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HSPICE 入門教學

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概述hspice一些基礎用法，同學可以大致瀏覽，了解hspice的程式邏輯，不用全部背起來，日後有需要再來查找。
這邊只有少部分的基礎用法，同學若想進一步了解，建議善用google搜尋，或是閱讀HSPICE使用手冊，可以得到最完整的答案。

Circuit file

如何透過 hspice描述一個子電路

檔案命名: 通常我們會將子電路寫在ooo.cir的檔案中 (ooo可隨意命名)












*** 第一行為註解
.subckt [circuit_name] [pin1] [pin2] [...pinx] [param1=value1] [param2=value2] 

*** "m" 代表mos
m1   [drain]   [gate]    [source]   [body]   [p_18/n_18]   [l=length]   [w=width]
*** "c" 代表capacitor
C1   [node1]   [node2]   [capacitance]
*** "r" 代表resistor
R1   [node3]   [node4]   [resistance]

.ends

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hspice中的 * 或 $ 後為註解。
在hspice中，code沒有大小寫之分。
代號後面緊接著是命名。比如我想命名一個叫做 soonj 的電晶體，就可以寫成 msoonj。

  • example 1: inverter.cir
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.subckt    inv_exp    input    output    vdd    gnd
m1    output    input    vdd    vdd    p_18    l=0.18u    w=0.5u
m2    output    input    gnd    gnd    n_18    l=0.18u    w=0.25u
.ends
  • example 2: RC_circuit.cir
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.subckt    RC_exp    vs    vc    gnd
r1    vs    vc    1k
c1    vc    gnd    1p
.ends

Testbench file

如何測試我們寫好的電路

檔案命名:通常我們會將Testbench file寫在ooo.sp的檔案中(ooo可隨意命名)




































*** 第一行為註解
.protect
.lib    'cic018.l'  TT  *** 在此資料夾內使用'cic018.l'此檔案作為library。
.unprotect            *** 在.protect與.unprotect之間夾住的檔案，不會顯示在.lis檔案內。
.option post          *** "+"代表延續上一個指令(此處為.option指令)
+accurate=1
+ingold=2
+runlvl=6
***以上7行是各位在測電路時幫助收斂以及規定準確度，請各位每次作業這7行都跟這裡一樣。

**************** 宣告testbench中會用到的參數 ****************
.param    [parameter_name]=[parameter_value]

******************** 呼叫此資料夾內的檔案 ********************
.include    'inv_exp.cir'    
.include    'RC_exp.cir'     

****************** 根據呼叫的檔案宣告子電路 ******************
***X[Name] [pin1] [pin2] [...pinx] [param=value] [circuit_name] [m=multiply]
Xinv    vin    vout    vdd    gnd    inv_exp    
XRC     vs     vc      gnd           RC_exp   

***********************************************************
***                      1.電壓源的設定
***********************************************************

***********************************************************
***                      2.模擬的設定
***********************************************************

***********************************************************
***                      3.量測的設定
***********************************************************

.end

宣告subckt時，可在後面加入 m=[multiply]，意即 並聯 多少個。
ex: 並聯4個單位的inverter

xinv_a vin vout vdd gnd inv_exp m=4

1. 電壓源的設定

HSPICE有主要四種電壓源，分別是DC, Pulse, Sinusoidal, 和Piecewise Linear。
電壓元的代號是 V，後面接著電壓源的名字。

  • DC: 宣告一個直流電壓源。


*** [Voltage Source Name]    [Node1]    [Node2]    [DC value]  
VVDD    VDD    GND    DC=1.8
  • Pulse: 宣告一個clock電壓。




*** 宣告一個clock電壓包含幾個要素，首先要訂出低電壓(VL)與高電壓(VH)，通常會給GND以及VDD
*** 再來根據clock樣式分別訂出delay、rising time、falling time、pulse width、period
*** 同學可以試著對照下圖來完成自己的clock
VCLK    CLK 	GND    PULSE(VL  VH  delay  trise  tfall  pulse_width  period)

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  • Sinusoidal: 宣告一個sin波電壓源。




*** 宣告一個sin波電壓包含幾個要素，首先要訂出中間電壓、震幅與頻率。
*** 再來根據想要的sin樣式去訂出delay
*** 同學可以試著對照下圖來完成自己的sin
VVIN    vin    gnd   sin(Voffset     Vamplitude    Freq    Tdelay)

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  • PWL: 可以自行根據不同時間來給予電壓。


*** PWL內為一個時間搭配一個電壓值
V1   VIN   GND   PWL(0n 0V 2n 0V 3n 1.8V 8n 1.8V 10n 0V 11n 0V 12n 1.8V 14n 1.8V)

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2. 模擬的設定

HSPICE有主要三種模擬，分別為AC, DC, 和Transient

  • AC: 交流分析，屬於小訊號分析，分析電路在頻域上的表現，如波德圖。 (本課程中不會用到)
  • DC: 穩態分析。














*** 設定參數並給定初值
.param   L1=0.18u
.param   W1=0.5u

*** 假如想看m1電晶體gate電壓在不同大小的情況下，所得到的電流會如何改變
m1    VD    VG    VS    VB    n_18    L=L1   W=W1
*** 將VG改變，從0V增加到1.8V，每0.1V為間隔
.dc    VG    0    1.8    0.1
*** 再來使用probe的指令，就可以偵測m1電流
.probe    id_mos=par(I(m1))

**************************************
*** 透過 "sweep" 指令可以拿來掃不同的參數，像是W或L，同學可以自行摸索
.dc    VG    0    1.8    0.1    sweep    W1    0.25u    1.25u    0.5u
  • Tran: 暫態分析，屬於大訊號分析，分析電路在時域上的表現，最貼近真實的電路運作狀況。











****************** Initial condition ******************
*** 有些電路中的節點需要宣告初始值
***.ic    V([subckt_name].[node])=[value]
.ic    V(Xinv.input)=0.9

*** 先決定模擬總時間要跑多久來設定[run_time]再去設定最小的精細刻度[resolution]，
*** [resolution]越小模擬出來的值越準確，但相對地，等待模擬時間也越久。
*** 若同學們有使用到.ic的指令的話，要記得在.tran的後面加上uic，
*** 這樣HSpice才會使用設定的初始值去跑模擬。反之，則不用加uic。
*** .tran    [resolution]    [run_time]    [uic]/[]
.tran    1p    10ns    uic

3. 量測的設定

模擬之後會產生出波形，可以針對產生的波形進行量測，量測有兩種方式：

  1. 使用語法進行量測，量測結果儲存於ooo.mx0檔案中 (x取決於跑什麼類型的模擬)
    • DC: ooo.ms0
    • AC: ooo.ma0
    • Tran: ooo.mt0
  2. 使用看圖軟體(Waveview)將模擬結果的波形檔案打開，使用Waveview中的tool進行量測。
    • DC: ooo.sw0
    • AC: ooo.ac0
    • Tran: ooo.tr0

IC Designer通常會兩種方式併用，使用Waveview看波形可以快速確認電路function，使用語法量測則能幫助我們同時量測大量資料，以便後續使用Matlab、Excel等軟體進行分析。以下先針對語法量測說明，Waveview使用會在下一部分介紹。

1. meas

有時我們會想要量測電路運作時的一些資訊，可藉由".meas"來進行量測






















































*** 此堂課的固定設定
.protect
.lib 'cic018.l'
.unprotect
.option post
+ accurate=1
+ ingold=2
+ runlvl=6

*** 電路描述 (通常此部分會寫在.cir檔中，再藉由.include到.sp檔，至於其他測試碼通常也會寫在.sp檔中)
.subckt    inv_exp    input    output    vdd    gnd
m1    output    input    vdd    vdd    p_18    l=0.18u    w=0.5u
m2    output    input    gnd    gnd    n_18    l=0.18u    w=0.25u
.ends

*** 欲測試的子電路
xinv vin vout vdd gnd inv_exp

*** 輸入訊號
Vvin    VIN 	GND    PULSE(0  1.8  10n  0.1n  0.1n  20n  40n)

*** 模擬設定
*** .tran [resolution] [run_time]
.tran 1p 200n

*** 量測設定
*** 特定節點在一段時間內的最大、最小電壓值
*** .meas TRAN [data_name] MAX/MIN V([subckt_name].[node]) FROM=[time1] TO=[time2]
.meas TRAN Vmax MAX V(vout) FROM=0n TO=100n    *** 一段時間內的電壓最大值，命名為Vmax
.meas TRAN Vmin MIN V(vout) FROM=0n TO=100n    *** 一段時間內的電壓最小值，命名為Vmin

*** 設定觸發電壓值以及目標電壓值，量測特定節點從第N次觸發電壓值變化到第M次目標電壓值時的時間長度
*** .meas TRAN [data_name] TRIG V([subckt_name].[node]) VAL=[voltage_value/param] RISE/FALL=[order_of_rise/fall_edge] TARG V([subckt_name].[node]) VAL=[voltage_value/param] RISE/FALL=[order_of_rise/fall_edge]
.meas TRAN Trise TRIG V(vout) VAL='Vmin+0.1*Vmax' RISE=2    *** 量測rising time，此範例為電壓從"第二次達到最大電壓值的1成"上升到"第二次達到最大電壓值的9成"的時間，命名為Trise
+                TARG V(vout) VAL='0.9*Vmax' RISE=2
.meas TRAN Tfall TRIG V(vout) VAL='0.9*Vmax' FALL=2    *** 量測falling time，此範例為電壓從"第二次達到最大電壓值的9成"下降到"第二次達到最大電壓值的1成"的時間，命名為Tfall
+                TARG V(vout) VAL='Vmin+0.1*Vmax' FALL=2
.meas TRAN Tdelay TRIG V(vin) VAL=0.9 FALL=2    *** 量測delay time，此範例為電壓從"輸入電壓第二次達到0.9V"到"輸出電壓第二次達到0.9V"的時間，命名為Tdelay
+                 TARG V(vout) VAL=0.9 FALL=2

*** 量測節點電壓值第N次達到指定電壓時的時間長度
*** .meas TRAN [data_name] WHEN V([subckt_name].[node])=[voltage_value] RISE/FALL=[order_of_rise/fall_edge]
.meas TRAN time_second WHEN V(vout)=0.9V RISE=2    *** vout第二次達到0.9V所需的時間長度，命名為time_second

*** 當後面的節點第N次達到指定電壓時，記錄前面節點當下的電壓值
*** .meas TRAN [data_name] FIND V([subckt_name].[node]) WHEN V([subckt_name].[node])=[voltage_value] RISE/FALL=[order_of_rise/fall_edge]
.meas TRAN Vm1 FIND V(vout) WHEN V(vin)=1.2V RISE=1    *** 當vin第一次達到1.2V時，記錄vout的電壓值，命名為Vm1

*** 當到達指定時間時，記錄該節點電壓值
*** .meas TRAN [data_name] FIND V([subckt_name].[node]) AT=[time]
.meas TRAN Vm2 FIND V(vout) AT=50ns    *** 當時間到達50ns時，記錄vout電壓值，命名為Vm2

.ends

2. print

有時我們會自己定義一些參數，可以使用".print"將參數印出在模擬結果波形檔中以便分析
範例:量測VDS電壓變化對NMOS關閉阻抗Roff的曲線
















*** 電路描述
MM1 VD VG VS GND n_18 L=0.18u W=0.5u

*** 輸入訊號
VVD VD GND 0
VVG VG GND 0
VVS VS GND ss

*** 模擬設定
.DC ss 0 1.8 0.01

*** 量測設定
.print Roff='V(VS)/abs(I(mm1))'

***

Terminal Command






### run hspice simulation
hspice -i [testbemch_file_name.sp] -o [output_file_name.lis]

### open waveview
wv &

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如果跑模擬出現 hspice job aborted，請開啟 [output_file_name].lis 來debug。

以'print'教學範例為例

Waveview

以下介紹一些常用的Waveview功能
以'print'教學範例為例

Appendix

Element Symbol
Resistor r
Capacitor c
Inductor l
MOSFET m
Sub-circuit x
Voltage source v
Current source i
Scale Factor Symbol
1e-15 f
1e-12 p
1e-9 n
1e-6 u
1e-3 m
1e3 k
1e6 meg
1e9 g
1e12 t
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盛祖丞
- B.S. and M.S. in EE, NCKU, Tainan, Taiwan. - Analog IC Designer
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