-
HSpice
语言学习总结
第一讲：
《
SPICE
》概述
（
1
）
元器件模型
构成器件模型的方法有两种：
?
行为级模型
—“
黑匣子”模型
例如
IBIS
模型和
S
参数<
/p>
,
最新的是
Verilog
－
AMS
模
型和
VHDL-AMS
模型
精度较差，
一致性不能保证，
受测试技术和精度的
影响。
一般应用到高频
、
非线性、
大功率等大型电路设计
?
等级
(L
EVEL)
模型
例如
Hspice
便是利用这种模型
精度较高
一般应用于中小型电路的<
/p>
IC
设计
（
2
）
LEVEL
模型
②
LEV
EL1
—
LEVEL3
：线性模型或低
阶模型，可
直接进行计算或估算。
②流片工厂提供的模型，
如
Level
49
和
Mos 9
、
< br>EKV
等，无法直接进行计算或估算，需要用电路仿真软件
进行仿真，以便得到精确的结果。如
Hspice
③
Hspice
提取模型，
是利用提取元件库的形式
.lib,
元件库一般由工厂提供
（
3
）
集成电路特征线宽
微米：
Micrometer:
>1.0um
亚微米：
0.8um 0.6um
深亚微米：
0.5um
0.35um
0.25um
超深亚微：
0.25um 0.18um 0.13um
纳米：
0.09um (90nm)
0.07um (70nm)
Moor
定律：
每一代（
3
年）硅芯片上的
集成密度翻两
番。加工工艺的特征线宽每代以
30%
的速度缩小。
（
4
）
Hspice
的使用流程
（
5
）
Hspice
网表输入格式
---------------------------
--------------------------------------------------
------------------------------------------
第二讲
HSPICE
网表的语法
（
1
）
?
?
?
文件名格式
：
工具的多少：
Cadence>>Hspice
精度：一般
Hspice>Cadence
适用对象：
Cadence
用于
RF
设计较好，
Hspice
更适合模拟
IC
设计
?
目前应用建议：
< br>用
Cadence
布线布图以及版图
设计，
Hspice
仿真
（
2
）
输入行格式：
◆第一个语句必须是标
题行，最后一个语句必须
是
.END
语
句；
?
标
题语句和结束语句中间语句无任何先后次
序；
?
不区分大小写，无上标和下标
(
忽略
)
?
语句、等式的长度不能超过
256
字符；
?
续行用“
+”
表示。
（
3
）
分隔符：
①分隔符可以为：
tab
键，空格，逗号，等号，括号
②元件的属性用冒号来分割，例如
M1:beta
③用句点来表示隶属关系，例如
X1.A1.V”
表示电路
X1
的子电路
A1
的节点
V
（
4
）
节点
①
<
/p>
结点标识可以长达
1024
个字符
②
结点数字开头
的
0
被忽略
③
跟在以数字开头的结点编号后的字母被忽略。
④
结点名可以由以下任何字符打头：
# _ ! %
⑤
结点可以用
.GLOBAL
语句声明为全局调用。如声明
节点
1
为全局调用，
.GLOBAL 1
⑥
结点
0<
/p>
、
GND
、
GN
D
！和
GROUND
均指的是
Hspice
全局的地。
（
1.0
）
后缀名
：
.sp
。产生方法：可以用任
何一个文本
编辑器产生，只需更改后缀名
?
文件名：必须为英文，以字母打头
，长度不超
过
256
个字符
?
放置目录：要放置于全英文目录下
?
输入网表文件不能压缩
⑦
HSPICE
要求每个节点对地均要有直流通路
。当这个
条件不满足时，通常是接一个大电阻使该悬浮节点具
有
直流通路。
⑧每个节点至少应连接两个元件，不能有悬空节点
存
在
（
5
）
数值及比例因子
数字表示：
a)
数字可以用整数，如
12
，
-5
；
b)
浮点数，如
2.3845
，
5.98601
；
c)
整
数
或
浮
< br>点
数
后
面
跟
整
数
指
数
，
如
6E-14
，
3.743E+3
；
d)
在整数或浮点数后面跟比例因子，如
10.18k
比例因子：为了使用方便，它们用特殊符号表示不同
的数量级：
e)
T=1E+12
，
G=1E+9
，
MEG=1E+6
，
K=1E+3
，
M=1E-3
，
U=1E-6
，
N=1E-9
，
P
=1E-12
，
F=1E-15
，
DB=20lg
10
，
MIL=25.4E-6(
千分之一英寸
)
（
6
）
单位及关键字
单位：以工程单位米、
千克和秒（
M
，
Kg
< br>，
S
）为
基本单位。由此得到的
其它电学单位可省略。如
10
，
10V
表示同一电压数。
1000Hz
，
1000
，
1E+3
，
1k
，
1kHz
< br>都表示同一个频率值。
同样，
W
、
A
等标准单位在描述
时均可省略。<
/p>
单位可以省略，例如
:
C1 1 2 10P
二、标题、结束及注释语句
（
1
）
标题语句：
.TITLE
语句
形式
:
1
：
.TITLE
2
：
例如：可以为
.title a simple ac run
更常见的是第二种形式：
a simple ac run
注意：如果没有标题，第一行空出。
（
2
）
结束语句
.END
语句
形式：
.END
在
.END
语句之后的文本将被当作注释而对模拟没有
影响。
（
3
）
注释语句
一般形式：
*
或
“
as and following HSPICE input>
注释标识：
“
*
”或“
$$”
。
*
”打头的注释放在每行
开头，
而“
三、电路描述语句
$$”
打头的注释
紧跟语句之后。
（
1
）元件描述的基本格式
HSPICE
中元件的属性由
器件名，
器件位置，
器件类型，
器件参数值等来定义。格式为：
名
称
器
件
所连
接的
节
点
器
件的
类
型
参数值
例：
1A
SIMPLE AC RUN
标题
2V1 1 0 DC 10 AC 1
3R1 1 2
1K
4R2 2 0 1K
电路描述语句
5C1 2 0
.001U
S LIST NODE POST
DEC 10 1K 1MEG
命令语句
AC V(1) V(2) I(R2) I(C1)
结束语句
（
1
）无源器件
1-
< br>电阻
一般形式：
RXXX
n1
n2
Rvalue
TC=TC1,TC2
温度系数的缺省值为
0
，
0
注释：
R=R
0
*[1+TC1*(T-T
0
)+TC2*(T-T<
/p>
0
)2]
T<
/p>
0
为室温，
25
或
27
℃
例：
R1
1
2
100k
（
2
）无源器件
RC1
12
17
2-
电容
1k
TC=0.001, 0
一般形式：
CXXX
n1 n2
Cvalue
TC=TC1,TC2
温度系数的缺省值为
< br>0
，
0
注释：
C=C
0
*[1+TC1*(T-T
< br>0
)+TC2*(T-T
0
)2
]
例：
C1
1
2
10u
CP
12
17
1p
TC=0.001, 0
?
非线性电容：
CXXX
n1
n2
POLY
C0
C1
C2 ...
电容值＝
C0
＋
C1*V
＋
C2*V**2
＋
…
，
V
为电容两端的电
压
（
3
）无源器件
3-
电感
?
一般形式：
LXXX
n1 n2
Lvalue
TC=TC1,TC2
温度系数的缺省值为
< br>0
，
0
例：
L1
1
2
10u
LP 12
17
1u
TC=0.001, 0
?
非线性电感：
LXXX
n1 n2
POLY
L0
L1
L2 ...
电感值＝
L0
＋
L1*I
＋
L2*I**2
＋
…
，
I
为流过电感的电流
（
4
）
无
器
源器件
4-
互感（电感）耦合
一般形式：
KXXX
LYYY
LZZZ
Kvalue
KXXX
LYYY
LZZZ
K=value
两耦合电感的名字
: LYYY
和
LZZZ
耦合系数
: K ,
：端口 JFET
0
例：
K34
LAA
LBB
0.9999
（
KXFTR
5
）
无
L1
源器件
5-
L4
无损耗传输线
K=0.87
一般形式：
TXXX
in
refin
out
refout
Z0=value
TD=value
或
TXXX
in
refin
out
refout
Z0=value
F=value
NL=value
或
TXXX
in
refin
out
refout
Z0=value
L=value
In
：
端口
1
的
(+);
refin
：端口
1
的
(-)
节点；
Out
：端口
2
的
(+);
refout
2
的
(-)
节点。
Z0
：
特征阻抗。
例子：
T1
1
0
2
0
Z0=50
TD=10NS
T2
1
3
4
6
Z0=200
F=4.5MEGHz
NL=0.5
T3
1
2
3
4
Z0=120
F=1.5MEGHz
(NL=0.25)
（
6
）
无
源器件
6-
有损
耗传输线
均匀分布
RC
传输线一般形式：
UXXX
N1 N2 N3
MNAME
L=LEN
节点：
N1
，
N2
和
N3
，
其中
N3 <
/p>
是连接到电容的节点；
MNAME
：模型
名称。
LEN
：
RC
传输线长度
(m)
；
LUMPS
：
传输线中所采用的集总分段数目
例
：
U1
1 5 0 URCMOD L
＝
50U
URC2 1 10 4 UMOPL L=100U N=4
有源器件
?
晶体二极管
(D)
?
双极型晶体三极管
BJT(Q)
?
结型场效应管
或金属半导体场效应管
MESFET (J)
?
MOS
场效应管
(M)
晶体二极管
?
(1)
晶体二极管
(D)
只往一个方向传送电流的元件。
单向导电特性：电流由正极流向负极
决定二极管性能的因素：
?
二极管面积：决定反向饱和电流，寄生电阻等
?
掺杂浓度及材料：导通电压等
?
温度：影响反向饱和电流，势垒电容等
（二）一般形式
:
DXXX
nplus
nminus
mname
+
注释：
?
DXXX
：
二极管元件名，
必须以
D
开头，
后面最<
/p>
多跟
15
个字符。
?
nplus/nminus:
二极管的正端
(
阳极
< br>)
和负端
(
阴
< br>极
)
?
mname:
二极管模型名
（三）一般形式
:
DXXX
nplus
nminus
mname
+
注释
(
续
)
：
?
area
：二极管面积，它定义了饱和电流，电容
与
电阻值。可以写为
area=???
也可以直接写
为
???
，缺省值为
1.0
；若不定义
area
，用定义
W(
二极管宽度
)
和<
/p>
L(
二极管长度
)
来代替也可
以，
area=W*L
（四）一般形式
:
DXXX
nplus
nminus
mname
+
注释
(
续
)
：
?
PJ
：二极管周长，
PJ=2(L+M)
。
?
WP/LP:
寄生多晶电容的宽度
/
长度，缺省值为
0
?
WM/LM:
< br>寄生金属电容的宽度
/
长度，缺省值
为
0
（五）一般形式
:
DXXX
nplus
nminus
mname
+
+
注释
(
续
)
：
?
OFF
：规定在进行直流分析时忽略初始条件，
缺省
值为
ON
。
?
IC:
瞬态分析的初始条件
?
M:
多重二极管模拟时的倍增因子，缺省值为
1
< br>DTEMP:
元件温度与电路温度之间的差额，
缺省
值
0
（六）一般形式
:
DXXX
nplus
nminus
mname
+
例子：
DBRIDGE
6
7
DIODE
1
DCLMMMP
3
GND
DMOD
3
IC=0.2
第三讲
H
SPICE
网表的语法
(
续
)
双极型晶体三极管
(1)
决定三极管性能的因素：
?
三极管面积：决定电流，电容，寄生电阻等
?
掺杂浓度及材料：导通电压等
晶体二极管一般形式
(
回忆
)
一般形式
:
DXXX
nplus
nminus
mname
+
注释：
1
：元件名称
2
：
节点
3
：几何参数
4
：初始值设定
5
双极型晶体三极管
：温度设定
(2)
一般形式
:
QXXX
nc
nb
ne
mname
<
br>个字符。
<
br>DTEMP:
或者 代替。缺省值为
<
br>：用以计算漏、源极寄生串联电阻的 <
br>：漏极、源极与连线的接触电阻
元件温度与电路温度直接的差额， <
br>0 <
br>(V) Va ：阻尼因子； (V0>Va, 上升
<
br>—
，单
<
br>中具有的四种电压和电流控制元件， <
br>开关电容电路等进行模拟。 <
br>迟等特性我们不再详细讲述 C <
br>5ns
语句的外部节点一一对应，但名称不一定相同。 般 模型类型 <
br>模 ： ：
<
br>： <
br>： ： <
br>：
<
br>： <
br> <
br>， <
br>： <
br>
<
br>HSPICE <
br>
<
br>】 fstart/fstop
例
和
<
br>可利用它计算谐波失真特性
2 f
<
br>时，用宏观的分析方法也就是大信号图解法，显然结 <
br>：输出负载电阻的名字，所有失真功率都是
+
AREAC=value>
+
VCE=value>
+
注释：
?
QXXX
：三极管元件名，必须以
Q<
/p>
开头，后面
最多跟
15
?
nc/nb/ne/ns:
三极管的
集电极、基极、发射极
以及基底节点
mname
:
三极管模型名
avalue
：三极管面积。也可以用
areaA=???
、
areaB=???
以及
areaC=
???
来定义。其中
areaA, areaB
以及
areaC
分别为发射区，基区，集电区的面积倍
增因子。缺省
值为
1.
OFF
：
规定在进行直流分析时忽略初始条件，缺
省值
为
ON
。
IC:
瞬态分析的初始条件两种表达方式。
M:
多重三极管模拟时的倍增因子，缺省值为
1
元件温度与电路温度直接的差额，缺省值
0
（五）一般形式
:
QXXX
nc
nb
ne
mname
+
AREAC=value>
+
VCE=value>
+
例子：
Q11
CX
BX
EX
QPNP
AREAA=1.5
AREAB=2.5
AREAC=3.0
Q22
10
18
12
QMOD
IC=0.5, 5.0
Q33
11
265
4
有源器件
20
MOD
结型场效应管
JFET
或
MESFET
(1)
决定
JFET
性能的因素：<
/p>
?
面积：决定电流，电容，寄生电阻等
?
掺杂浓度及材料：导通电压等
?
温度：影响电流，势垒电容等
MES
FET
：
将金属半
导体接触
势
垒
(
肖
特基势垒
)
代
替
了
PN
结
作
为栅极
结型场效
应管
JFET
或
MESFET(2
)
一般形式
:
JXXX
nd
ng
ns
mname
+<< AREA=value; AREA>| W=val L=val >
+
Vgs=value>
+
注释：
?
JXXX
：元件名，必须以
J
开头，后面最多跟
15
个字符。
?
nd/ng/ns/nb:
漏极、<
/p>
栅极、
源极以及基底节点
?
AREA
：
面积倍增因子。可以用
AREA=???
直接
???
来表示。或者用栅
极宽
W
和栅极长
L
1.
?
OFF
：规定在进行直流分析时忽略初始条件，
缺省值为
ON
。
?
IC
:
瞬态分析的初始条件，两种表达方式。
一般形式
:
JXXX
nd
ng
ns
mname
+<< AREA=value; AREA>|
W=val L=val >
+
Vgs=value>
+
例子：
J11
DX
GX
SX
JM1
AREA=1.5
J22
10
18
12
JMOD
IC=0.5, 5.0
MOS
场效应管
(1)
决定
JFET
性能的因素：
?
面积
：决定电流，电容，寄生电阻等
?
掺杂浓度及材料
：导通电压等
?
温度
：影响电流，势垒电容等
MOS
场效应管
(2)
一般形式
:
MXXX
nd
ng
ns
mname
+
+
注释：
?
MXXX
：元件名，必须以
M
开头，后面最多跟
15
个字符。
?
nd/ng/ns/nb:
漏极、<
/p>
栅极、
源极以及基底节点
?
L/W
：沟道长度和宽度；
?
AD/AS
：漏扩散区和源扩散区的面积；
PD/PS
：漏结和源结的
周长
?
NRD/NRS
漏扩散区等效方块数
?
RDC/RSC
?
OFF
：
规定在进行直流分析时忽略初始条件，
缺省值为
ON
。
?
IC
:
瞬态分析的初始条件。
?
M:
多重管模拟时的倍增因子，缺省值为
1
?
DTEMP:
缺省
值
?
一般形式
:
MXXX
nd
ng
ns
mname
+
+
+
例子：
M11
D
G
S
B
MM1
M22
10
18
12
1
MODM
L=0.5
W=2U
(0.5U
2U)
M33
11
265
4
1
MOD
OFF
10U
5U
2P
2P
电路描述语句
激励源
?
独立源
—
独立电压源
和独立电流源
(I)
?
源控源
?
电压控制电压源
(E)
?
电流控制电流源
(F)
?
电压控制电流源
(G)
?
电流控制电压源
(H)
直流源：一般形式
:
VXXX
n+
n-
IXXX
n+
n-
例子：
V11
2
0
DC=5V
V11
2
0
5V
I11
3
0
DC
3mA
I11
3
0
3mA
交流源：一般形式
:
VXXX
n+
n-
AC<=>
IXXX
n+
n-
AC<=>
例子：
V11
2
0
AC=10V
90
V11
2
0
AC
10V
90
I11
3
0
AC=3mA
0
I11
3
0
AC 3mA
脉冲源：一般形式
:
VXXX
n+
n-
PULSE
Va
td
tr
tf
pw
per>
IXXX
n+
n-
PULSE
Ia
td
tr
tf
pw
per>
例子：
VIN
3
0
PULSE
-1
1
2ns
2ns
2ns
50ns
100ns
正弦源：一般形式
:
VXXX
n+
n-
SIN
V0
Va
td
θφ
>
IXXX
n+
n-
SIN
I0
Ia
td
θφ
>
注释：
V0
：初始值；
：峰值；
freq
：频率；<
/p>
td
：延迟时间；
θ
φ
：相位
指数源：一般形式
:
VXXX
n+
n-
EXP
V0
Va
t1
td2
t2>
IXXX
n+
n-
EXP
I0
Ia
t1
td2
t2>
注释：
V0
：初始值
(V0
先上升后下降
)
；
Va
：峰值
先下降后上升
)
；
td1
：下降
(
)
延迟时间；
t1
：下降
(
上升
)
时间常数；
td2
：上升
(
下降
)
延迟时间；
t2
：上升
(
下降
)
时间常数。
例子：
VIN
3
0
EXP
0
4
2ns
30ns
60ns
40ns
分段线性源
:
一般形式
:
VXXX
n+
n-
PWL
t1
V1
V2…R
td>
IXXX
n+
n-
PWL
t1
I1
I2…R
td>
注释：
tn
Vn/In
：时间
电压
/
电流对
;R
：是否周期重复
td
：重复时延迟时间
例子：
VIN
3
0
PWL
60n
0V
80n
5V
120n
5V
140n
0V
+160n
0V
180n
5V
R
300n
直流源
DC
，
交流源
AC
，
脉冲源
PULSE
，
正弦源
SIN
，
指数源
EXP
，分段线性源
PWL
，单频调频源
SFFM
单频调频源
:
一般形式
:
VXXX
n+
n-
SFFM
V0
Va
IXXX
n+
n-
SFFM
I0
Ia
注释：
V0/I0
：电压
/
电流初
始值
;Va/Ia
：电压
/
电流峰值
fc/fs
：载频
/
调
频
;mdi
：调制指数
例子：
VIN
3
0
SFFM
0.01V
0.4V
100MEG
0.3
20K
表达式：
单频调幅源
:
一般形式
:
VXXX
n+
n-
AM
sa
oc
fm
fc
td
IXXX
n+
n-
AM
sa
oc
fm
fc
td
注释：
sa
：调制信号的幅度
;Oc
：偏移常数
;fm/fc
：调频
/
载
频
;td
：信号开始前的延
迟时间
例子：
VIN
3
0
AM
10
1
100
1K
10n
表
达
式
：
频调幅源
AM
第四讲
H
SPICE
网表的语法
(
续
)
源控源
:
一般形式<
/p>
:
E(FGH)XXX
N+
N-
NC+
GAIN_VALUE
NC-
说明：
?
HSPICE
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
?
控制元件有线性和非线性两类。
非线性以及延
元件与激励源描述小结：
一般格式：
名称
节点
<
模型名称
>
温
度，初始值
…)>
?
无源元件的描述
(R
、
、
L
、
K
、
T)
R(C,L,K,T)
n1
n2
value
RB
2
3
10K
RC
4
0
2K
rbe
3
0
1e6
rce
4
0
2k
Cbe
3
0
1n
Cbc
3
4
2u
Commands…
.end
例
3
：
：
CMOS
反相器。请写出本电路的网表
(
不写命令
行，
用
…<
/p>
省略
)
。
其中<
/p>
VCC=5V,VIN
为脉冲源，
低电压
0.2
，
高电压
4.8
，延迟时间
2ns
，上升下降
时间为
1ns
，脉
宽
，周期
20ns
。
PMOS
，
NMOS
，沟道长度为
1um
，
宽度
20us
。
?
有源元件的描述
D(Q,J,M)
n1
n2
(n3)
mname
para
meter
：几何参数，初始值的设定，温度设定
元件与激励源描述小结
?
独立源的描述
V(I)
n+
n-
type
value
type
：
DC, AC,
PULSE SIN EXP PWL SFFM, AM
value
：电压或电流值，时间，周期等
?
源控源的描述
E(FGH)
n+
n-
nc+
nc-
value
例
1
：
一个简单的
晶体管放大电路，
所有的元件、
激励源、它们的值或模型以及各
个节点的定义均已标
在图中，
请写出本电路的网表
(
不写命令行，
用
…
省略
)
。
其中，
RC
的温度因子
TC1=0.02,TC2
=0
网表的格式：
Title
Elements and sources
Commands
.end
a single NPN common-emiitter AMP
VBB
1
0
0.87
VCC
5
0
10
VS
2
1
AC
1
RB
2
3
10K
TC=0.02, 0
RC
4
5
2K
Q1
4
3
0
Q2N222
Commands…
.end
例
2
：
晶体管放大
电路的等效电路。
请写出本电路的网
表
(
不写命令行，用
…
省略
)
。
Small
signal equivalent circuit
VS
2
0
AC
1
*VCCS with a gain gm=1
Gb
4
0
3
0
1
an
inverter circuit
VCC vcc 0 5
VIN IN 0 PULSE
0.2 4.8 2n 1n 1n 5n 20n
M1 out in vcc vcc PCH L=1U W=20U
M2 out in 0 0 NCH L=1U W=20U
CLOAD out 0 0.75p
*.MODEL
PCH PMOS LEVEL=1
*.MODEL NCH NMOS
LEVEL=1
…COMMAND
S
.END
?
子电路描述语句
子电路描述一般形式
:
.SUBCKT(.MACRO)
SUBNAME
N1
<
N2 …>
具体电路描述
.ENDS
注释：
子电
路是
以
.SUBCKT
或
.MACRO
开头
，
以
.ENDS
结束的一组语句。子电路可嵌套其他子电
路。
SUBNAME
：子电路模型名。
<
/p>
N1,N2…
：子电路外部的节点名称。
.ENDS
：结束语句。只有当二次以上嵌套时才后跟
子电路模型名。
子电路调用语句：
Xnnn
N1
SUBNAME
注释：
子电路调用时，可以将子电路看成
是以
X
为
关键字的器件。
Xnnn
：子电路名称。
N1,N2…
：子电路外部的节点名称，与子电路描述
SUBNAME
：子电路模型名。
<
/p>
注意：子电路中的节点号
,
器件名，模型
的说明均
是局部量，
可以和外部的相同
子电路使用举例
CMOS
反相器组成的三级反相器链网表：
…
.SUBCKT
INV
IN
OUT
Mn
out
in
0
NMOS
子电路描述
Mp
out
in vdd
PMOS
.ENDS
X1
IN
1
INV
X2
1
2
INV
子电路调用
X3
2
OUT
INV
CL
OUT
0
1PF
……
电路描述语句：元件的模型
有
源
元
件
的
描
述
：
D(Q,J,M)
n1
n2
(n3)
mname
三极管放大电路网表
a
single NPN common-emiitter AMP
…
Q1
4
3
0
Q2N222
…
.end
反相器网表
an inverter
circuit
…
M1 out
in vcc vcc PCH L=1U W=20U
M2 out in 0 0
NCH L=1U W=20U
*.MODEL PCH PMOS LEVEL=1
*.MODEL NCH NMOS LEVEL=1
…
.END
模型描述语句
一
形
式
：
.MODEL
mname
type
pnameter2=value2 . . . >
注释：
mname:
模型参考名，
与元件描述语句的
mname
相同
type
：用来选择模型类型。
prameter1,2…
：此类模型所共有的参数值
例
:
.MODEL
MOD1
NPN
BF
=
50
IS
=
1E-+13
VBF = 50
+AREA =
2 PJ = 3
N = 1.05
(
全，共
14
种
)
MOSFET<
/p>
模型：
MOSFET
模型的描述方法：<
/p>
PMOS
：
.MODEL
模型名
PMOS
NMOS
：
.MODEL
模型名
NMOS
MOS
场
效应管的描述中都必不可少的加入了
LEVEL
模型。
?
第一代元件模型：
LEVEL 1, LEVEL 2,
LEVEL 3
?
第
二
代
元
件
型
：
BSIM1
模
型
(LEVEL13)
，
LEVEL28(
修正的
BSIM1<
/p>
模型
)
，
LEV
EL39(BSIM2)
?
第三代元件模型：
BSIM3 (LEVEL49)
?
第一代元件模型：
?
LEVEL1
1968
年以前，简单的
MOS
FET
模型。
?
线性方程，可手动计算。
?
计算速度快
?
不精确，只能进行近似分析
?
LEVEL2
1969~1978
年，
增强型
的
LEVEL1
模型
?
引入
3<
/p>
/
2
幂次项，基于几何图
形的分析
?
适用于长通道元件
~10um
?
较
LEV
EL1
精确，
但仍不能有效
地进行计算
机模拟
?
LEVE3
：
1979
?
利用一阶泰勒展开取代
3
/
2
次
项
?
引入实验性方程式，为半实验
模型
?
CPU
时间较少，适用于沟道长
度
~2um
以上元件。
?
第二代元件模型：
?
LEVEL13
1984
年，
BSIM1
模型
?
使用较多的多项式描述。
?
适用于通道长度小于
2um
的
entryname
：将要包括的库文件段的入口名
库文件嵌套：
.LIB
entryname
具体库模型的描述
.LIB
‘
path>
file
name’
MOS
元件，实验参数较多
?
偶尔造成元件行为的不易控
制。
?
LEVEL28
1990
年，修正的
BSIM
1
模型
?
由
Meta-
software
公司开发，
更加准确
?
可有效进行亚微米元件的模
拟
?
解决了
B
SIM1
的问题
?
LEVE39
1991
，
BSIM2
模型
?
利用数值分析的方法
?
适用深亚微米级元件的模拟，
沟道长度
~0.2um
以上的元件
?
模型参数过多。
?
第三代元件模型
?
LEVEL49
1995
年，
BSIM3V3
模型，加州大学
伯克利分校推出。
?
以缩减的物理参数为主，实验
性参数为辅。
?
共有
166
个模型参数
?
适用于深亚微米级模拟
和数
字集成电路的模拟
?
LEVEL50
MOS9
，飞利浦公司推出
?
有
72<
/p>
个模型参数
?
适用于深亚微米级的模拟集
成电路的模拟
不同
MOSFET
模型应用场合：
?
Level 1
：简单
MOSFET<
/p>
模型，常用于数字电路
的模拟，精度低、速度快
?
Level 2
：耗尽型
MOS
，
10
?m
器件模拟分析
?
Level
3
：
2?m
器件数字分析
?
Level13
39
，
49
可进行亚微米及深亚微米模
拟电路的分析，精度高、速
度慢
对电路设计工程师来说
,
采用什么模型参数
在很大程度上还取决于能从相应的工艺制造单位得到<
/p>
何种模型参数
?
库文件调用及定义语句
.
(.LIB
语句
)
库文件的使用：库文件可包含：
?
器件模型
(.MODEL
语句
)
?
子电路
(
包含
.ENDS
语句
)
?
有关注释语句
?
库文件调用语句
(.LIB
语句
)
等。
使用库文件的优点：速度快、占内存少。
库文件的创建：
.LIB
entryname
具体库模型的描述
.ENDL
entryname
注释：
.LIB
ent
ryname
：定义入口名为
entryname
的
库。
ENDL
：结束库定义语句
注意：不能包含
.END
语句
库文件调用：
一般形式：
.LIB
‘
file name’
entryname
注释：
filepath:
库文件所在的路径，若
.lib
与所运行的
网表在相同目录下，则可以缺省。
filename
：库的文件名。扩展名必
.lib
不可少。路
径与文件名必须包含在双引号或者
单引号里面。
entryname1
.ENDL
entryname
注意：
库文件定义中嵌套调用其他库
文件的入口名不能
与所要定义的名字相同！可以无限嵌套。
例子：创建：
.LIB
CMOS1
…
.LIB
‘…/sum/’
CMOS2
…
.ENDL
调用：
.LIB
‘…/sum/’
CMOS1
【
.INCLUDE
语句】
：
.Include
‘
file name’
例：
.include
******
************************************
【
命令语句
】
：
直流工作点分析
.OP
：
：
. op
方式：所有独立源或受控源都是直流形态，所有
电感短路，电容开路。
输出：节点电压、电源电流、静态功耗、半导体
器件
的电流、阻抗和电容。
注意：只可以出现一次
.OP
语句
Task1:
op
A SIMPLE AC
RUN
V1 1 0 10 AC 1
R1
1 2 1K
R2 2 0 1K
C1 2 0 .001U
.OPTIONS LIST NODE POST
$$control options
.OP
.END
【直流扫描分析
(.DC)
】
：
直流扫描分析：
在指定
的范围内，某一个（或两个）独立源
或其他电路元器件参数步进变化时，计算电路直流输
出变量的相应变化曲线。
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
一般形式：
R1 1 3 100
.DC
variable
start
stop
R2
1 2 100
step
R3 2 3 100
注释：
R4 3 0 100
variable
：要扫描的对象<
/p>
(
如电压、电流、温度等
)
.OPTION LIST NODE
的变量名。
.OP
start
：扫描初始值。
.TF
V(2)
VS
stop
：扫描终止值。
step
：扫描步进步长。
举例：
.DC
VIN
0.25
5.0
0.25
.DC Examples
：
.DC
VIN
0.25
5.0
0.25
Sweep VIN
from 0.25 to 5v by 0.25v increments
.DC
VDS
0
10
0.5
VGS
0
5
1
Sweep VDS from 0 to 10v by 0.5 incr at
VGS values
of 0, 1, 2, 3, 4, & 5v.
.DC
TEMP
-55
125
10
Sweep
TEMP
from
-55C
to
125C
in
10
degree
C
increments
.DC
Rx
1k
10k
0.5k
SWEEP
TEMP
LIN
5
25
125
DC analysis performed at
each temperature value.
Linear
TEMP
sweep
from
25
to
125
(5
points)
while
sweeping
a
resistor
value
called
‘Rx’
from
1K
to
10K
in .5K increments.
【直流小信号传输函数
(.TF)<
/p>
】
：
直流传输
函数：在直流工作点附近对电路进行线
性化处理，然后对电路进行以下分析：
?
直流小信号传输函数（小信号增益）
?
输出变量对于输入源的增益
?
电路输入电阻
?
电路输出电阻
该语句特别适用于直流
电路和直接耦合放大器
（差动电路和运算放大器）的增益、输入电阻，输出
电阻的计算
一般形式：
.TF
variable1
variable2
注释：
variable1
：传输函数中的分子变量，一般为输出
变量。
variable2
：传输函数中的分母变量，一般为出入
变量。
注意：每一次电路模拟中只能有一
个
.TF
语句，若
有多个，则执行最后
一个
举例：
.TF
V(5,3)
VIN
例：利用
求出节点
2
处的电
压与输入
Vs
的比值，并求出输入输出阻抗。
Task3:
tf
A tf run
VS 1 0 DC 10
.END
tf
( small signal transfer information)
第六讲
H
SPICE
网表的语法
(
续
)
直流小信号灵敏度分析
.SENS
直流小信号灵敏度：
在指定
的范围内，各个指定的输出变量相对
于某一电路参数
(
如主被动元件值、
独立电源等
)
的直流
【小信号灵敏度。
】
绝对灵敏度
相对。
。
：
?
一般形式：
.SENS
VO1
注释：
VO
：输出的支路电流或节点电压。
灵敏度分析能够帮助电路设计者了解在电路中哪
些元件和模型参
数对直流偏置的影响最大。据此，电
路的设计者知道电路中哪些元件的作用是
“
关键
”
的，
它们参数的变化都会对输出造成较大的影响，从而对
这些元件精密度的选择
做出了要求。
举例：
.SENS
V(8)
I(VOUT)
例
2.7
利用
HSPICE
求出电压
VO
的灵敏度。
A
SIMPLE SENS RUN
Vs 1 0
10
R1 1 2
40
R2 2 0
10
.OP
.SENS
V(2)
.END
(Operating
point information (in sens file))
【交流分析】
交流信号：
包含幅值、相位、频率等的信号。
交流分析：
分析输出参数随频率变化规律：
频率响应
交流分析中的一些规定：
?
电阻：若包含交流电阻，则使用交流电阻。
?
电容：阻抗为
1
/jwC
?
电感：阻抗为
jwL
?
有源元件、非线性元件：全部转化
为小信号模
型。
?
直流源：全部接地。
注：<
/p>
交流分析与直流分析。是以激励源的类型不
同来命名的。直流分析
是忽略所有的交流信号，电容
开路，电感短路，整个电路中只存在直流器件。交流
分析是忽略所有的直流信号，电容和电阻写出阻抗形
式。因此，分析要
比直流分析复杂。交流分析实际上
为频率响应分析
?
交流小信号分析
(.AC)
?
极零点分析
(.PZ)
?
交流小信号失真分析
(.DISTO)
?
交流噪声分析
(.NOISE)
?
噪声叠加分析
(.SAMPLE)
?
交流网络分析
(.NET)
【
1.
交流小信号分析
.AC
?
一般形式：
.AC
type
np
fstart
fstop
注释：
type
：扫描类型。
np
：扫描点数
：起始
/
终值频率
注意：电路当中必须至少含有一个独立交流源！
扫描类型
type
（
type
包含的类型
）
：
?
DEC
：每十进制实现对
np
个点进行扫描，对
数坐标
?
OCT
：
每八进制实现对
np
个点进行扫描，<
/p>
对数
坐标）
?
LIN
：
线性扫描，在指定的
fstop-
fstart
频率范
围内进行线性扫描
?
POI
：按所列参数点表进行扫描
Expamples:
?
q .AC
DEC
10 1K 100MEG
?
Sweep from 1KHz to
100MEGHz
，
with 10 points
per decade
?
q .AC LIN 100 1 100HZ
?
A 100 point
frequency sweep from 1Hz to 100.
.AC
其它形式
(1)
一般形式：
.AC
type
np
fstart
fstop
+SWEEP
variable
start-value
stop-value
+increment (type
np
start-value
stop-value)
Expamples:
q
.AC
DEC
10
1
10K
SWEEP
Cload
LIN
20
1pf
10pf
对
Cload
的每个值进行
AC
分析，
扫描频率为
1Hz
到
10KHz
，
每
10
进制扫描
10
个点，
其中
Cload
的
值为从
1pf
到
1
0pf
等距离取
20
个点
?
.AC
DEC
10
1
10K
SWEEP
Rx
POI
2
5k
15k
?
.AC DEC 10 1
10K SWEEP Rx
5k
15k
5k
:
这是一个简单的
RC
电路，请利用
HSPICE
求出
当激励源的
频
率
1KHz
变
化
到
100MH
z
时，
节点
2
的电
压、
通过
R2
C1
的电
流的幅值和
相位的变化。
A
SIMPLE AC RUN
R1
1
2
1K
R2
2
0
1K
C1
2
0 .001U
V1
1
0
10
AC=1
.OPTIONS LIST NODE POST
.OP
.AC DEC 10 1K 1MEG
.PROBE AC V(2) VP(2)
I(R2) IP(R2) I(C1) IP(C1)
.END
.AC
分析结果输出
【
2.
极／零点分析
.PZ<
/p>
】
任何线性时不变电路网络，都可以化
为线性传递
函数来表示：
其中，
z1…zm
为网络的零点，
p1…pn
为网络的极
点。
主要是用做放大器、滤波器等非时变网络的设计
?
一般形式：
.PZ
OUTPUT
INPUT
注释：
OUTPUT
：
输出变量，
可为任一支路电流或节点电
压。
INPUT
：
输入变量，
可为任一独立电压或电流源名
称。
举例：
.PZ
V(10)
VIN
例
5.2
利用
HSPICE
对简单放大器等效电
路作极
/
零点分析。
.PZ analysis netlist
A
pz
run
Vin
1
0
1
AC
1
Rs
1
2
1k
Rpi
2
0
1k
RL
3
0
1k
Cpi
2
0
1n
Cmu
2
3
10P
Gmu
3
0
2
0
0.04
.OPTIONS
POST=2
.OP
.PZ
V(3)
VIN
.AC
DEC
5
100
100MEG
.PRINT
AC
VDB(3)
VP(3)
.END
.PZ analysis result(in dc
file
：
【交流小信号失真分析
(.DISTO )
】
考虑失真时：
1.
输入频率
f
时：
输出会出现二
次谐波
…n
次谐波
(
)
，
如失真系数可定义为谐
波分量的总有效值与基波分量之比
2.
当输入频率为
f
1
和
f
时，不仅会产生各自的
谐波，
还
会产生
m
f
1+m
2
的组合谐波
(
可利用它计算相
互调制失真特性
)
当输入信号的能量很大时，或者通
俗的讲，当输
入电压的幅值很大时，三极管有可能会进入饱和状态
而不是放大状态，此时，三极管的输出电压的幅值就
会失真，所以针对这种情况，我们
选用宏观的分析方
法，即大信号图解分析法。而当输入电压的幅值很小
果会很不准确，所以就用小信
号模型分析法。小信号
模型，就是把抽象元件三极管等效为电阻，受控电流
源等元件组成的二端口网络。在这样的基础上进行分
析。如图是一个非常典型
的三极管放大电路。当输入
为小信号时，通过模拟电路的学习，知道，它有三个
工作区域：截止区，放大区以及饱和区。很多的时候，
我们调整其静态工
作点，使其工作在线性区，从而达
到让其成为放大器的目的。它的基极电流为
IB
，集电
极电流为
IC
，输出工作电压为
VCE
，我们认为，
它可
以等效为这样的一个线性模型，经过计算，可以得到，
输出
电流
IC
为输入基极电流
IB
的贝塔倍，
成线性关系。
大家注意，这种线性关
系，只是输入、输出特性曲线
上极小的一段，是一种近似的线性，没有考虑失真的
情况。很多时候，我们必须考虑失真，例如功放电路
分析中。由于输入
输出的非线性，
（周期信号经过非线
性系统，输出会产生高次谐
波）当放大器输入某一频
率
f
时，输出
就会出现二次谐波，三次谐波，四次谐
波等等。
当输入频率为<
/p>
f1
和
f2
时，
不仅会产生它们的
谐波，还会产生
mf
1+mf2
的组合谐波。在功放的推动
级，这时的信号幅度已比
较大，特性曲线的一段不能
用直线来代替，必须考虑非线性失真。要根据输入、
输出信号的大小及放大器的特性来选择合适的工作
点，尽量使非线性失真
达到最小，并要引入负反馈等
措施来减少失真。
可计算的五个失真量：
?
DIM2
：
相互调制失真量
（与第一级谐波差额时
的失真量）
。即频率量
f
1
－
f
2
相关的幅度和
相位
?
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*
f
1
－
f
2
相关的幅度
和相位
?
HD2
：
第二级谐波失真量。
即忽略
f
2
时，
2*
f
1
频率分量相关的幅度和相位。
?
HD3
：
第三级谐波失真量。
即忽略
f
2
时，
3*
f
1
频率分量相关的幅度和相位。
?
SIM2
：相互调制失真量（总量）
。即频率分量
f
1+
f
2
相关的幅度和相位
一般形式：
.DISTO
Rload
注释：
Rload
在该负载电阻上计算得出。
交流小信号失真分析，便是分析某个输出负载的
输出功率失真。
注释
：
in
ter
：打印失真计算结果的频率间隔，即规定打
印多少计算结
果。
1.
一般此频率为进行交流扫描
的频率。
2.
若不写，则不打印失真
计算结果，可以在再
用
.PRINT
和
.PLOT
语句对失真结果进行打印。
3.
若只需要打印第一个和最后一个频率失真计算
结果，
则
inter
值
>
分析计算的终止频率。
skw2
：
第二个频率
f
2
与标称分析频率
f
1
的比值。
允许的范围是
： 缺省值是 <
br>注意：一次电路模拟只能有一个
1e-3
，
skw2
缺省值是
0.9(
即
f
2=0.9*
f
1)
f1
：计算谐波失真特性
f2
：可选，计算调制失真特性
refpwr
用来计算输出失真功率的参考功率
,
1mw
。
spwf
：第二频率
F2
的振幅，
其值必须大
于或等于
1e-3
，
缺省值是
1.0
。
.DISTO
语句，默<
/p>
认执行最后一个。
例：
.DISTO
RL
2
0.95
1.0E-3
0.75
第七讲
:
命
令语句
【交流噪声分析
(.NOISE)
】
?
噪声：有用信号外的某些电子干扰。
?
噪声来源：电阻和半导体器件。
?
输出噪声：每个器件的噪声源在<
/p>
AC
分析的每
个频率点计算出相应的噪声
，
并传送到一个输
出节点。
电路总的输出噪声
：
一定的频率下，
各个噪声源计
算所得噪声在该点进行
RMS (
均方根
)
< br>相加：
注释：
I
：由各个端点噪声产生的等效电流
Z
：噪声源与输出之间的等效电阻
<
/p>
n
：
与电路中所有电阻、
MOSFET
、
二极管、
JF
ET
和
BJT
有关的噪声源数目。
单位
：
V
2
/Hz
噪声的定义：
1.
电路总的输入噪声：一定的频
率下，
总的输出噪声除以电路电压
(
或
电流
)
增益或者传输函
数。单位：
V
2
/Hz
2.
均一化噪声：
(onoise/BW)
0.5
，单位：
?
一般形式：
.NOISE
OVV
srcnam
inter
注释：
OVV
：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
注
意：
交流噪声分析时必须进行交流小信号分析。
举例
：
.NOISE
V(5)
VIN
10
.AC
DEC
10
1
100MEG
思考：本例共计算了几个频率点的交流噪声？
例：
求出图中输出节点
2
的噪声，频率范围
1Hz~100MEGHz
，
20
个点打印一次。
Noise
：
A simple noise run
R1 1 2 5
C1 2
0 500pf
V1 1 0 0 AC=10V, 37
.AC DEC
10 1 100MEG
.noise
v(2)
v1
20
.END
Output
noise information (in noise file)
【噪声叠
加分析
.SAMPLE
】
噪声叠加分析：
对模拟信号数据采样的采样噪声
进
行分析。得到某输出节点各采样值的噪声
(
对各噪声
的叠加
)
.SAMPLE
FS=freg
注释：
FS=freg
：数据采样频率
【交流网络分析
.NET
】
交流网络分析：
< br>进行交流小信号分析时，计算输
入输出阻抗矩阵
(Z
矩阵
)
、
导纳
矩阵
(Y
矩阵
)
混
合矩阵
(H
矩阵
)
< br>和散射矩阵
(S
矩阵
)
的参数
单端口网络：
.NET
input
< RIN=val>
双
端
口
网
络
：
.NET
output
input
注释：
input
交流输入电压或电流源名
output
输出端口变量
RIN/ROUT
：输入输出电阻
例
：
.NET
V(10,30)
VINAC
ROUT=75
RIN=50
瞬态分析：
也称为
时域的暂态分析
(
时域分析
)
，
是指对所
选定的电路节点的时域响应进行分析
，即观察该节点
在整个显示周期中每一时刻的波形。
瞬态分析条件：
?
电路中含有储能元件，如电容、电感等。
?
换路的条件：
电源值的升高与降低
(
包括接通与
断开
)
、电路中元件参数的改变。
?
换路定理
1
：在换路瞬间，电容上的电压、电
感中的电流不能突变。
这就意味着瞬态分析中
需要设置初始条件。
?
换路定理
2
：换路瞬间，电感相当于理想恒流
源
I
0
，电容相当于理想恒压源
U
0
瞬态分析目的：
?
低阶电路的时间常数
τ
的物理意义？
?
瞬态分析的目的：电路的响应速度。
?
电路的瞬态响应：
?
零输入响应
?
零状态响应
?
全响应
瞬态分析的初始条件
?
直流工作点
(
静态工作点
)
必须配合
.OP
语句，
以直流工作点为初始条
件
。
直流工作点为初始条件常常出现不收敛！
瞬态分析初始条件的设定
初始条件语句一般形式：
.IC
var1=val1
<…>
.DCVOLT
V(node1)/node1=val1
<…>
例：
.IC
V(11) = 5
V(4) = -5
V(2) = 2.2
.DCVOLT
11
5
4
-5
2
2.2
注意
：
.IC
可以设置任意变量初始值
，而
.DCVOLT
只能设置电压初始值。
节点电压语句一般形式：
.NODESET
V(node1) = val1
或
.NODESET
node1
val1
val2...>
例：
?
.NODESET
V (12)
= 4.5
V(4) = 2.23
?
.NODESET
12
4.5
4
2.33
初始条件设置的三种形式：
?
①：
IC
=?
，描述元器件两端的初始电压。
?
如：
C1
2
0
1uF
IC=2V
?
②：
初始条件语句
.IC
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