Hspice应用讲解.docx

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Hspice应用讲解

Hspicｅ应用讲解

Hspｉcｅ是一种通用电路分析程序,可用来进行集成电路和电子线路的分析模拟。

它能够用来分析电路的非线性直流特性,线性交流小信号特性,非线性瞬态特性,温度特性等、其中,直流分析（、ＤC）不光可进行直流转移特性分析,还可进行直流工作点（、OＰ）,直流小信号传输特性（、TF）,直流小信号灵敏度（、SEＮS）分析;在进行交流分析（。

ＡC）的同时还可进行噪声特性（、NＯＩSE）和失真特性（、DISTO）分析;在进行瞬态分析（、TRAN）的同时还可进行傅立叶（。

FＯUR）分析;进行温度特性分析（。

TEMP）以求得电路的温度特性。

在进行交流分析和瞬态分析前先进行直流分析,以决定其非线性组件的线性化小信号模型和其初始条件、

Hｓpice输入描述文件格式:

　标题语句

　　组件语句

　模型语句

子电路

。

SUBCKT

组件语句,模型语句

子电路调用

、ENDＳ语句

控制语句

　结束语句

Hspｉcｅ的输入描述文件格式是一种自由格式,其输入的第一条语句必须是标题语句,且不能省略;最后一条语句必须是结束语句（。

END）,其余语句的顺序是任意的。

在输入描述文件的任何地方都可插入注释语句（在语句前加“＊"或“$”）,程序只对注释语句进行原样打印而不进行任何处理。

组件语句是说明该组件的拓扑关系和组件值的。

每个组件给予一个组件名,组件名的第一个字母说明该组件的类型,Hspice并对各种类型的组件所对应的英文字母作了规定,组件名不能重复、组件的节点号能够用一正整数表示,也能够用网点名表示。

模型语句是说明该组件的模型参数的。

在模型语句中定义一组组件模型参数并赋予一个唯一的模型名,在组件语句中即可引用此模型名,表明此组件具有该组模型参数值。

子电路是用一组组件语句来定义,程序会自动将这组组件插入到子电路被调用的地方,其大小和复杂性没有限制,并允许其包含其它子电路。

在电路中不能包括短路的电压源和电感,开路的电流源和电容,电路中的每个节点都不能悬空、

控制语句是控制程序的运行和规定分析及输出的内容。

如温度语句,工作点分析语句,交流分析语句,瞬态分析语句,打印语句,绘图语句和可选项语句等。

Hspiｃe的每条语句都有若干个字段,字段之间由空格或符号隔开,多余的空格将被忽略,字段内不能随意加空格,即字段不能断开。

字段能够是字符段或数字段,字符段必须以字母开头,长度不超过8个字符,多余的字符将被忽略,且由用户定义的字符段中不能包括Hsｐice输入描述语言中已定义的字符段（即保留字）;数字段能够为整数或浮点数,其后可直截了当跟下列比例因子:

K=1E3,MＥG=1Ｅ６,G=1E9,T=1Ｅ12,

M＝1E－3,U＝1Ｅ—６,N＝１E—9,P＝1Ｅ-1２,F=1Ｅ—15,ＭIL＝２5、4E－6

比例因子必须紧跟在数字后面,不是比例因子的字母及比例因子之后的字母均被忽略。

如一个语句一行写不完,可在下一行接着写,该行称为续行,续行的第一列必须是“＋"号,续行数没有限制。

Hspicｅ模拟仿真流程:

　　　　　　　　　　　N

　　　　　　Y　　　

　　　　　　　　　　　　　N

　　　　　　　　　Ｙ

　　　　　　　　　　　　N

　　　　　Y　　　　　　

　Ｙ　　　　　　　　　　　　　　　

N

Hspice输出文件类型如下表:

输出　　文件　类型

　　扩　　展　名

列表输出,其内容包括仿真所用的名字和版本;Metａ-Softｗare单元信息;输入文件名;使用者名;注册资料;拷贝的输入网点文件;节点计算;操作点参数;每个source和sub-circuit的电压降,电流,功耗的详细情况;由、　PLOT语句产生低分辩率图表;、ＰRINT语句结果;。

　ＯPＴＩONS语句结果、

、lis,或使用者指定

瞬态分析结果,它包含瞬态分析的资料结果,是在输入文件同时有。

　TRAN和、OＰＴＩONＰOＳＴ语句时产生的一个分析记录文件。

、　tr＃+

瞬态分析测量结果,它是。

MEASUＲETRAN语句分析结果。

。

　mｔ＃

DC分析结果,包含其使用的步长或在、DC语句中定义的扫描频率下的分析结果,包括噪声,失真或网络分析、

、sｗ＃＋

DC分析测量结果,它是、　MＥASUREＤC语句分析结果。

。

mｓ#　

AC分析结果,包含一个频率功能的输出变量列表,符合其后的。

ＡC语句的使用者规格。

。

ac#　+

ＡC分析测量结果,它是、MＥAＳUREＡC语句分析结果、

。

ma#

硬拷贝图表资料（从meta。

ｃfgPRTDＥＦAULＴ）

、gr#++

数字输出,包含从Ｕ单元A2D转换选项得到的转换数字数据。

。

a2d

FFT分析图表数据,包含显示ＦFT分析波形的图表数据、

、ｆt#++＋

分支电路交叉列表,它说明了在符合分支电路定义下调用的分支电路节点名、

、pａ＃

输出情况,包含运行时间结果:

每个CPU状态的开始和结束时间;废弃的选择项设置警告;预先检查注册资料,输入语法,模型和电路拓扑结构的情况;对困难电路使用的Ｈｓpice收敛方法。

、st＃　

操作点节点电压（初始状态）,关于、SAVE语句。

。

ic

注意:

#表任一扫描编号或硬拷贝文件编号。

+只有在使用。

ＰOＳT语句产生图表数据才会生成、

＋+需要、GRAPH语句或在mｅtａ、cｆｇ文件中有一文件输出指针。

在ＰC版的

Hspｉce中此文件不能产生。

+++只有在使用。

FFＴ语句才会生成。

Ｈspice基本组件描述:

在下列描述中,“［]”内的域为可选项,其余的域为必须的;ｎame１,naｍe２为可选的字符串,字符串最多可有八个字符（包括首字符）,但其中不能出现分隔符（如空格,等号,逗号等）。

1．电阻:

RnamｅN1N2vaｌue［ＴC=TC1[,TC2]］

R为关键词,N１,N2为与电阻相连的两节点的节点号,电阻值可为正值或负值,其单位为欧姆。

TＣ1,ＴＣ2为电阻的温度系数,电阻值按下式随温度而变化:

R（Ｔ）＝R（TD）·（１+TC１·（T—TD　）+TＣ２·（T—　TD）2）

当两可选参数ＴC1,TC2未给出时,程序将自动赋零。

Ｔ0为标称温度,可由、ＯPTIOＮS控制语句进行修改。

2．电容:

CnameN＋N—［ＰＬOＹ]ｖalue［C1[C2…］］［IC=v］

Ｃ为关键词,N+,N—表电容的正负节点,可选项PLOＹ表示该电容是一个随电压变化的非线性电容,其值可由下式求得:

Ｃ（Ｖ）=value+C1·V+C２·V２+…+Ｃn·Vｎ,其中n≤2０。

[IＣ=］项为初始条件项,其作用将视瞬态分析语句中是否有UＩＣ（UseInitialCｏndition）关键词而不同:

若瞬态分析语句中有ＵIＣ项,则进行瞬态分析时,将以IC项所给值作为该组件的瞬态分析初始条件。

3．电感:

Lnａme　Ｎ＋N-　　[PLOY］vａlue[L１［L2…］］[IＣ=i]

L为关键词,N+,Ｎ-表电感的正负节点,电流从正节点流到负节点、可选项ＰLOY表示该电感是一个随电流变化的非线性电感,其值可由下式求得:

Ｌ（Ｖ）=vａlue＋Ｌ１·I+L２·Ｉ2+…+Ln·Iｎ,其中ｎ≤20。

［IC＝］　项为初始条件项,其作用将视瞬态分析语句中是否有UIC（UsｅIniｔialCｏndition）关键词而不同:

若瞬态分析语句中有UIC项,则进行瞬态分析时,将以IC项所给值作为该组件的瞬态分析初始条件。

4．互感:

Kｎａｍｅ1　Lnａme2Lｎａme3valuｅ

K为关键词,Lnaｍe2和Lｎａme3为两个耦合电感名,耦合系数的取值范围为大于０小于1,每个电感的第一个节点作为同名端。

5．传输线:

Tnａｍｅ　N1　N2　N３N4　Z0＝valuｅTD=vaｌ2［F＝freq［NＬ=nlen］］　+[IＣ=v1,i１,v2,i2］

　　T为关键词,N1,N2是埠1的两个节点,N３,N4是埠2的两个节点。

Z0为特性阻抗值,TD为传输延迟值,F为频率,NL相当于在频率Ｆ时传输线波长的归一化电学长度。

如指定F而省去ＮL,则NＬ缺省值为０、25。

　传输线的传输延迟值必须以下列两种方法中的一种输入:

　　　１）、直截了当给出TD值;

　2）、由F和NＬ两项求出,即TＤ=NL/F。

　　v1,i1,v2,i2分别为埠1和端口２的电压,电流的初始值、

6．线性和非线性受控源:

Hspice包含四种线性和四种非线性受控源,它们分别为:

、线性电压控制电流源:

I=Ｇ·V,Gnａme　　Ｎ+　N－　NC＋　NC-　　value

、线性电压控制电压源:

Ｖ=E·V,Ｅname　　N＋　N－NC+ＮC－vaｌｕe

⑶、线性电流控制电流源:

Ｉ=Ｆ·I,ＦnaｍｅN+N—　Vname　vaｌuｅ

、线性电流控制电压源:

V=H·I,Hｎame　N+N-Vｎameｖａlue

G,E,F,Ｈ分别为跨导,电压增益,电流增益和互阻因子、N+,Ｎ－分别为受控

源的正负节点,ＮC＋,NC—分别为控制电压源的正负节点,Vnaｍe为控制电流所流

过的电压源的名称,语句中的vaｌｕｅ值分别为各受控对应的跨导值,电压增益值,电流增益值和互阻因子值。

Hsｐｉｃe允许以一组多项式系数来描述非线性受控源,同时控制变量能够是多维的,维数与系数的数目没有限制,但系数的意义随维数的不同而改变。

其语句格式为:

⑴、非线性电压控制电流源:

Ｇnａmen＋　ｎ-ＰOＬY（nd）nｃ１+nｃ1－…nｃｎｄ＋

　ncnd—　P0　［P1…］　[IＣ=控制电压初值］

、非线性电压控制电压源:

Eｎaｍe　n+n－POLY　（ｎd）　nc1＋　nc１－…　nｃnd＋

ｎcｎd—　P0　[P１…]［IC=控制电压初值］

、非线性电流控制电流源:

Ｆname　n+ｎ—　ＰOLＹ（nd）Ｖnａme1…　Vnａmend

　P0[Ｐ1…］[IC=控制电压初值]

、非线性电流控制电压源:

Hnamen＋n－　PＯLＹ（nd）Vnaｍe1　…Vｎamend

P0［P1…］［IＣ=控制电压初值］

ｎ+,n－为受控源的正负节点,PＯLY为非线性受控源关键词,nd为控制变量维数,nc1+,nc１-…ncｎd+,ncnd-分别为nd个控制电压源的正负节点,Vname1…Vnamend分别为ｎｄ个控制电流所流过的电压源的名称,P0,P1…是多项式的系数、初始条件ＩC项给出受控源的初始条件,计算时将先使控制变量取ＩＣ项所给值,求电路的直流工作点;收敛后接着迭代,再求出控制变量的最终精确解。

若不给ＩC项,则控制变量的初始值为零、以电压控制电压源为例,如控制电压为一维的,则受控电压为:

Ｖ（VX）＝P０+P1ＶＸ+Ｐ2VＸ2+Ｐ３VX3+…+PｎＶXn;

如控制电压为二维的,则受控电压为:

V（VＸ,Vｙ）=P0＋Ｐ１ＶX＋P２Ｖy+P3VＸ２＋P4VＸＶy+Ｐ5Vy2+P6ＶX３+P7VX２Vy　+P8ＶXVｙ2+P9Vy3+…

如控制电压为三维的,则受控电压为:

7．独立电压源和电流源:

VnameN+N-　［［DＣ]　ｖaluｅ]　[AC　mａgval[ｐhasevaｌ］　]

+［PＵLSＥ（v1v２［td［tr[tf［pｗ［per］]]］　]）]

ｏr［SＩN（vova[freq［ｔd　［kd］　］]）］

or　［EXＰ（ｖ1ｖ2［tｄ1［t1[td2　[t2］］］]）］

or［PＷL（t1v1t２ｖ2…tｎvn）]

oｒ［SFFM（vovafｒeｑ［mｄi［fs］]）]

or[ＡM（　ｖｏ　ｖａ　freq[ｆｓ[tｄ］]）　］

或Inａme　N+　N—　［[DC］vａlue］　[ＡＣmagvaｌ［phasevａｌ］］

＋［PULSE（ｉ1i２[td[ｔr［ｔf[pw［per]］］　］］）］

or　[SIN（ioia［ｆreq［ｔｄ［kd]　]　］）］

ｏｒ　[ＥＸP（i1　ｉ2[td1[t１［td2［t2］]]　］）]

oｒ　[ＰWL（t1i1t2ｉ2　…tniｎ）］

ｏr［ＳFFM（ioiafｒｅq　［mdi　［ｆs］]）］

ｏｒ　[ＡM（ｉoiafreｑ［ｆs[td］］）　］ﻩ

V和I　为独立电压源和电流源的关键词,N+和N－为电源的正负节点,这个地方规定电

流源的方向是从正节点经电源内部流向负节点。

一个独立源,能够同时给出三种分析类型的信号源值,上面第一个选择项为电源

的直流值,第二个选择项为交流资料,第三个选择项为瞬态资料、程序在作不同

的分析时,将取相应的信号源资料。

若作直流分析,取直流常数值;若作交流分

析,独立源被视为由振幅和相位所描述的正弦小信号（频率即为交流分析频率）;

当作瞬态分析时,则用随时间变化的瞬态资料（也估计是常数）;直流和瞬态分析

可用同一值描述,如值随时间变化,则取t=0的值作直流分析。

DＣ为直流信号的关键词,如直流值为零也可省略不写。

模拟时可用零值电压源表

电流表,因每个电压源和电流值都将被打印。

ＡC为交流信号的关键词,交流信号的振幅和相位的缺省值分别为“１"和“0"。

当电路中只有一个交流信号输入时,交流信号的振幅通常设为1,以便求得电路的

增益。

注意,Hsｐiｃe中相位的单位为度。

瞬态分析所需的信号源的值是随时间而变化的,随时间变化的关系能够是下列六

种形式之一:

⑴、脉冲信号源:

PULSE（vaｌ1　val2td　trtfpwper）

　　脉冲信号参数的意义及其缺省值如表1所示,表中tｓtep和tstop分别是瞬态分

析的时间步长和时间终值,它们均由、TRAＮ语句定义。

脉冲信号源一个周期内的信号值由表２决定,中间时间点上的信号值由输入

值的线性插值法求得。

参数

描述

缺省值

单　位

vａl1

初始值

V或Ａ

val2

脉冲值

V或A

ｔd

延迟时间

　0

　s

ｔｒ

上升时间

ｔｓｔep

s

tf

下降时间

tstep

s

pw

脉冲宽度

tｓtｏp

ｓ

per

周期

tstop

s

时间

数值

　０

vａl１

td

ｖal1

td+tr

Ｖal2

ｔd+tr+pw

Val2

td+tr+ｐｗ+tｆ

ｖal1

td+pｅr

val１

　　表１　　　　　　表2

　　　脉冲信号源的波形如下图所示:

V

　vaｌ2

　0　　　　　　　　　　　　　ｔ

val1

　　ｔdtr　pw　tf

　　　　　　　　　pｅr

。

正弦信号源:

SＩN（ofｆaｍｐ　freq　tdkdph）

　正弦信号参数的意义及其缺省值如表1所示,正弦信号源的值由表2决定、

参数

描述

缺省值

　单位

ｏff

直流偏置

V或A

amｐ　

幅度

V或A

ｆｒeq

频率

1/tstep

Hz

ｔd

延迟时间

0

s

kd

阻尼因子

0

1/s

pｈ

相位延迟

0

°（度）

表1

时间

数值

　０～　tｄ

ｏｆf+aｍｐ＊SIN（2＊∏＊ph/３60）

　td~

oｆf+amp*EXP（ｔd＊kd-t）*ＳＩN｛2＊∏＊［fｒeq＊（ｔ—td）＋pｈ／360]}

表２

正弦信号源的波形如下图所示:

V

　amp　　　　　　　由kd决定的衰减包络线

　ofｆ　　　　　　　　

－aｍp　　　　　　

　td　　ｐeｒ　　　　pｅｒ=1/freｑ　　　　　　　

　０　　　　　　　　　　　　　t

、指数信号源:

EＸP（val1vaｌ2　td１ｔ１ｔd2ｔ２）

指数信号参数的意义及其缺省值如表1所示,指数信号源的值由表２决定。

参　数

　描述

缺省值

　单位

vａl1　　　　

初始值

V或A

val2

脉冲值

V或A

td１

上升延迟时间

0

s

t１

上升延迟时间常数

tstep

s

tｄ２

下降延迟时间

ｔｄ１+tｓｔｅp

s

t２

下降延迟时间常数

tstep

s

表1

时间

数　值

0~td1

vaｌ1

td１~td2

val1+（val2－val1）＊{1－EXP［（td1—t）/t1]｝

ｔd2～

val1＋（vaｌ２－vａl１）*｛1—EXP［（td1—ｔd2）/ｔ１]｝＊EXＰ［（td2－t）/ｔ２]

表2

指数信号源的波形如下图所示:

V　　　　

val2

　ｔ１　　　　t２　

0　　　　　　　　　　　　　　　t

val1　　　　　　　　　　

　td1　　　　　　　　

　　　ｔd2　　　　　　

、分段线性化信号源:

PWL（t1　val1　t２val2…tn　ｖaln）

　　t1,t２,…,tn为时间点,val1,ｖaｌ２,…,valn为对应时间点的信号源值,ti和tｉ＋1之间的数值是由ｖaｌi和vａli+1用插值法求得。

分段线性化信号源的波形如下图所示:

V　　　val3　　vaｌ4

val1　　vａl2　val５　　vａl6

0　t1t2　t３ｔ4t5　ｔ６　　t　　　

。

调频信号源:

ＳFFM（offａmｐfcaｒｍdindfsig）

调频信号参数的意义及其缺省值如表１所示。

参数

描　述

缺省值

　单　位

ｏff

直流偏置

Ｖ或A

amp

载波幅度

Ｖ或A

fcar

载波频率

1/tstop

　1/s

mdind

调制系数

0

ｆsiｇ

信号频率

1／tsｔop

1／ｓ

表１

调频信号源的值由下式决定:

valｕｅ=off＋ａmｐ＊SIN［２＊∏＊fcar＊t＋mdind*SＩＮ（2＊∏＊fsｉｇ＊t）］

调频信号源的波形如下图所示:

Ｖ

　amp　　　　　　　

off

　－amp　　　　　　　　　　　　　　　

　ｆｓｉｇｆcaｒ　　　　　

0　　　　　　　　　　　　t

、调幅信号源:

AM（aｍｐofffｍｏｄｆcar　ｔd）

调幅信号参数的意义及其缺省值如表1所示。

参数

描述

缺省值

单位

ａmｐ

载波幅度

　　0

V或A

ofｆ

直流偏置

0

V或Ａ

fmod

调制频率

1/tｓｔｏｐ

1/s

fｃar

载波频率

　0

　1/s

td

延迟时间

0

1/s

表１

调幅信号源的值由下式决定:

ｖalue=ａmｐ　*｛ofｆ+SIN［2*∏*fｍod＊（ｔ-td）］｝＊SIN[2＊∏*fｃar＊（t—ｔd）］

调幅信号源的波形如下图所示:

V

aｍp　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　fmｏd

　　　　　　　　　　　　　fｃar

　０　　　　　　　　　　　　　　ｔ

－ａmp　　　　　　　　　　　　　

　tｄ　　　ｆcar　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

8．二极管:

Cnamｅ　　n+　ｎ－　modnａme［ａrea]　［ＯFＦ］［IＣ＝iｃval］

C为关键词,n＋,n-是正负节点,moｄnａme为模型名,它必须在、MODEＬ语句中

进行说明。

aｒｅa为面积因子,为一无量纲的数,表示器件面积与模型语句中定义

的“单位面积”器件的面积比值,与面积有关的模型参数将乘以或除以这个面积

因子。

OFF项可帮助实现直流收敛,其作用是将器件作截止处理,迭代收敛后再

使器件正常工作,接着迭代求得精确解。

如、TRAN分析语句中有UIC项,那么ＩC

参数的值icval则为瞬态分析的初始条件。

9．晶体管:

Ｑnamencnbｎe　[ｎs］　ｍodｎａmｅ　　［area］［OFF］[IC=