA

缺省值是1.0。

W=val, L=val: FET栅极的宽度和长度。Weff=W*SCALE+WDELeff， Leff=L*SCALE+LDELeff OFF: 表示在进行直流分析时在器件上不加初始条件，缺省值为

ON。

IC=vdsval,vgsval: 设置初始Vds和Vgs值，必须和.TRAN中的UIC选项连用。 M=val: 多重JFET的倍增因子，它影响电流、寄生电容和电阻值。

DTEMP: 器件相对于电路的温度差异，缺省值为0.0。 结型场效应管模型中的电流方向规定：

图2.4.3 结型场效应管模型中电流方向

例： J6 7 4 2 JM1

jmes x-load gdrive common jmodel

四. MOS场效应管

一般形式：MXXX nd ng ns mname

+ +

+ +

或 MXXX nd ng ns mname lval wval ... 或 .OPTION WL

MXXX nd ng ns mname wval lval

其中：

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MXXX:

MOSFET元件名，必须以“M”开头，后面最多跟15个字符的字符串。

ng, ns, nd: 分别是MOSFET的栅、源和漏的节点名。

nb: MOSFET衬底节点名，它可以通过模型语句中的BULK参数

来加以定义。

mname: MOSFET的模型参考名

L: MOSFET的沟道长度，缺省值为DEFL。 W: MOSFET的沟道宽度，缺省值为DEFW。 AD: 漏扩散区面积 AS: 源扩散区面积 PD: 漏结的周长 PS: 源结的周长

NRD: 用以计算漏极寄生串联电阻的漏扩散区等效方块数。 NRS: 用以计算源极寄生串联电阻的源扩散区等效方块数。 RDC: 漏极与连线的接触电阻。 RSC: 源极与连线的接触电阻。

OFF: 表示在进行直流分析时在器件上不加初始条件，缺省值为

ON。这个规定不适用于耗尽型器件。

M: 多重MOSFET模拟时的倍增因子，这个因子将对MOSFET的

沟道宽度、二极管反向漏电、结覆盖电容和寄生电阻发生影响，缺省值为1.0。

vbs: MOSFET衬底与源极之间的初始电压。 vds: MOSFET漏极与源极之间的初始电压。 vgs: MOSFET栅极与源极之间的初始电压。

DTEMP: 元件温度与电路温度之间的差额，缺省值为0.0。 GEO: 在ACM=3的情况下源漏分配选择设置。

DELVTO: 零偏压下的阈值电压漂移量，缺省值为0.0。 MOSFET模型中的电流方向规定：

图2.4.4 MOSFET（以n沟为例）模型中电流方向

26

例 ：M1 24 2 0 20 TYPE1

M31 2 17 6 10 MODM L=0.5U W=2U M31 2 17 6 10 MODM 0.5U 2U 或 .OPTION WL

M31 2 17 6 10 MODM 0.8U 5U M1 2 9 3 0 MOD1 L=10U w=5U AD=100P + AS=100P PD=40P PS=40U

M1 2 9 3 0 MOD1 10U 5U 2P 2P

§2.5 子电路描述语句（.SUBCKT或.MACRO语句）

HSPICE软件允许用户在程序执行过程中调用由各种HSPICE元件和器件构成的子电路。子电路的大小或复杂性没有限制，子电路中可嵌套其它子电路。子电路是以 .SUBCKT或 .MACRO 开头，以 .ENDS结束的一组语句。一旦定义好，它可看作是以X关键字开头的器件。 一.子电路定义开始语句

一般形式: .SUBCKT subnam n1

或 .MACRO subnam n1

其中：

subnam 是子电路参考名

n1… 是子电路外部参考节点，它们不能为零（地节点）。 子电路定义中的任何节点是局部变量，只有下述三 种节点情 况例外 :

1． 接地点 (节点为 0 )

2． 在 MOSFET 或 BJT 模型中用 BLUK 定义 的节点号 3．由 .GLOBAL 语句定义的节点号

所以子电路定义中的节点号、器件名、MODEL的说明可以和外部的相同，而不会冲突 。

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parnam : 用来设置子电路中用到的参数值。 二. 子电路终止语句

一般形式 ： .ENDS < SUBNAM > 或 .EOM < SUBNAM >

该语句一定是子电路定义的最后一个语句。SUBNAM代表该子电路名。如果该语句后有子电路名，则表示该子电路定义结束，若无子电路名，则表示 .ENDS 或 .EOM 之前的所有子电路定义都结束。子电路名只有在子电路定义嵌套时才需要写在 .ENDS 或 .EOM 语句中。 三. 子电路调用语句

一般形式: Xyyy n1 < n2 n3 . . . > subnam < parnam=val . . . >

+

其中:

XYYY 子电路元件名，必须以”X”开头，后面最多跟15个 字符的字符串

n1... 子电路调用节点号 subnam 子电路参考名

parnam 用来设置子电路中用到的参数值 M 子电路并联使用时的倍增因子.

由于子电路本身的外节点号是局部的，所以和子电路调用的节点号无关，但电路节点号的顺序必须和 。SUBCKT 语句中定义的顺序一致。 例: *FILE SUB2.SP TEST OF SUBCIRCUITS .OPTIONS LIST ACCT *

.PARAM p5=5 p2=10 *

.SUBCKT SUB1 1 2 p4=4 R1 1 0 p4 R2 2 0 p5 X1 1 2 SUB2 p6=7 X2 1 2 SUB2 .ENDS

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*

.MACRO SUB2 1 2 p6=11 R1 1 2 p6 R2 2 0 p2 .EOM *

X1 1 2 SUB1 p4=6 X2 3 4 SUB1 p6=15 X3 3 4 SUB2

.MODEL DA D CJA=CAJA CJP=CAJP VRB=-20 IS=7.62E-18 + PHI= .5 EXA= .5 EXP= .33 *

.PARAM CAJA=2.535E-16 CAJP=2.53E-16 .END

§2.6 模型描述语句 (.MODEL语句)

在用HSPICE模拟过程中，很多元器件都要使用相关模型以确定它们的参 数值。

模型语句的一般形式是：

.MODEL mname type < prame1=val1 pname2=val2 . . . >

其中：

mname 模型参考名、元件必须靠这个名字来指明所要参考的 模型。

type 用来选择模型类型、模型类型必须是下列类型中的 一种：

AMP: 运算放大器模型 C: 电容模型

CORE: 磁芯模型

D: 二极管模型 L: 磁芯互感模型 NJF: n沟JFET模型 NMOS: n沟MOSFET模型

NPN: npn 双极型晶体管模型 OPT: 优化模型 PJF: p沟JFET模型

PLOT : 针对.GRAPH语句的硬拷贝绘图模型 PMOS: p沟MOSFET模型

PNP: pnp双极型晶体管模型 R : 电阻器模型

pname1… 用来设置模型参数名。模型参数名必须是相应模型 中存在的参数，未给定的参数名和值就由程序中的 缺省值代替。模型参数值由圆括号内参数表中的参 数值给出。每个独立参数之间用空格或逗号分隔， 续行前要加”+”号。

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例: .MODEL MOD1 NPN BF = 50 IS = 1E-13 VBF = 50 AREA = 2

+ PJ = 3 N = 1.05

§2.7 库文件调用及定义语句 (.LIB语句)

在用HSPICE对电路的模拟中，经常要对元器件的模型及其参数以及子电路进行描述或定义。HSPICE软件允许将器件模型(.MODEL语句)、子电路的定义(包含.ENDS语句)、有关注释语句及库文件调用语句(.LIB语句)等集中存放到库文件中，而在调用所要使用的模型和子电路时，仅需要将所要的模型、子电路等内容取出进入存储器即可，这样速度快、占内存少。HSPICE中一个读取库文件的执行过程直到遇到.ENDL语句才结束。所以库文件给电路模拟带来极大方便。 一 .库文件调用语句

一般形式: .LIB ′< filepath > f ilename ′ entryname 或 .LIB libnumber entryname 其中:

filepath 指明库文件所在的路径，当库文件与HSPICE运行在 一目录下，则可缺省目录路径。“../”表示当前目录的 上一级目录。

filename 包含在数据文件的文件名，所有文件目录路径和文件 名组合最长不超过256个字符。文件目录路径和文件 名必须包含在单引号或双引号中。

entryname 进入文件的类型名，这个名字的第一个字符不能是一 个整数。

libnumber 参考库文件的另一种方法。值得注意的是在不同的 操作系统下，数字定义域不同，如11～89可以用在 除UNIX以外的所有系统中。UNIX系统一般用9～14。

例: .LIB ′MODELS ′ cmos1

.LIB ′../sum/MODELS ′ cmos1 .LIB 14 lm 101 二 .宏模块库建立的规定:

1. .ALTER语句不能包含在库中

2. 一个库可以嵌套自身可供调用的库或其它可供调用的库

3. 一个库中不能嵌套与它有同样库类型进入识别名的同一库文件 4. 库文件中不能包含END语句

5. 在用 .INCLUDE 语句调用 .LIB 语句期间是不能再用 .ALTER语句来进

行运行处理。

.LIB文件在调用时相当灵活，它里面包含了由.MODE L语句定义的模型参 数，并能作为一个以 .LIB entyname 开头，.ENDL entyname 结束的宏模块来

30

加以调用。在一个库文件中可嵌套多个库文件，分层调用，给电路模拟带来了极大的方便。

第三章 电路性能分析和控制语句

对电路性能进行分析，进而对电路设计起到指导性作用，这是电路模拟的意义所在。电路的性能分析包括：直流分析（直流工作点、直流扫描分析、灵敏度分析、小信号输出函数分析等）；交流分析（交流小信号分析、小信号失真分析、交流噪声分析等）；瞬态分析（瞬态分析、富利叶分析等）及蒙特卡罗（Monte Carlo）分析和最坏情况（WAST CASE）、温度特性等分析。本章主要介绍HSPICE电路模拟中的一些主要分析语句和控制语句。HSPICE中的所有分析和控制语句都必须以“.”开头，各语句间的次序可随意且可多次设置。

§3.1 电路性能分析语句

一.直流工作分析语句 1. 直流工作点分析.OP

当输入文件中包含了一个.OP语句时，HSPECE软件将去计算电路的直流工作点，.OP语句也可能在进行瞬态分析时产生一个直流工作点作为瞬态分析的初始条件。此语句在进行电路直流工作点计算时，电路中所有电感短路，电容开路。值得注意的是，在一个HSPICE模拟中只能出现一个.OP语句。

一般形式： .OP < format > < time > < forme > < time > 其中：

format 是下述关键字中的任何一个（只有第一个自号有效的，

缺省值为ALL）：

ALL 提供全部工作点值，包括电压、电流、电导和电容等值。 BRIEF 每一个元件都产生一行电压、电流和功率值，电流单位是 mA ，功率单位是mw。

CURRENT 提供一种带有元件电流和功率的电压表格样式的简明结 果。

DEBUG 此参数同上只有在模拟结果不收敛的情况下才由程序来 调用。并能调整打印出收敛节点的新、老电压以及不收 敛的程度（容差），它也能打印出带容差值的不收敛元 件。

NOTE 禁止节点和元件打印输出，但允许执行时附加分析规 定 。

VOLTAGE 仅提供电压输出表格形式。

对上述关键字有一点值得特别注意，这些关键字互相不兼容，同一时间只能用一个关键字定义。

time 这个参数直接跟在 All、Voltage、Current或DEBUG等参

31

数后面 ，用来确定这些参数值输出打印的时间 。 下面给出两个进行直流工作点分析的例子：

例1：.OP .5NS CUR 10NS VOL 17.5NS 20NS 25NS

在例1中计算了直流工作点，并要求在0.5ns时打印出所有直流工作点值，此外电流在10 ns，电压在17.5 ns、20ns以及25 ns 时进行瞬态分析。

例2：给出了一个直流工作点分析后的输出结果。 .OP

Example Output Example Output

***** OPERATING POINT INFORMATION TNOM= 25.000 TEMP= 25.000

***** OPERATING POINT STATUS IS ALL SIMULATION TIME IS 0. NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE + 0:2 = 0. 0:3 = 437.3258M 0:4 = 455.1343M

+ 0:5 = 478.6763M 0:6 = 496.4858M 0:7 = 537.8452M + 0:8 = 555.6659M 0:10 = 5.0000 0:11 = 234.3306M **** VOLTAGE SOURCES SUBCKT

ELEMENT 0:VNCE 0:VN7 0:VPCE 0:VP7 VOLTS 0. 5.00000 0. -5.00000

AMPS -2.07407U -405.41294P 2.07407U 405.41294P POWER 0. 2.02706N 0. 2.02706N

TOTAL VOLTAGE SOURCE POWER DISSIPATION = 4.0541 N WATTS **** BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS SUBCKT

ELEMENT 0:QN1 0:QN2 0:QN3 0:QN4 MODEL 0:N1 0:N1 0:N1 0:N1

IB 999.99912N 2.00000U 5.00000U 10.00000U IC -987.65345N -1.97530U -4.93827U -9.87654U VBE 437.32588M 455.13437M 478.67632M 496.48580M VCE 437.32588M 17.80849M 23.54195M 17.80948M VBC 437.32588M 455.13437M 478.67632M 496.48580M VS 0. 0. 0. 0.

POWER 5.39908N 875.09107N 2.27712U 4.78896U

BETAD-987.65432M -987.65432M -987.65432M - 987.65432M GM 0. 0. 0. 0.

RPI 2.0810E+06 1.0405E+06 416.20796K 208.10396K RX 250.00000M 250.00000M 250.00000M 250.00000M RO 2.0810E+06 1.0405E+06 416.20796K 208.10396K

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CPI 1.43092N 1.44033N 1.45279N 1.46225N

CMU 954.16927P 960.66843P 969.64689P 977.06866P CBX 0. 0. 0. 0.

CCS 800.00000P 800.00000P 800.00000P 800.00000P BETAAC 0. 0. 0. 0. FT 0. 0. 0. 0.

2.直流扫描分析.DC

该语句规定了直流传输特性分析时所用的电源类型和扫描极限。在直流分析中，.DC语句可进行 a. 直流参数值扫描 b. 电源值扫描 c. 温度范围扫描

d. 执行直流蒙特卡罗分析（随机扫描） e. 完成直流电路优化 f. 完成直流模型特性化

.DC语句具体格式取决于实际应用需要，下面给出了一些应用格式： (1)直流扫描或直流参数化扫描

.DC var1 START=start1 STOP=stop1 STEP=incr1

或 .DC var1 START= STOP = + STEP=< param-expr3>

或 .DC var1 start1 stop1 incr1

.DC var1 start1 stop1 incr1 < var2 start2 stop2 incr2>

(2)数据驱动扫描

.DC var1 type np start1 stop1 或 .DC DATA=datanm 或 .DC DATA=datanm

(3)蒙特卡罗分析

.DC var1 type np start1 stop1 或 .DC MONTE=val

(4)优化

.DC DATA=datannm OPTIMIZE=opt_par_fun + RESULTS=measnames MODEL=optmod

或 .DC var1 start1 stop1 SWEEP OPTIMIZE=OPT××× + RESULTS=measnames MODEL=optmod

其中：

DATA=datanm .DATA 语句的参考名

incr1… 电压、电流、分量模型参数或温度的增量 MODEL 用于优化分析的.MODEL OPT 语句中所规定

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的优化参考名

MODEL=val 表示一个随机产生数，用来从某一分布选择参 数，这个分布可以是高斯分布、均匀 分布或者 是随机分布

np 以十进制或倍频程变化的点的数目，也可以是 代表上述关键字的数字

OPTIMIZE .PARAM语句中用于优化所规定的参数参考名 RESULTS .MEASURE语句中用于优化所规定的量度名 start1 起始电压、电流、分量模型参数或温度值 stop1 终止电压、电流、分量模型参数或温度值 值得注意的是若“type”用“POI”，则一个参数值表将替代“start”、“stop”

SWEEP 表示具有不同变量类型（DEC、OCT、LIN、 POI、DATA语句或MONTE=val）的第二次扫 描的关键字

TEMP 表示进行温度扫描的关键字

type 可以用下列任何一个关键字表明扫描类型 DEC 十进制变量（变量按十个一组的数量级变 化进行扫描

OCT 倍频程变量（变量按倍频程规律变化进行 扫描）

LIN 线性变量（变量按线性规律变化进行扫描） POI 参数点表（按所列参数点表进行扫描〕 var1… 可以是独立电压源或电流源名，任何分量或模型 的参数，也可以是用来表明温度扫描的关键字 “TEMP”。

下面给出了几个直流扫描分析的实际例子：

The following example causes the value of the voltage source VIN to be swept

from 0.25 volts to 5.0 volts in increments of 0.25 volts. .DC VIN 0.25 5.0 0.25

The following example invokes a sweep of the drain to source voltage from 0 to

10 V in 0.5 V increments at VGS values of 0, 1, 2, 3, 4, and 5 V. .DC VDS 0 10 0.5 VGS 0 5 1

The following example asks for a DC analysis of the circuit from -55癈 to 125癈

in 10癈 increments. .DC TEMP -55 125 10

8-6 Star-Hspice Manual, Release 1998.2

34

As a result of the following script, a DC analysis is conducted at five temperatures: 0, 30, 50, 100 and 125癈.

.DC TEMP POI 5 0 30 50 100 125

In the following example, a DC analysis is performed on the circuit at each

temperature value, which results from a linear temperature sweep from 25癈 to

125癈 (five points), sweeping a resistor value called xval from 1 k to 10 k in

0.5 k increments.

.DC xval 1k 10k .5k SWEEP TEMP LIN 5 25 125

The example below specifies a sweep of the value par1 from 1 k to 100 k by 10

points per decade.

.DC DATA=datanm SWEEP par1 DEC 10 1k 100k

The next example also requests a DC analysis at specified parameters in the

.DATA statement referenced by the .DATA statement reference name datanm. Parameter par1 also is swept from 1k to 100k by 10 points per decade. .DC par1 DEC 10 1k 100k SWEEP DATA=datanm

The final example invokes a DC sweep of the parameter par1 from 1k to 100k by 10 points per decade, using 30 randomly generated (Monte Carlo) values. .DC par1 DEC 10 1k 100k SWEEP MONTE=30

Schmitt Trigger Example Schmitt Trigger Example

*file: bjtschmt.sp bipolar schmitt trigger .options post=2 vcc 6 0 dc 12

vin 1 0 dc 0 pwl(0,0 2.5u,12 5u,0) cb1 2 4 .1pf rc1 6 2 1k rc2 6 5 1k rb1 2 4 5.6k rb2 4 0 4.7k re 3 0 .47k

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*

diode 0 1 dmod

q1 2 1 3 bmod 1 ic=0,8 q2 5 4 3 bmod 1 ic=.5,0.2 *

.dc vin 0,12,.1 *

.model dmod d is=1e-15 rs=10

.model bmod npn is=1e-15 bf=80 tf=1n + cjc=2pf cje=1pf rc=50 rb=100 vaf=200 .plot v(1) v(5)

.graph dc model=schmittplot input=v(1) output=v(5) 4.0 5.0 .model schmittplot plot xscal=1 yscal=1 xmin=.5u xmax=1.2u .end

3.直流灵敏度分析.SENS

如果在输入文件中包括了一个.SENS语句，HSPICE将对每一个规定的的输出变量相对于相关的电路参数做直流小信号灵敏度分析。灵敏度测量就是一个输入变量相对于给定的电路元件参数在工作点附近求偏微分并加以归一化的过程。因此，所有元件的灵敏度总和是100％，HSPICE能对电阻、独立电压源、独立电流源、二极管及双极型晶体管做直流小信号灵敏度分析。每一次电路模拟中只能执行一个.SENS分析，若输入文件中有多个.SENS语句，则HSPICE只执行最后一个.SENS语句。

一般形式：.SENS ov1 其中：

ov1 ov2 代表直流灵敏度分析中的分支电流或节点电压。

例：SENS V(9) V(4,3) V(17) I(Vcc)

4.直流小信号出数函数分析.TF

直流小信号传输函数.TF定义了直流小信号分析中输出与输入的比值，输入电阻值和输出电阻值。每一次电路模拟过程中只能用一个.TF语句，若输入文件中有多个.TF语句，则HSPICE只执行最后一个.TF语句

例：.TF V(5,3) VIN .TF I(VLOAD) IN

在上述第一个例子中，HSPICE计算了V(5,3)对VIN的比值，在VIN端的输入电阻及节点5和节点3之间的小信号输出电阻。

5.极／零点分析.PZ

HSPICE中提供了一种供电路进行极点和零点分析的语句。在pole/zero分

36

析中，其分析网络用它的网络传输函数来描述，对于任何线性时间恒定的网络，其传输函数表示为：

N(s)a0⋅sm+a1⋅s(m−1)+...+am

=H(S)= D(s)b0⋅sn+b1⋅s(n−1)+...+bn

它是输出函数n(s)的拉普拉斯变换N(s)与输入函数d(x)的拉普拉斯变换D(s)的比。当H(s)的分母等于零的特征方程的根Pj(j=1,2,...,m)被称为传输函数的极点。H(s)的分子等于零的特征方程的根Zi(i=1,2,...,m)被称为传输函数的零点。利用零点和极点，系统的传输函数可以写成另一种形式：

a0(s+z1)(s+z2)...(s+zi)...(s+zm)

H(s)=⋅

b0(s+p1)(s+p2)...(s+pj)...(s+pm)

.PZ语句的一般形式：.PZ output input 其中：

PZ 表示进行极/零点分析

input 表示输入源，可以是任何独立电压或电流源名

output 代表输出变量，可以是任何节点电压V(n)或支路电流I(element

name)

例： .PZ V(10) VIN .PZ I(RL) ISORC .PZ L1(M1) VSRC

二.交流分析语句

1.交流小信号分析.AC

交流小信号分析时，HSPICE将交流输出变量作为指定频率的函数来加以分析计算。分析时HSPICE首先求直流工作点，作为交流分析的初始条件，这时HSPICE将电路中所有非线性器件变换成线性小信号模型，电容和电感则被换算成相应的导纳值：YC=jwc和YL=1/jwl。 HSPICE允许电阻有不同的直流和交流值。若在电阻描述语句中定义了AC=，则在直流工作点计算时用直流电阻值，但在交流分析时则用交流 电阻值。这对于分析运算放大器特性十分便利，因为在进行运放直流工作点计算时，可以用一个低阻值直流电阻构成反馈式单位增益结构来进行计算，而在运放交流分析时，可以用一个高阻交流电阻构成开环形式来进行交流分析。

交流分析允许对下述参数进行扫描分析： （a）频率 （b）分量

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（c）温度 （d）模型参数

（e）随机分布（蒙特卡罗分析） （f）优化及交流设计分析 =

.AC语句形式视具体的应用情况而定，下面给了几种应用情况的语句形式：

（1）单/双扫描

.AC type np fstart fstop 或 .AC type np fstart fstop 或 .AC type np fstart fstop 或 .AC var1 START= STOP= + STEP= 或 .AC var1 START=start1 STOP=stop1 STEP=incr1

（2）参数化扫描：

.AC type np fstart fstop 或 .AC DATA=datanm

（3）优化扫描

.AC DATA=datanm OPTIMIZE=opt_par_fun + RESULTS=measnames MODEL=optmod

（4）随机/蒙特卡罗分析：

.AC type np fstart fstop

其中：

DATA=datanm .AC语句中涉及到的数据名：

incr 代表电压、电流、分量或模型参数增量。值得注意的是，若 “type”变量在语句中被设置，则“np”值将替代“incr”值。 fstart 表示起始频率。 fstop 表示中止频率。

如果“POI”变量在语句中被设置，则一个频率值表将替代“fstart”和 “stop”设置

MONTEval 表示一个随机产生数，用来从某一分布选择参数，这个分 布可以是高斯分布、均匀分布或者是随机范围分布。

np 以十进制或倍频程变化的点的数目，也可以是代表关键字的数 字。

start 起始电压、电流、任何分量或模型参数值。 stop 中止电压、电流、任何分量或模型参数值。 SWEEP 表示在.AC语句中第二个扫描的关键字。 TEMP 表示进行温度扫描的关键字。

type 可以用下列任何一个关键字表明的扫描类型： DEC 十进制变量（变量按十个一组的数量级变化进行扫描）

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OCT 倍频程变量（变量按倍频程规律变化进行扫描） LIN 线性变量（变量按线性规律变化进行扫描） POI 参数点表（按所列参数点表进行扫描）

var 可以是独立电压源或电流源名、任何分量或模型的参数，也可 以是用来表明温度扫描的关键字”TEMP”。

下面给出几个交流扫描分析的实际例子：

The following example performs a frequency sweep by 10 points per decade from 1 kHz to 100 Mhz. .AC DEC 10 1K 100MEG

The next line calls for a 100 point frequency sweep from 1Hz to 100 Hz. .AC LIN 100 1 100HZ

The following example performs an AC analysis for each value of

cload,which results from a linear sweep of cload between 1 pF and 10 pF(20 points),sweeping frequency by 10 points per decade from 1Hz to 10 kHz. .AC DEC 10 1 10K SWEEP cload LIN 20 1pf 10pf

The following example performs an AC analysis for each value of rx,5 k and 15 k,sweeping frequency by 10 points per decade from 1Hz to 10 kHz. .AC DEC 10 1 10K SWEEP rx POI 2 5k 15k

The next example uses the DATA statement to perform a series of AC analyses modifying more than one parameter.The parameters are contained in the file datanm.

.AC DEC 10 1 10K SWEEP DATA=datanm

The following example illustrates a frequency sweep along with a Monte Carlo analysis with 30 trials.

.AC DEC 10 1 10K SWEEP MONTE=30

最后还有一点在实际应用中要值得注意，在进行交流分析时，其数据文件中至少应包含一个独立交流源元件，例如（VI INPUT GND AC 1V）。HSPICE 在进行交流扫描分析时，会检查这个条件是否成立，若没有这个条件，则HSPICE会报错并停止相应的交流扫描分析。

2.交流小信号失真分析.DISTO

.DISTO语句是HSPICE用来计算小信号条件下电路的失真特性，它是交流小信号（正弦稳态）频率特性分析的一部分。该语句在规定负载电阻的情况下计算五个失真量（DIM2，DIM3，HD2，HD3，SIM2），分析时假定在输入端叠加一个或两个频率的信号。第一个频率F1被用来计算谐波失真特性，它就是.AC语句做频率扫描中设置的标称分析频率，另外第二个频率是一个可选的输入频率F2，它被用来计算相互调制失真特性，这个频率由skw2参数隐含设置，skw2=F2/F1。

.DISTO语句可计算的五种失真量是：

（1）DIM2 相互调制失真量（与第一级谐波差额时的失真量）。即频率 分量F1－F2 相关的幅度和相位。

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（2）DIM3 相互调制失真量（与第二级谐波差额时的失真量）。即频率 分量2*F1－F2相关的幅度和相位。

（3）HD2 第二级谐波失真量。即忽略F2时，2*F1频率分量相关的幅度 和相位。

（4）HD3 第三级谐波失真量。即忽略F2时，3*F1频率分量相关的幅度 和相位。

（5）SIM2 相互调制失真量（总量）。即频率分量F1+F2相关的幅度和 相位。

一般形式：

.DISTO Rload >>> 其中：

Rload 输出负载电阻名字，所有输出失真功率是在该负载电阻上计 算得出的。

nter 打印失真计算结果的频率间隔，一般这个频率就是进行交流扫 描的频率。如果这个参数省略或置零就不打印失真计算结果输 出 一览表，在这种情况下可以用.PRINT和.PLOT 语句对失真 计算结果进行打印。如果这个参数置1或大于1，则以所设置数

为第一个打印频率，并以此为增量打印出失真计算结果。在实 际应用中，有时仅需要第一个和最后一个频率的失真计算结果 被打印出来，此时inter 可设置成与.AC中分析的总步长一样的

值，如若仅要求最后一个频率的失真计算结果被打印出来，则 只要把inter值设置得比.AC分析的终止频率还要大即可。 skw2 代表第二个频率F2与标称分析频率F1的比值。允许的范围是 1e-3例：.DISTO RL 2 0.95 1.0E-3 0.75

最后也要提请注意的是，每一次电路模拟也只执行一个失真分析，若输入文件中有多个.DISTO语句，则HSPICE 在一次电路模拟中只执行最后一个.DISTO语句。

3.交流噪声分析.NOISE

电路中产生噪声的元器件有电阻和半导体器件，每个器件的噪声源在AC分析的每个频率计算出相应的噪声，并传送到一个输出节点。电路总的输出噪声就是各个噪声源计算所得噪声在该点进行RMS(root-mean-square均方根)相加而得到的结果：

onoise=∑Zn⋅⋅In

n=1

n

2

其中:

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onoise 总的输出噪声

I 由各个端点噪声产生的等效电流，这些端点噪声一般是散粒噪声 或闪烁噪声

Z 噪声源与输出之间的等效电阻

n 与电路中所有电阻、MOSFET、二极管、JFET和BJT有关的噪声 源数目。

电路的等效输入噪声是总的输出噪声去除以电压(电流)增益或传输函数而得到的。

电路噪声分析中，输出和输入噪声被用噪声带宽的平方根加以归一化，它们的单位是V/Hz或A/Hz。通过在相应的器件模型参数中加人KF和AF参数，则闪烁噪声源可以被进行模拟。

电路中每个噪声源的贡献可以通过在.NOISE语句中设置间隔频率参数

inter被打印出来。电路的输出噪声和等效输入噪声也能够通过.PRINT和.PLOT语句被打印和绘制出来。同样，在一次电路模拟只执行一次.NOISE语句，若输入文件中有多个.NOISE语句，则HSPISE只执行最后一个.NOISE语句。.NOISE语句与.AC语句配合使用，完成电路的噪声分析。 一般形式：.NOISE ovv srcnam inter 其中:

ovv 是指定节点总的噪声输出电压

srcnam 是作为噪声输入基准的独立电压源或独立电流源。

inter 打印噪声分析结果的频率间隔，一般这个频率就是进行交 流扫描的频率。如果这个参数省略或置零就不打印噪声分析 结果输出一览表；如果这个参数置1或大于1，则以所设置数

为第一个打印频率，并以此为增量打印出噪声分析结果。

例：.NOISE V(5) VIN 10

3.噪声叠加分析.SAMPLE

在模拟信号进行数据采样时，经常需要对数据采样噪声进行分析。HSPISE采用.SAMPLE语句和.AC语句配合使用的方法，对电路采样噪声进行分析。.SAMPLE语句导致HSPISE在输出节点完成一个采样噪声叠加分析。 一般形式：.SAMPLE FS=freg + 其中:

FS=freg 数据采样频率，单位是Hz

TOL 采样出错容差：最高叠加频率间隔时的噪声功率与基频时的噪 声功率的比值。缺省值是1.0e-3

NUMF 允许用户自定义的最大频率值，一般要求内部产生频率是这个 频率的10倍，因此一般要求这个自定义频率小些。其缺省值是 100。

MAXFLD 允许的最大叠加频率间隔。采样噪声分析计算中的最高频率由 下式决定：

FMAX=MAXFLD.FS

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其缺省值为100。

BETA 积分器占空比。这是一个可选项，表示在采样节点规定了一个 可选的噪声积分器，BETA=0，表示没有规定积分器，BETA=1 或缺省，表示规定了采样积分器。

4.交流网络分析.NET 语句

.NET语句在HSPICE进行交流分析时，计算了阻抗矩阵(Z矩阵)，导纳矩阵(Y矩阵)，混合矩阵(H矩阵)和散射矩阵(S矩阵)的参数。另外，输入阻抗，输出阻抗和导纳也被计算。交流网络分析是交流小信号分析的一个组成部分，因此，.NET语句也要求与.AC语句配合使用。 一般形式：单端网络

.NET input 或 .NET input 双端网络

.NET output input 其中：

input 交流输入电压或电流源名

output 输出端口。它可以是输入电压，如V(n1,n2),也可以是输出电

流，如I(source) 或I(element)

RIN 代表输入或源电阻值的关键字。RIN值被用来计算输出阻抗 和导纳，也可以用来计算散射参数。RIN的缺省值是1Ω ROUT 代表输出或负载电阻值的关键字。ROUT值被用来计算输入 阻抗和导纳，也可以用来计算散射参数。ROUT的缺省值是 1Ω

例：单端网络

.NET VINAC RIN=50 .NET IIN RIN=50 双端网络

.NET V(10,30) VINAC ROUT=75 RIN=50 .NET I(RX) VINAC ROUT=75 RIN=50

三.瞬态分析语句

1.瞬态分析.TRAN

瞬态分析是与时间有关的电路特性分析。HSPICE在进行瞬态分析时首先执行直流工作点分析，并以此为初始条件开始进行瞬态分析，除非在.TRAN语句中也包含了UIC参数，则.TRAN语句进行瞬态分析时，从.IC语句中规定的节点电压开始进行。值得注意的是，对于振荡器电路或带有反馈的电路，因为其没有稳态工作点，所以在瞬态分析时，必须把反馈回路打断，这样瞬态分析开始前才能进行直流工作点计算。

例如： .TRAN 1ns 100ns UIC .op 20ns

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这个例子说明.TRAN语句由于包含UIC参数，其瞬态分析从.IC语句中规定的初始条件开始，并且说明.OP语句在瞬态分析期间能被用来存储一个直流工作点的计算值。上述例子中说明在瞬态分析期间在t=0和t=20ns时.OP语句计算了瞬态工作点。

在瞬态分析中，若出现“internal timestep too small”信息，则表示电路分析不收敛。造成不收敛的原因可能是所调用的初始条件没有充分抑制实际直流工作点值。

瞬态分析最常用的形式是：

.TRAN TSTEP TSTOP

其中TSTEP是行打印机输出的打印或作图的增量，亦即瞬态分析的步长。TSTOP是终止时间，TSTART是初始时间，如果省去TSTART，HSPICE用缺省值0.0。瞬态分析总是从时间为零开始，在时间为零到TSTART的时间间隔内，瞬态电路分析仍进行(为了达到一个稳态)，但没有输出，而且瞬态分析值没有存储起来。在TSTART和TSTOP间隔内进行的计算才被存储并输出。 HSPICE还可以进行多种用途的瞬态分析：

(1)单点分析

.TRAN var1 START=start1 STOP=stop1 STEP=incr1 .TRAN var1 START= STOP= + STEP=

(2)双点分析：

.TRAN var1 START=start1 STOP=stop1 STEP=incr1 +

.TRAN tincr1 tstop1 +

(3)参数化扫描：

.TRAN tincr1 tstop1 +

(4)数据驱动扫描：

.TRAN DATA=datanm

.TRAN var1 START=start1 STOP=stop1 STEP=incr1 或 +

.TRAN DATA=datanm

(5)蒙特卡罗：

.TRAN tincr1 tstop1 +

(6)优化：

.TRAN DATA=datanm OPTIMIZE=opt_par_fun RESULTS=measnames + MODEL=optmode

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其中 ：

DATA=datanm 有关 .TRAN语句中的数据名

MONTE=val 表示一个随机产生数，用来从某一分布选择参数，这个 分布可以是高斯分布、均匀分布或者随机范围分布。 np 以十进制或倍频程变化的点的数目，也可以是代表上述 关键字的数字

param_exp... 用户规定的表达式，例如：param_exp1... param_expN pincr 示电压、电流、分量或模型参数及温度的增量。值得 注意的是：若“type”变量在语句中被设置，则“np”值 将代替“pincr”值

pstart 起始电压、电流、温度、任何分量或模型参数指。 pstop 终止电压、电流、温度、任何分量或模型参数值。 如果“POI”变量在语句中被设置，则一个参数值表将

替代“pstart”和“pstop”设置

START 打印或绘图开始时间。值得提醒的是，当 .TRAN语句 连同 .MEASURE语句一起用时，START时间要设置成 0。即从零时间开始打印或绘图，否则会导致.MEASURE 语句得出不正确结果

SWEEP 在 .TRAN语句中被用来规定第二次扫描的关键字。 tincr1... 打印机上打印或绘图点增量的设置。 tstop1... 瞬态分析终止时间。

type 可以用下列任何一个关键字表明分析类型

DEC 十进制变量 (变量按十个一组的数量级变化进行分 析)

OCT 倍频程变量 (变量按倍频程规律变化进行分析) LIN 线性变量 (变量按线性规律变化进行分析) POI 参数点表 (按所列参数点表进行分析)

UIC 在 .TRAN语句中设置了UIC参数后，HSPICE进行瞬态分 析时用 .IC语句或各分量中“IC=”参数所规定的值作为 其初始条件（节点电压）,而不用静态工作点作为初始条

件

var 可以是独立电压源或电流源名，任何分量或模型的参数， 也可以是用来表明温度扫描的关键字“TEMP”

下面给出几个瞬态分析的实际例子：

The following example performs and prints the transient analysis every 1ns for 100ns. .TRAN 1NS 100NS

The following example performs the calculation every 0.1ns for the first 25ns, and then every 1ns until 40ns; the printing and plotting begin at 10ns.

.TRAN .1NS 25NS 1NS 40NS START=10NS

The following example performas the calculation every 10ns for 1us; the

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initial DC operating point calculation is bypassed, and the nodal voltages specified in the .IC statement (or by IC parameters in element statements) are used to calculate initial conditions. .TRAN 10NS 1US UIC

The following example increases the temperature by 10°C through the range -55°C to 75°C and performs transient analysis for each temperature. .TRAN 10NS 1US UIC SWEEP TEMP -55 75 10

The following performs an analysis for each load parameter value at 1pF,5pF, and 10pF.

.TRAN 10NS 1US SWEEP load POI 3 1pF 5pF 10pF

2.傅立叶 (Fourier) 分析 .FOUR

傅立叶分析是瞬态分析的一部分，HSPICE在tstop－fperiod 到tstop的时间间隔内进行傅立叶分析，tstop就是 .TRAN语句中的终止时间，而fperiod是傅立叶分析的基频。傅立叶分析时不是所有的瞬态结果都要用到，只用到瞬态分析分析终止时间TSTOP之前的基频的一个周期。傅立叶分析时间是TSTOP－(TSTOP－1/fperiod)=1/fperiod，就是说，瞬态分析至少要持续 1 / fperiod。傅立叶分析能够得到基频、DC分量和第2到第9次谐波（交流分量）。

为了得到最高的精度，应把 .OPTION DELMAX设置成 period / 100。对那些高谐振因子（高Q值）电路，诸如晶振电路、谐振电路及有源滤波器等 DELMAX可被设置得小些（比 period /100 小〕。

一般形式： .FOUR freq ov1 其中 ：

freq 傅立叶分析的基频

ov1… 是要求分析的输出变量 (节点电压）

例： .FOUR 100K V(5)

§3.2 设置初始状态语句

设置初始状态是为在电路模拟中计算偏置点而设定一个或多个电压 (电流) 值的过程。在模拟非线性电路、振荡电路及触发器电路的直流或瞬态特性时，常出现解的不收敛现象，当然实际电路不一定没有解。其原因是偏置点发散或收敛的偏置点不能适应多种情况。设置初始值最通常的原因就是在两个或更多的稳定工作点中选择出一个，使模拟顺利进行。

初始状态的设置除了在元器件描述语句中使用的 IC=…以外，还可用 .IC和 .DCVOLT及 .NODESET语句来实现。

一.初始条件语句.IC和.DCVOLT

.IC语句或.DCVOLT语句是用来设置瞬态分析初始条件的，并取决于.TRAN语句中是否规定了参数UIC。该语句有两种不同的解释。 1.当.TRAN语句中规定了UIC参数时，HSPICE不去计算初始直流工作点， 而

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用.IC语句总规定的节点电压计算电路中的初始条件。这和每个器件语句中规定的IC参数是完全等效的，但更为方便。这时仍规定一些IC=…值，在器件语句中规定的IC=…值优先于.IC语句的值被考虑。由于在瞬态分析前没有计算直流偏置（初始瞬态〕解，如果要用这些值来计算器件的初始条件，就应在.IC语句中仔细设定各点的直流电压值。

2.当.TRAN语句中未规定UIC参数时，HSPICE在瞬态分析前先计算直流工作点。这时.IC语句中指定的节点电压仅当作求解直流工作点时相应的节点初始值。而在瞬态分析时，对这些节点的电压限制就取消了

一般形式： .IC V(node1) = val1 V(node2)= val2 ... 或 .DCVOLT V(node1) = val1 V(node2) = val2... 其 中：

val1... 是设置的电压值，这些电压值的应用取决.TRAN语句中是否规

定了UIC 参数 node1... 节点号或节点名

例： .IC V(11) = 5 v(4) = -5 V(2) = 2.2 .DCVOLT 11 5 4 -5 2 2.2

二.节点电压设置语句.NODESET

.NODESET语句是用来帮助直流解的收敛，并不影响最后得到的工作点（对多稳态电路除外）。一旦由该语句在指定的节点上给出了规定的电压后，HSPICE先按这些节点电压来求解直流工作点，在解收敛后就去掉这些约束条件继续选代，直到算得真正的解为止。所以，.NODESET语句提供了节点电压的“猜测值”。此语句对双稳态或非稳态电路的直流计算收敛可能是必须的，它可以使电路摆脱“停顿”状态，而进入所希望的状态。在模拟过程中NODESET电压仅被用在第一步迭代中。

一般形式：.NODESET V(node1) = val1 或 .NODESET node1 val1 其 中：

node1:节点名或节点号

例：.NODESET V (5: SETX) = 3.5v V(X1.X2.VINT) = 1v .NODESET V (12) = 4.5 V(4) = 2.23 .NODESET 12 4.5 4 2.33 1 1

在初始条件的设置中共有三种形式：IC = ...、.IC和.NODESET。在电路模拟中，若有这三种或三种语句共存时，HSPICE进行电路特性分析时优先考虑的次序是(1) IC = ... (2) .IC (3) .NODESET。如.IC语句和.NODESET语句共存时，.IC语句将取代.NODESET语句。

§3.3 统计分析于参数变化分析

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在电路的设计和性能模拟中，通常是从已知的激励源及给定电路中各元器件的值来分析和计算电路的工作状态及其响应，但将这些计算结果与实际测量值进行比较时，往往不相符。这是因为设计计算的标称值与实际使用的元器件值中那些存在着一定容差的随机数值总是有一定的差异，这是一方面。另一方面，实际电路在实际使用中其参数值会随着工作条件的变化而发生变化，为了正确把握电路设计结果与实际情况的差异，进而进一步完善电路的设计性能，在电路性能模拟时进行电路的容差分析（蒙特卡罗分析）、最坏情况(worst case)及参数变化分析是必要的。本节主要介绍HSPICE中常用的统计分析与参数变化分析方法。

一。蒙特卡罗（MONTE CARLO〕分析.MC

蒙特卡罗分析法是使用随机数发生器按元件值的概率分布来选择元件，然后对电路进行模拟分析。所以蒙特卡罗分析可在元器件模型参数赋给的容差范围内，进行各种复杂的分析，包括直流分析，交流及瞬态特性分析。这些分析结果可以用来预测电路生产时的成品率及成本等。

蒙特卡罗分析法是在给定电路中各元件容差范围内的分布规律，然后用一组组的随机数对各元件取值，并确立了如下的分布规律： (1) 高斯参数分布 (2) 均匀参数分布

(3)随机范围参数分布。

蒙特卡罗分析在电路模拟中是否进行由.DC、.AC、.TRAN等分析语句中的关键字MONTE来决定。

下面给出了一些实际应用中的一般形式： （1）直流工作分析： .DC MONTE=val （2）直流扫描分析：

.DC vin 15 .25 SWEEP MONTE=val （3）交流扫描分析：

.AC dec 10 100 10meg SWEEP MONTE=val （4）瞬态扫描分析：

.TRAN 1n 10n SWEEP MONTE=val

上述应用中的“val”表示蒙特卡罗分析中迭代的次数。一般较合理的取值是30。经30次迭代蒙特卡罗统计分析后，若所有电路性能都合格，则在实际应用中，电路的80％以上元件特性正确的概率可达99％。

二.最坏情况分析

最坏情况分析经常被用来对MOS和双极型集成电路进行参数极端情况的分析，一般用来作最坏情况分析的参数是取其统计分布的＋/-2σ或＋/-3σ值来进行的。所选取的参数作最不利的组合，如：Fast、Slow、FF、SS、FS等，而后在这种情况下进行电路性能模拟，从而进一步调整电路设计参数，最后以一种符合实际的折衷方法完善电路的设计。

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三.温度特性分析 .TEMP

.TEMP语句规定了电路在什么温度下进行模拟，HSPICE允许用户对三种温度加以规定：

（1）模型参考温度。这个温度由.MODEL语句中的TREF参数决定。

（2）电路温度。由.TEMP语句或一些TEMP参数决定。用户也可以通过设置 DTEMP参数来改变某个特定元件的温度。电路温度的缺省值取TNOM 值。

（3）单个元件温度。这是用DTEMP参数的扩展功能。

HSPICE运行中的温度可以用.TEMP语句或.DC、.AC、.TRAN语句中的TEMP参数来决定。电路模拟时若未写.TEMP语句或未设定TEMP参数，则电路模拟将在TNOM值下进行，TNOM值在.OPTION语句中设定，其缺省值是250C。 一般形式：.TEMP t1>

其中：

t1,t2... 电路模拟时设定的温度值，HSPICE对每一个设定的温度值 都做一遍模拟

下面给出几个实例：

.TEMP －55.0 25.0 125.0

The .TEMP statement sets the circuit temperatures for entire circuit simulation.HSPICE uses the temperature set in the .TEMP statement along with the TNOM option setting (or theTREE model parameter) and the DTEMP element temperature,and simulates the circuit with with individual elements or model temperature.

.TEMP 100

D1 N1 N2 DMOD DTEMP=30 D2 NA NC DMOD

R1 NP NN 100 DTEMP =-30

.MODEL DMOD D IS=1E-1.5 VJ=0.6 CJA=1.2E-13 CJP=1.3E-14 TREF=60.0

From the .TEMP statement ,the circuit simulation temperature is given as 1000C.Since TNOM is not specified,it defaults to25oC.the temperature of the diode is given as 300C above the circuit temperature by the DTEMP parameter.That is, D1temp=1000C+300C=1300C.the diode,D2,is simulated at1000C.R1 is simulated at 700C.Since TREE is specified at 600C in the diode model statement,the diode model parameters given are derated by 700C(1300C - 600C) fordiode D1 and by 400C(1000C - 600C) for diode D2. The value of R1 is derated by 450C(700C -TNOM).

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四.参数及表达式定义语句.PARAM

.PARAM语句被用来对HSPICE模拟中的元件和模型所指定的关键字进行赋值，这特别适合要调用不同参数进行模拟以及统计分析（蒙特卡罗分析）等场合。因为.PARAM语句中可写入一个函数分布或参数表。

一般形式： .PARAM xx=UNIF(nominal_val , rel_variation <,multiplier>)

或 .PARAM xx=AUNIF(nominal_val , abs_variation <,multiplier>)

或 .PARAM xx=GAUSS(nominal_val , rel_variation , sigma + <,multiplier>)

或 .PARAM xx=AGAUSS(nominal_val , abs_variation , sigma <,multiplier>)

或 .PARAM xx=AUNIF(nominal_val , abs_variation) 其中：

xx 用分布函数计算的参数 UNIF 用相对变量的均匀分布函数 AUNIF 用绝对变量的均匀分布函数 GAUSS 用相对变量的高斯分布函数 AGAUSS 用绝对变量的高斯分布函数

LIMIT 用绝对变量的随机范围分布函数，这个范围是比0大1或小 1的随机结果

nominal_val 适用所有分析的蒙特卡罗分析和缺省值的正常值。

abs_variation 在AUNIF和AGAUSS分布中正常值改变+/-绝对值变量而得到

的分布

rel_variation 在UNIF和GAUSS分布的正常值上改变+/- (nominal_val.rel_variation) sigma 规定的统计分布图。

multiplier 计算重复的次数，缺省值是1

§3.4 输入和输出控制语句

在用HSPICE进行电路模拟时，还需要对输入文件和输出的结果加以处理和控制，本章主要介绍几种HSPICE运行常用的输入和输出控制语句。

一.输入控制语句

1. ALTER语句

.ALTER语句功能是能针对设定的不同参数和数据自动进行更替来进行电路的模拟。

.ALTER语句中不能包含.PRINT、.PLOT、.GRAPH或其它任何I/O语句，但可以包含所有用于分析的语句，如.DC、.AC、.OP、.TRAN、.FOUR、.DISTO、.PZ、.TF 等。除此之外，.ALTER语句的程序块还可包括一些分量语句（除源分量外）、.DATA

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语句、.DEL LIB语句、.INCLUDE语句、.IC和.NODESET语句、.LIB语句、.MODEL语句、.OPTION语句、.PARAM语句、.TEMP语句等

一般形式： .ALTER < title_string >

其中 title_string 不能超过72个字符。

下面是几个运用.ALTER语句的实际例子：

Example 1

FILE1: ALTER1 TEST CMOS INVERTER .OPTIONS ACCT LIST .TEMP 125

.PARAM WVAL=15U VDD=5 * .OP

.DC VIN 0 5 0.1 .PLOT DC V(3) V(2) *

VDD 1 0 VDD VIN 2 0 *

M1 3 2 1 1 P 6U 15U M2 3 2 0 0 N 6U W=WVAL *

.LIB 'MOS.LIB' NORMAL .ALTER

.DEL LIB 'MOS.LIB' NORMAL $removes LIB from memory $PROTECTION

.PROT $protect statements below .PROT .LIB 'MOS.LIB' FAST $get fast model library .UNPROT .ALTER

.OPTIONS NOMOD OPTS $suppress model parameters printing * and print the option summary

.TEMP -50 0 50 $run with different temperatures .PARAM WVAL=100U VDD=5.5 $change the parameters VDD 1 0 5.5 $using VDD 1 0 5.5 to change the $power supply VDD value doesn't

50

$work

VIN 2 0 PWL 0NS 0 2NS 5 4NS 0 5NS 5 $change the input source

.OP VOL $node voltage table of operating $points

.TRAN 1NS 5NS $run with transient also M2 3 2 0 0 N 6U WVAL $change channel width .MEAS SW2 TRIG V(3) VAL=2.5 RISE=1 TARG V(3) + VAL=VDD CROSS=2 $measure output * .END

Example 1 calculates a DC transfer function for a CMOS inverter. The device is

first simulated using the inverter model NORMAL from the MOS.LIB library. By using the .ALTER block and the .LIB command, a faster CMOS inverter, FAST, is substituted for NORMAL and the circuit is resimulated. With the second .ALTER block, DC transfer analysis simulations are executed at three

different temperatures and with an n-channel width of 100 µm instead of 15 µm.

A transient analysis also is conducted in the second .ALTER block, so that the

rise time of the inverter can be measured (using the .MEASURE statement).

Example 2 Example 2

FILE2: ALTER2.SP CMOS INVERTER USING SUBCIRCUIT .OPTIONS LIST ACCT .MACRO INV 1 2 3 M1 3 2 1 1 P 6U 15U M2 3 2 0 0 N 6U 8U .LIB 'MOS.LIB' NORMAL .EOM INV XINV 1 2 3 INV VDD 1 0 5 VIN 2 0

.DC VIN 0 5 0. 1 .PLOT V(3) V(2) .ALTER

.DEL LIB 'MOS.LIB' NORMAL

51

.TF V(3) VIN $DC small-signal transfer function *

.MACRO INV 1 2 3 $change data within subcircuit def M1 4 2 1 1 P 100U 100U $change channel length,width,also $topology

M2 4 2 0 0 N 6U 8U $change topology R4 4 3 100 $add the new element

C3 3 0 10P $add the new element

.LIB 'MOS.LIB' SLOW $set slow model library $.INC 'MOS2.DAT' $not allowed to be used inside $subcircuit allowed outside $subcircuit .EOM INV * .END

In Example 2, the .ALTER block adds a resistor and capacitor network to the

circuit. The network is connected to the output of the inverter and a DC small-signal

transfer function is simulated.

2. .DATA语句

.DATA语句针对每一个模拟过程期间，那些需要改变的参数提供了一种简便的改变参数并给出数值设置的有效方法。它使模拟成为一种内循环，而不需根据不同参数要求去重复读取数据再建立模拟过程，从而节省了计算时间。.DATA语句中可以读入任何数据 。并在一个输出曲线中绘制出调用不同参数进行模拟的结果。. DATA语句特别适合做数据驱动分析。 根据不同要求 .DATA语句有三种语句形式： （1）inline .DATA语句

inline .DATA语句使参数数据以列表形式在 .DATA语句程序块中出现。 一般形式： .DATA datanm pnam1 + pval1 < pval2 pval3… pval…>

+ pval1＇ .ENDDATA 其中：

datanm 在.TRAN、 .DC 或.AC语句设定的数据调用名名 pnami 在 .PARAM语句中用到的一些参数名 pvali 参数值

下面是几个运用.ALTER语句的实际例子：

.TRAN 1n 100n SWEEP DATA=devinf

52

.AC DEC 10 1hz 10khz SWEEP DATA=devinf .DC TEMP -55 125 10 SWEEP DATA=devinf .DATA devinf width length thresh cap + 50u 30u 1.2v 1.2pf + 25u 15u 1.0v 0.8pf + 5u 2u 0.7v 0.6pf + ... ... ... ... .ENDDATA

Hspice performs the above analyses for each set of parameter values defined in the .DATA statement. For example, the program first takes the width=50u, length=30u, thresh=1.2v, and cap=1.2pf parameters and performs

.TRAN, .AC and .DC analyses. The analyses are then repeated for width=25u, length=15u, thresh=1.0v, and cap=0.8pf, and again for the values on each subsequent line in the .DATA block.

（2）Concatenated .DATA File 语句

Concatenated .DATA File 语句提供了一种以相同数字的列，一列接一列排列的数据表示方式。例如有A, B, C 三个文件： A B C

a a a b b b c c c a a a b b b c c c a a a

则数据排成：

a a a a a a a a a b b b b b b c c c c c c

一般形式: .DATA dataname MER

FILE=＇file1＇ p1=1 p2=3 p3=4 p4=4 p1=1 .END DATA

其中：dataname 由 .DC、.AC 或.TRAN语句的设置给出，关键字MER告诉HSPICE去访问Concatenated .DATA 文件。

（3）Column Laminated .DATA语句

53

Column Laminated .DATA语句提供了一种以具有相同行的列并排排列的数据排列形式。例如，有三种文件D E F D E F d1 d2 d3 e4 e5 f6 d1 d2 d3 e4 e5 f6 d1 d2 d3 e4 e5 f6 则数据排列成：

d1 d2 d3 e4 e5 f6 d1 d2 d3 e4 e5 f6 d1 d2 d3 e4 e5 f6 一般形式： .DATA dataname LAM

FILE=＇file’ p1=1 p2=2 p3=3 p4=1 p5=2 p6=1 .ENDDATA

其中：LAM是一个关键字，它告诉HSPICE去访问Colum Laminated .DATA程序块。在这个程序块中所包含的文件不能超过10个。

3.任选项语句 .OPTIONS

任选项语句是为了满足用户的需要或特殊的模拟目的，允许用户重新设置程序的参数或/和控制程序的功能

一般形式： .OPTIONS opt1 其中 : opt1…是所有输入控制选项。一般以=x形式出现。其中,是控制选项名称,“x”表示那些选项的赋值。

不同的任选项在语句中可任意顺序排列。.OPTIONS语句中的选项有两种，一种是无值的，一种是有值的。关于各选项关键字含义描述列于本讲义附录二中。 例 ： . OPTIONS RELTOL=0.05 NOPAGE NOECHO DEFL=12U + DEFW=5U DEFAD=150P DEFAS=150P

.OPTIONS ACCT LIST ITL1=60

.OPTIONS DISTRIBUTION=GAUSS

二.输入控制语句

本节介绍几条HSPICE常用的输出控制语句。

1.打印语句.PRINT

.PRINT语句规定了要输出打印的变量值。

一般形式 .PRINT antype ov1 其中:

antype: 是用户规定的输出分析类型: DC 、AC、TRAN 、

54

NOISE或DISTO

ov1… 要被打印的输出变量。 在.PRINT语句中一个变量最多被赋值32位。

下面给出几个实用例子：

.PRINT TRAN V(4) I(VIN) PAR(`V(OUT)/V(IN)')

This example prints out the results of a transient analysis for the nodal voltage

named 4 and the current through the voltage source named VIN. The ratio of the

nodal voltage at node “OUT” and node “IN” is also printed. .PRINT AC VM(4,2) VR(7) VP(8,3) II(R1)

VM(4,2) specifies that the AC magnitude of the voltage difference (or the difference of the voltage magnitudes, depending on the value of the ACOUT option) between nodes 4 and 2 is printed. VR(7) specifies that the real part of the

AC voltage between nodes 7 and ground is printed. VP(8,3) specifies that the

phase of the voltage difference between nodes 8 and 3 (or the difference of the

phase of voltage at node 8 and voltage at node 3 depending on the value of

ACOUT options) is printed. II(R1) specifies that the imaginary part of the

current through R1 is printed.

.PRINT AC ZIN YOUT(P) S11(DB) S12(M) Z11(R)

The above example specifies that the magnitude of the input impedance, the

phase of the output admittance, and several S and Z parameters are to be printed.

This statement would accompany a network analysis using the .AC and .NET analysis statements.

.PRINT DC V(2) I(VSRC) V(23,17) I1(R1) I1(M1)

This example specifies that the DC analysis results are tprinted for several

different nodal voltages and currents through the resistor named R1, the voltage

55

source named VSRC, and the drain- to-source current of the MOSFET named M1.

.PRINT NOISE INOISE

In this example the equivalent input noise is printed.

.PRINT DISTO HD3 SIM2(DB)

This example prints the magnitude of the third-order harmonic distortion and the

decibel value of the intermodulation distortion sum through the load resistor

specified in the .DISTO statement.

.PRINT AC INOISE ONOISE VM(OUT) HD3

In this statement, specifications of NOISE, DISTO, and AC output variables are

included on the same .PRINT statements.

.PRINT pj1=par(‘p(rd) +p(rs)‘)

This statement prints the value of pj1 with the specified function.

2.打印宽度语句 .WIDTH

.WIDTH 语句决定了打印输出的宽度。 一般形式：.WIDTH OUT={80|132}

其中：OUT表示输出打印的宽度，可设置成80或132两种。打印宽度也可用.OPTION语句中的CO参数来设置。

例：.WIDTH OUT=132 $SPICE compatible style .OPTION CO=132 $preferred style

3.绘图语句 .PLOT

.PLOT语句能对某种选定分析的结果进行绘图输出，在一个绘图输出中可以多达32个变量。

一般形式： .PLOT antype ov1 <(plo1,phi1)>… <(plo32,phi32)> 其中：

antype 规定绘图的分析类型。它们可以是DC、AC、TRAN 、 NOISE或 DISTO中的一个。 ov1… 绘图输出的变量

plo1, phi1… 对绘图输出规定的上限和下限。 在.PLOT语句中若没有规定绘图限制，HSPICE将自动地确定所有绘图的输出变量的最小值和最大值，并换算合适的作图比例。若各输出变量的值差别是数量级的，那么输出变量在一张图上绘制时可采用不同的比例和作图符号绘图。在同一张图上有多个输出变量时,第一个被指定的变量，在绘图的同时还将打印出值来。但如果要求把所有变量值都打印时，应具有相应的.PRINT语句。绘图输出

56

的宽度由.OPTION语句中的参数来决定,若CO=80,则产生一个50列宽的绘图范围，若 CO=132，则产生一个100列宽的绘图范围。

下面给出几个实际例子：

In the following example, PAR invokes the plot of the ratio of the collector

current and the base current of the transistor Q1.

.PLOT DC V(4) V(5) V(1) PAR(`I1(Q1)/I2(Q1)') .PLOT TRAN V(17,5) (2,5) I(VIN) V(17) (1,9) .PLOT AC VM(5) VM(31,24) VDB(5) VP(5) INOISE

The second of the two examples above uses the VDB output variable to plot the

AC analysis results of the node named 5 in decibels. Also, NOISE results may

be requested along with the other variables in the AC plot.

.PLOT AC ZIN YOUT(P) S11(DB) S12(M) Z11(R) .PLOT DISTO HD2 HD3(R) SIM2

.PLOT TRAN V(5,3) V(4) (0,5) V(7) (0,10) .PLOT DC V(1) V(2) (0,0) V(3) V(4) (0,5)

In the last example above, Hspice sets the plot limits for V(1) and V(2), while 0 and 5 volts are specified as the plot limits for V(3) and V(4).

4.探针显示语句.PROBE

.PROBE语句把输出变量存贮到接口文件和图形数据文件中。该语句规定了哪些参数将在输出列表中被打印出来。如果用户仅仅对输出数据感兴趣，而不想在列表文件中列入列表或绘图数据，那就设置.OPTION PROBE和用.PROBE语句来规定想要在输出列表中进行存贮的数值。

一般形式: .PROBE antype ov1… 其中:

antype 是要进行绘图的分析类型，这些类型可以是DC、AC、 TRAN、NOISE或DISTO中的一种。

ov1… 绘图输出的变量。一个.PROBE语句最多用32个输出变 量。 例: .PROBE DC V(4) V(5) V(1) beta=PAR(＇I1(Q1)/I2(Q1)＇)

5.图形语句 .GRAPH

.GRAPH语句产生一个高分辨率的输出绘图结果。这个语句与一个附加了一个可选模型的.PLOT语句功能一样。.GRAPH语句产生一个.gr#图形数据文件，同时直接发送到一个缺省的高分辨率图形发生器（由meta.cfg配置文件中

PRTDEFAULT规定）。.gr#文件中的#表示存在的文件序号，.GRAPH产生的.gr#文件最大序号是36。.GRAPH语句对HSPICE的PC版本不支持。 一般形式: .GRAPH antype

57

+ ov1, ov2,… ov32 (plo,phi) 其中：

antype 是要进行绘图的分析类型，这些类型可以是DC、AC、 TRAN、NOISE或DISTO中的一种

mname .GRAPH语句参考的模型名。.GRAPH 语句和它的绘图类型 允许直接在HSPICE中进行高分辨率绘图。

unam1… 用户规定的输出名，这些输出名相对应输出变量ov1…ov32(相 应的输出名是unam1…unam32)，在高分辨率图形输出中这些 输出名替代了输出变量

ov1…ov2 可被打印的输出变量，最多32个变量一次打印输出。这些变 量可以是电压、电流，也可以是不同分析中的分量变量。代 数表达式也可以作为变量输出，但一定要在PARAM语句中对 这个代数式加以定义

plo,phi 绘图中设定的上限和下限，这个上、下限在.GRAPH语句中仅 仅在语句最后设置

6.图形显示语句.OPTION POST

.OPTION POST语句用于在终端上显示模拟结果的高分辨率图形曲线。POST的缺省值提供了许多有用的参数。

7.统计运行过程语句.OPTION ACCT

.OPTION ACCT语句在电路模拟过程结束后，提供了一个运行过程的统计结果。ACCT参数是可选的:

(1) .OPTION ACCT 说明要给出运行过程统计报告

(2) .OPTION ACCT=1 与(1)的功能一样，ACCT=1是缺省值 (3) .OPTION ACCT=2 说明要给出一个正矩阵统计报告

下面给出一个实例：

The following output appears at the end of the output listing.

****** job statistics summary tnom= 25.000 temp= 25.000 # nodes = 15 # elements= 29 # real*8 mem avail/used= 333333/ 13454

# diodes= 0 # bjts = 0 # jfets = 0 # mosfets = 24 analysis time # points tot. iter conv.iter op point 0.24 1 11

transient 5.45 161 265 103 rev= 1 pass1 0.08 readin 0.12 errchk 0.05

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setup 0.04 output 0.00

the following time statistics are already included in the analysis time load 5.22 solver 0.16

# external nodes = 15 # internal nodes = 0 # branch currents= 5 total matrix size= 20 pivot based and non pivotting solution times non pivotting: ---- decompose 0.08 solve 0.08 matrix size( 109) = initial size( 105) + fill( 4) words copied= 111124

total cpu time 6.02 seconds job started at 11:54:11 21-sep92 job ended at 11:54:36 21-sep92

The definitions for the items in the above listing follow: # BJTS Number of bipolar transistors in the circuit # ELEMENTS Total number of elements # JFETS Number of JFETs in the circuit # MOSFETS Number of MOSFETs in the circuit # NODES Total number of nodes

# POINTS Number of transient points specified by the user on the .TRAN statement. JTRFLG is usually at least 50 unless the option DELMAX is set.

CONV.ITER Number of points that the simulator needed to take in order to preserve the accuracy specified by the tolerances

DC DC operating point analysis time and number of iterations required. The option ITL1 sets the maximum number of iterations.

ERRCHK Part of the input processing

MEM + Amount of workspace available and used for the simulation AVAILUSED Measured in 64-bit (8-byte) words

OUTPUT Time required to process all prints and plots LOAD Constructs the matrix equation SOLVER Solves equations

PASS1 Part of the input processing

READIN Specifies the input reader that takes the user data file and any additional library files, and generates an internal

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representation of the information

REV Number of times the simulator had to cut time (reversals). This is a measure of difficulty.

SETUP Constructs a sparse matrix pointer system

TOTAL JOB TIME Total amount of CPU time required to process the simulation. This is not the length of actual (clock) time that was taken, and may differ slightly from run to run, even if the runs are identical.

The ratio of TOT.ITER to CONV.ITER is the best measure of simulator efficiency. The theoretical ratio is 2:1. In this example the ratio was 2.57:1.

SPICE generally has a ratio of 3:1 to 7:1.

In transient, the ratio of CONV.ITER to # POINTS is the measure of the number

of points evaluated to the number of points printed. If this ratio is greater than

about 4, the convergence and timestep control tolerances might be too tight for

the simulation.

第四章 HSIPCE在电路模拟中的运用

HSPICE因其具有多功能和高兼容性等特点，问世以来被广泛运用于集成电路设计领域，HSPICE的高兼容性体现在它可以和许多EDA软件，诸如Cadence、Mentor、Valid、Work View等 配套使用。本章主要介绍HSPICE和Work View连用情况下的运行情况。WorkView与HSPICE连用对电路性能进行模拟的关联性如图4.1所示

ViewtraceWorkviewSchematic CSDF HSPICENetlist

图4.1 Work View与HSPICE连用关联图

§4.1 输入文件的生成

60

HSPICE和Workview连用时，在输入文件的.OPTION语句中必须加入CSDF可选项。在模拟过程中若需要改变输入文件中的某一部分后再进行模拟，可以在结束语句.END之前加入.ALTER语句，然后把要改的部分重写一遍，则HSPICE模拟完.ALTER语句之前的部分后，会根据改过的条件重新再进行模拟一遍。 HSPICE 的输入文件可以用两种方法获得：

1. 用文本编辑软件直接写入文件，可以用vi软件，也可以用其它文本编辑软件来写。 2. 在Workview上先画出电路图(Schematic)，然后在 Workview 主菜单上选中Export项，然后选Netlist项，再选 HSPICE 项，就可将Schematic自动生成用于HSPICE模拟的电路连接文件(xxx.cir)。然后，根据实际情况对该文件加以

必要的修改、补充，即生成HSPICE的输入文件xxx.cir。

在用Workview进行电路图输入时，首先要对将要调用的元件建立元件库。下面以一个N沟MOS管为例说明建立元件库的方法。

第一步：建单元库。在 Workview 中建立一个MODULE型的 SYMBOL

库以备画Schematic时调用。下面以建一个如图4.1.1所示MOS管 SYMBOL为例加以介绍 。

ND NG NBNS 图 4.1.1 MOS管 SYMBOL

第二步：确定所建SYMBOL的参数。在SYMBOL状态下，键入CATTR命令，屏幕上出现如表4.1.1所示的表格，在表格中填入各项参数及其对应值。

MODEL ? ORDER MODEL$ W= L= PINORDER ND NG NS NB PREFIX M REFDES M ? W ? L ? 表 4.1.1

在第二章中我们已介绍过HSPICE输入文件中MOS管的描述语句，上述表格中的参数就是为将来由Schematic转成netlist时得到有关器件的描述语句而设的。表的第一栏是参数名称，第二栏是参数值，其中MODEL指定了模型类型; ORDER说明描述语句中描述节点号后的各项参数排列次序。例如有一描述语句

61

Mxxx ND NG NS NB MNAME W=VAL L=VAL，ORDER说明

“MNAME W=VAL L=VAL ”在上述描述语句中排列的次序，该部分中的 “MODEL$”由参数MODEL指定,“W=”和“L=”可由表中参数W和L指定；PINORDER说明描述语句中器件的节点定义，对MOS器件一般排成漏、栅、源和衬底节点次序，如上述语句中的“ND、NG、NS、NB”；PREFIX即前缀，由此得到语句中代表元件名的第一个关键字，MOS器件关键字是“M”；REFDES是元件名称，对应上述语句中的“Mxxx”部分。W、L代表该MOS器件中的沟道宽和长。表格中参数值为“?”的项，表明可以在将来调用该元件时根据实际情况来加以指定，提高了应用灵活性。

第三步：输入电路图。在输入电路时，若要对一个NMOS管加以参数定义,可选中一个待定MOS管，再键入CATTR命令，屏幕上出现如表 4.1.2 的表格（第三栏最初是空的，待填〕，可根据实际情况填入各参数的值，例如对于一个MOS管在表中填入如表4.1.2第三栏中的参数：

MODEL ? ORDER MODEL$ W= L= PINORDER ND NG NS NB PREFIX M REFDES M ? M21 W ? 10U L ? 1U

表 4.1.2

用类似的方法可以对电路图中不同类型的元器件的参数进行赋值。

§4.2 HSPICE 在电路模拟中的使用

完成电路图输入并生成相应的网表文件后，可以使用HS- PICE来对电路性能进行模拟了。键入以下命令，启动HSPICE模拟程序:

hspice filename (例如demo.sp)

若使用GSI软件，则直接键入gsi&命令。此命令在打开Meta Window窗口的同时，还会打开Graph Window和File Selection Dialog窗口，在Meta Window 中点击 Hspice，在File Selection Dialog中选择所需网表文件，然后点击HspiceRun中的Run即可运行HSPICE进行电路模拟；也可以在点击MetaWindow窗口中的Hspice后，直接在HspiceRun窗口内键入InputFile，即装入需运行的Hspice输入文件，然后点击Run即可。

如前几章所述，HSPICE可进行多种分析。每运行一次HSPICE模拟工具，都会产生一个文字型的输出文件(如demo.list)，并根据分析的种类不同，而产生相应的图形数据文件。几种常见的输出文件列于表4.2.1中：

分析语句 功能 输出文件格式(以电路demo为例)

62

.DC .AC .TRAN 直流扫描分析 demo.SW# 交流扫描分析 demo.AC# 瞬态分析 demo.TR# 表 4.2.1

此外，HSPICE运行时还会产生用于硬件拷贝(hardcopy)的图形数据文件(如demo.CR#)，上述文件名的后缀中，# 是序号，表明此种分析运行的次数。若一个输入文件中，某种分析只做了一次，则相应的输出文件名的“ # ”为0; 在输入文件中用了 .ALTER语句，则模拟后的输出文件中”#”根据实际运行的次数而定。

§4.3 HSICE模拟输出结果显示方法

HSPICE对电路性能进行模拟后，在其输出结果的图形输出文件中可用多

种方法将模拟得出的图形曲线显示出来。例如用HSPLOT、GSI、WorkView 及Cadence等软件。本节主要介绍HSPLOT、 WorkView 和 GSI 三种方法。

一 .用 HSPLOT 方法显示

使用HSPLOT时，先键入如下命令：

HSPLOT filename ( 例如： demo.TRO、demo.SW1 或 demo.ACO等) 键入上述命令后，屏幕上出现一张菜单，首先键入p，设定希望看几幅图形曲线(p最大值为6)，然后键入n，逐一选择需显示的节点号，也可以用类似方法设置菜单上列出的其它项，最后键入g，此时屏幕上即出现所要观察的波形图，同时屏幕下方出现菜单，可根据其提示进行各种操作。

二.用 WorkView 显示

我们也可以用WorkView中Viewtrace的命令看输出结果。首先在主菜单上选中Window项，然后在弹出的子菜单上选中Option项，再击中Viewtrace项并键入所要显示文件的文件名，打开显示窗口，则该窗口内将出现输出结果波形图。同样，也可以通过菜单对波形图进行各种操作。

三.用GSI软件来显示输出波形图

首先键入gsi&命令，此命令在打开Meta Window窗口的同时，还会打开Graph Window和File Selection Dialog窗口， 当装入输入文件并运行Hspice后，在MetaWindow中会显示输入文件中各相应的Curves名，选择需要观测的Curves名，然后点击Draw，即会在 Graph Window 窗口中出现对应的曲线，在 GraphWindow窗口中通过选择Panels项可同时最多看6个曲线，也可以在同一显示坐标中同时显示几种类型曲线，若在观测输出曲线的同时选择

Measurement 选项中的Turn Measure On项， 则可以通过移动光标观测各点的具体数值。

63

本章对如何使用HSPICE软件来进行电路模拟作了一个概述。由于模拟软件版本不同或使用环境的差异，在具体使用中会有些不同，读者在实际使用中可有针对性地查阅有关HSPICE的用户手册。

参考文献：

1) 2)

姚立真，《通用电路模拟技术及软件应用 SPICE 和 Pspice》，电子工业出版社，1994年

〈美〉阿•弗拉吉米列斯科 等，《SPICE通用电路模拟程序用户指南》，清华大学出版社，1983年

3) HSPICE User’s Manual，Meta-Software，Inc，1996

4) Star-Hspice Manual，Avant，1998

5) 秦世才 等， 《模拟集成电子学》，天津科学技术出版社， 1996 年 6) 梁家昌 等，《线性电路瞬态分析》，机械工业出版社，1987年 7) 陈启康，《HSPICE电路模拟软件讲义》，复旦大学专用集成电 路

与系统国家重点实验室

64

附录一 HSPICE 模型

一. 二极管模型

1.模型参数（LEVEL1、LEVEL3）：

2.. 直流参数（LEVEL1、LEVEL3）：

65

66

3.电容参数：

4.噪声参数（LEVEL1、LEVEL3）：

67

4.温度参数（LEVEL1、LEVEL3）：

68