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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。
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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,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VGS-ID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。
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模拟电路的仿真(v1.0)
1.1.3瞬态分析(tran)
瞬态分析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CadenceSpectre还有以下分析类型。
具体说明请参考SpectreReferenceNoiseAnalysis(noise)PeriodicSteady-StateAnalysis(pss)S-ParameterAnalysis(sp)Time-DomainReflectometerAnalysis(tdr)TransferFunctionAnalysis(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
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模拟电路的仿真(v1.0)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。
*#FILENAME:
V2_A_INV1*schematic/netlist/V2_A_INV1.C.raw*NetlistoutputforspectreS.*GeneratedonJul2421:
59:
272003*globalnetdefinitions.GLOBALvdd\!
simulatorlang=spectre*Filename:
motorlib_V2_A_INV1_schematic.s.*Subcircuitforcell:
V2_A_INV1.*Generatedfor:
spectreS.*GeneratedonJul2421:
272003.m1(zni00)nmosw=3.6e-6l=1.2e-6m=1.0
m0(znivdd\!
vdd\!
)hp0nsw=12e-6l=1.2e-6m=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
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模拟电路的仿真(v1.0)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——Calculator
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模拟电路的仿真(v1.0)Cadence为模拟、数模混合仿真设计了一个集成开发环境:
AnalogArtist,如图六所示。
在AnalogArtist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——AnalogArtist
1.3analogLib
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。
常用元件列与下表。
单元名rescapindnmos4pmos4diodegndvdd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
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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,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(Modelname)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_rc0)resistorr=10e3m=1.0
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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vdcvpulsevsinvpwl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)
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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。
下面是一个模型定义文件的部分内容,它定义了一个模型名称(Modelname)为“nmos”的NMOS管模型。
.modelnmosNMOS+Level=+Tref=27.0+Npeak=4.3007E+16+SatMod=2+BulkMod=1+Vth0=.7030622……Phi=.7705066Tox=2.10000E-08Xj=3.00000E-07+dl=2.00000E-07dw=5.00000007450581E-08SubthMod=210
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。
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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。
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/training/analogsim/re
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