Transcript 三、数模混合仿真
SPECTRE ULTRASIM SPECTRE-VERILOG 2013年10月 内容提要 Spectre模拟仿真 Ultrasim快速仿真 Spectreverilog数模混合仿真 演示 浙大微电子 2/105 三大EDA （Electronic Design Automation）软件公司 1、Cadence 2、Synopsys（收购Avanti, Magma） 3、Mentor Graphics 浙大微电子 3/105 浙大微电子 4/105 各种仿真器简介 SPICE : 由UC Berkeley 开发。用于非线性 DC分析，非 线性瞬态分析和线性的AC分析。 Hspice: 作为业界标准的电路仿真工具，它自带了许多器 件模型，包括小尺寸的MOSFET和MESFET。Cadence提 供了hspice的基本元件库并提供了与Hspice的全面的接口。 Spectre: 由Cadence开发的电路仿真器，在SPICE的基础 上进行了改进，使得计算的速度更快，收敛性能更好。 浙大微电子 5/105 高精度电路仿真器 1、Spectre/SpectreRF(cadence) 2、Hspice/HspiceRF(avanti) 3、Ads(Agilent 主要针对RF) 4、eldo(Mentor Graphics) 5、saber(Synopsys) 浙大微电子 6/105 Cadenc软件简介 Cadence 提供了一个大型的EDA 软件包，它包括： ASIC 设计 全定制IC设计工具Virtuoso Schematic Composer 电路仿真工具Analog Design Environment PCB设计 FPGA 设计 浙大微电子 7/105 Cadence中Spectre的模拟仿真 1、进入Cadence软件包 2、建立可进行SPECTRE模拟的单元文件 3、编辑可进行SPECTRE模拟的单元文件 4、模拟仿真的设置(重点) 5、模拟仿真结果的显示以及处理 6、分模块模拟(建立子模块) 7、仿真实例 浙大微电子 8/105 一、 Spectre模拟仿真 浙大微电子 9/105 一、进入Cadence软件包 步骤一 下载安装putty软件 （http://www.isee.zju.ed u.cn/ic/datas/news/0308/ new_120213/putty-0.60installer.exe ），在Host name处填工作站地址， 端口默认，协议 （protocol）选SSH，如 图所示，在putty进行设 置；然后登录工作站。 浙大微电子 10/105 用户名 密码 修改密码：passwd VNC端口申请 端口号 浙大微电子 11/105 步骤二 下载winvnc软件 （http://www.isee.zju.ed u.cn/ic/datas/news/0308/ new_120213/vncviewer. exe） 运行winvnc，填入 主机名称 ：端口号码 192.168.83.138:3 端口号 192.168.83.138:3 浙大微电子 12/105 Cadence软件启动 1.创建启动软件的目录 mkdir filename(任意名) 2.进入该目录 cd filename 3. 寻找cadence环境变量 source /opt/demo/cdsmmsim7_cal9.env 4. 启动软件 icfb & 浙大微电子 13/105 二、建立可进行SPECTRE模拟 的单元文件 主窗口分为信息窗口 （command interpreter window,CIW)、命令行 以及主菜单。信息窗口 会给出一些系统信息 （如出错信息，程序运 行情况等）。在命令行 中可以输入某些命令。 主菜单包括： 1、File菜单 2、Tools菜单 3、Options菜单 浙大微电子 14/105 File菜单 在File菜单下，主要的菜单 项有New、Open、Exit等 New菜单项的子菜单下有 Library、Cell view两项。 Library项打开New Library窗 口，Cell view项打开Create New File窗口。 Open菜单项打开相应的 Open File窗口。 Exit项退出Cadence软件包。 Symbol Schematic Library Cell Verilog （View） Layout 浙大微电子 15/105 Library,Cell以及View 1、library(库)的地位相当于文件夹，它用来存放一整个设计 的所有数据，包括子单元（cell）以及子单元（cell）中的 多种视图（view）。新建时注意选择是否链接techfile。 2、Cell（单元）可以是一个简单的单元，像一个与非门， 也可以是比较复杂的单元（由symbol搭建而成）。 3、View则包含多种类型，常用的有schemetic，symbol， layout，verilog，extracted等等 ,新建Cellview要注意选 择View的类型。 浙大微电子 16/105 Tools菜单 在Tools菜单下，比较常 用的菜单项有 Library Manager Library Path Editor Technology File Manager Library Manager项打开的是库管 理器。在窗口的各部分中，分别 显示的是Library、Cell、View相应 的内容。 浙大微电子 17/105 Library Path Editor & Technology File Manager Library Path Editor 可以对本用户的文件 路径进行修改 浙大微电子 Technology File Manager基本上都是和 工艺相关的功能和设置。 比较常用的是Edit Layers 可以使用在版图 编辑中，用来修改原始 图层的一些属性。 18/105 Options菜单 Options菜单主要是对 Cadence的一些参数 进行调整和设置，如 快捷键等。一般无需 设置，直接使用默认 值。 浙大微电子 19/105 三、编辑可进行SPECTRE模拟 的单元文件 选择主窗口 File→Open→Open file， 打开相应的Schematic View，即进入了 Composer-Schematic Editing 窗口，如右图 所示。 浙大微电子 20/105 工具栏介绍 从上至下： 1.Check and Save 2.Save 3.Zoom in by 2 ] 4.Zoom out by 2 [ 5.Stretch m 6.Copy c 7.Delete Del 8.Undo u 9.Property q 10.Instance i 浙大微电子 11.Wire（Narrow） w 12.Wire（Wide） W 13.Wire Name l 14.Pin p 15.Cmd Options 16.Repeat 21/105 添加元器件 点击右边工具栏“Instance”或快捷键 ”i” 基本的理想元器件， 如NMOS PMOS 电 阻 电容 电压源 电 流源 等等 都在 analoglib库里。 注意！ View要选择symbol 浙大微电子 22/105 常用analoglib库的元器件 器件 Cell 名称 pnp管 pnp 电阻 res 地 gnd 电容 cap 直流电压源 vdc 电感 ind 直流电流源 idc NMOS nmos4 方波发生源 vpulse PMOS pmos4 vpwl npn管 npn 可编程方波发 生源 正弦波发生源 浙大微电子 vsin 23/105 元器件symbol视图 浙大微电子 24/105 一些快捷键 x：检查并存盘 s：存盘 [：缩小 ]：放大 f：整图居中显示 u：撤销上一次操作 Esc：清楚刚键入的命令 c：复制 shift+N：添加标号 g：查看错误 w：连线（单线） m：移动 shift+m（M）：移动器件但不移 动连线 Delete：删除 i：添加元器件 p：添加端口 r：旋转器件并拖动连线 q：属性编辑 l（小写L）：添加线名 shift+l（大写L）：标注 N：添加几何图形 W：连线（总线） 浙大微电子 25/105 附加功能：F3 浙大微电子 26/105 四、模拟仿真的设置(重点) Composer-schamatic界面中的Tools → Analog Environment项可以打开Analog Design Environment 窗口，如下图所示。 浙大微电子 27/105 Analog Design Simulation菜单介绍 Session菜单 Schematic Window Save State Load State Options Reset 回到电路图 保存当前 所设定的 模拟所用 到的各种 参数 加载已 经保存 的状态 浙大微电子 一些显 示选项 的设置 重置 analog artist。 相当于 重新打 开一个 模拟窗 口 Quit 退出 28/105 Setup菜单 Setup菜单 Design Simulator/directory/host Temperature Model Library Environment 选择所要 模拟的线 路图 选择模拟使用 的模型一般有 cdsSpice hspiceS spectre等 设置模拟仿 真时的温度 浙大微电子 设置库文件 的路径和仿 真方式 设置仿真的 环境（后仿 真时需设置） 29/105 Analyses菜单 选择模拟类型。Spectre的 分析有很多种，如右图， 最基本的有 tran（瞬态分析） dc（直流分析） ac（交流分析）。 浙大微电子 30/105 tran（瞬态分析） 可选择三种仿真精确度： 宽松的（liberal）：仿真速度最 快，但是精度最低，适合仿真数 字电路或者是变化速度较低的模 拟电路； 适中的（moderate）：作为仿 真器默认的设置，精确度类似于 用SPICE2计算的仿真结果; 保守的（conservative）：具 有最高的精确度但是速度最慢， 适合较敏感的模拟电路的仿真 浙大微电子 31/105 dc（直流分析） dc（直流分析）可以在 直流条件下对 Temperature Design Variable Component Parameter Model Parameter 进行扫描仿真 例如:对温度的扫描（测 量温度系数） 电路随电源电压变化的 变化曲线等 浙大微电子 32/105 ac（交流分析） ac（交流分析）是 分析电路性能随着 运行频率变化而变 化的仿真。 既可以对频率进行 扫描也可以在某个 频率下进行对其它 变量的扫描。 浙大微电子 33/105 Variables菜单 包括Edit等子菜单项。可以 对变量进行添加、删除、 查找、复制等操作。变量 （variables）既可以是电 路中元器件的某一个参量， 也可以是一个表达式。变 量将在参量扫描 （parametric analysis）时 用到。 浙大微电子 34/105 其它有关的菜单项（1） Tools菜单 Tools内包含了 参变量分析 工艺角仿真 蒙特卡罗仿真 参数优化器 计算器 结果浏览器 等非常实用的工具。 浙大微电子 35/105 Tools/Parametric Analysis 它提供了一种很重要的分析方法——参量分析的方法，也 即参量扫描。可以对温度，用户自定义的变量（variables） 进行扫描，从而找出最合适的值。 浙大微电子 36/105 Tools/Results Browser 它提供了电路中各个元件（MOS管、电阻等）的 各项重要参数。比如DC仿真后MOSFETs的实际Vth，gm 等参数 浙大微电子 37/105 其它有关的菜单项（2） Outputs/To be plotted/selected on schematic schematic子菜单用来在电路原理图上选取要显示的波形 （点击连线选取节点电压，点击元件端点选取节点电流），这 个菜单比较常用 浙大微电子 38/105 其它有关的菜单项（3） Outputs/Setup 当然我们需要输出的有时不仅仅是电流、电压，还有一些更高级的。比如 说：带宽、增益等需要计算的值，这时我们可以在Outputs/setup中设定其名 称和表达式。在运行模拟之后，这些输出将会很直观的显示出来。 举个例子：标识3db的点，我们用到的表达式如下： bandwidth（VF(“/Out)，3，“low”） 需要注意的是：表达式一般都是通过 caculator 输入的。Cadance自带 的计算器功能强大，除了输入一些普通表达式以外，还自带有一些特殊表达 式，如bandwidth、average等等。 浙大微电子 39/105 Calculator的使用 Calculator是一 个重要的数据 处理工具，可 以用来仿真电 源抑制比，相 位裕度，计算 频谱等 浙大微电子 40/105 其它有关的菜单项（4） Results菜单 浙大微电子 41/105 模拟结果的显示以及处理 在模拟有了结果之后， 如果设定的output有 plot属性的话，系统 会自动调出waveform 窗口，并显示outputs 的波形，如左图 浙大微电子 42/105 在模拟电路的仿真过程中，要在不同的PVT (Process， Voltage，Temperature)状况下全面地仿真。 P 对应的是不同的工艺角类型； （在smic 40nm cmos工艺下Mosfet有ss sf tt fs ff五种 工艺角。电阻，电容，电感，二极管等各有三个工艺 角） V 指的是电源电压，要求仿真标称值的±10%电源电 压下的电路的仿真结果； T 温度要求对于芯片的应用范围有所不同，一般 民用级是 0℃~70℃， 工业级是 -40℃~85℃， 军用级是 -55℃~125℃。 浙大微电子 43/105 分模块模拟(建立子模块) 存在问题 在电路越来越复杂的情况下，存在许多重复单元，如果花 时间分别去建立schamatic，明显会使工作更繁复。 解决方案 我们在建立了一个子电路后，可以将其看作一个整体，建 立一个模块,即建立一个symbol（view name），放在用户 自己库里的作为一个器件(component)来用，这样可以大 大减小工作量、提高效率、简化设计。 浙大微电子 44/105 schematic和symbol图 在Library Manager中分别建立cellview 的schematic (view)和symbol(view)，如下图所示。两者的Pin的名 称和属性必须一致，这样才能建立起一一对应的关系。 浙大微电子 45/105 建立子模块的方法 1、直接建立 在Library Manager中新建cell，在弹出的窗口的Tool项选择Composer-symbol, 即建立的是symbol(view); 用子菜单Add/Shape/Line和Add/Shape/Circle的命令画出所需的形状； 用子菜单Add/label的命令添加标签[@instanceName]； 用子菜单Add/PIn的命令添加管脚 用子菜单Add/Selection Box命令添加选择框。 2、间接建立 打开cell的schematic(view)， 用 子 菜 单 Design/Create Cellview/From Cellview 命 令。 在弹出的窗口里输入 相应的名称后，单击OK 浙大微电子 46/105 子模块的调用 在 Schematic 中 点 击 Add Instance 。 然 后 在Library中选中你的 子 模 块 所 在 的 library ， cellview ， symbol 。 这样就可以调用你设 计的子模块了。 浙大微电子 47/105 五、FSK电路仿真实例 FSK（Frequency-shift keying） 频移键控是利用载波的频率变化来传递数字 信息。 要求： 输入250 KHz，0~3 V方波 当输入为高电平，输出频率为2M Hz信号 当输入为低电平，输出频率为2.5M Hz信号 浙大微电子 48/105 1、搭建FSK电路，如下图所示： 浙大微电子 49/105 2、建立Symbol图 为电路创建SYMBOL之后该电路即可 作为模块方便被其它电路调用 浙大微电子 50/105 管脚位置，名称 浙大微电子 51/105 3 建仿真电路 创建仿真电路cell及schematic 调用所需各模块并连接 浙大微电子 52/105 浙大微电子 53/105 4 设置仿真器 运行Analog Environment 设置Model Libraries 浙大微电子 54/105 Analysis菜单 选择模拟类型。Spectre的 分析有很多种，如右图， 最基本的有 tran（瞬态分析） dc（直流分析） ac（交流分析） tran（瞬态分析）可选择 三种仿真精确度： 停止时间 宽松的（liberal）， 适中的（moderate）， 保守的（conservative）。 浙大微电子 55/105 添加观察信号仿真 1 2 3 4 浙大微电子 56/105 浙大微电子 57/105 频谱分析1/5 浙大微电子 58/105 频谱分析2/5 浙大微电子 59/105 频谱分析3/5 浙大微电子 60/105 频谱分析4/5 浙大微电子 61/105 频谱分析5/5 浙大微电子 62/105 Ultrasim仿真技术 传统的SPICE模拟器(例如Spectre、PSPICE) 有一些人所共知的局限性，例如模拟容量小 (大约只能支持5万有源器件)，对较大设计的 模拟速度较慢。为了克服这些局限，Cadence 推出了第三代SPICE模拟器，即所谓的Fast SPICE模拟器，即Ultrasim模拟器，采用了电 路划分、多速率模拟和压缩表模型等技术。 浙大微电子 63/105 设定ultrasim仿真环境变量 输入source /opt/demo/cdsmmsim7_cal9.env 输入icfb & 浙大微电子 64/105 Ultrasim仿真环境设置 因为UltraSim已经完全集成在Cadence的标准模拟电路仿真流程中， 我们在搭建好点电路图并且保存后，从Composer-schematic界面中 的Tools→Analog Environment项就可以打开ADE窗口。 浙大微电子 65/105 此时ADE窗口默认的仿真器Simulator为spetre，为了设置使用 Ultrasim仿真器，点击Setup→Simulator/directory/host，弹出对话框 如图6.31所示。选择仿真使用的模型，在下图Simulator中选择 UltraSim。 浙大微电子 66/105 如同spetre仿真，在Setup→Model Library Setup选择模型文件的路 径，并填入仿真模型的工艺角类型。 在Analyses菜单中可以选择分析类型，从Analyses→Choose打开如 图窗口，选择瞬态分析类型tran，tran的设置只需填入仿真停止时间 即可。选择是否保存直流工作点。 浙大微电子 67/105 接下来选择仿真所需要的精度和速度，如图所示，进入simulation菜 单，选择Option→Analog。 浙大微电子 68/105 然后显示如图所示的 simulation option窗口， 它有许多选项的设置， 包括速度、精度、输出、 温度，规模等等。下面 将主要介绍一下四项仿 真参数的设置： 仿真模式 仿真速度 矩阵分割 波形文件格式。 浙大微电子 69/105 1．仿真模式设置（Simulation Mode） Simulation Mode中有6种模式： 1.Digital Fast（DF） 2.Digital Accurate(DA) 3.Mixed Signal（MS） 4.Analog Multi Rate (AMR) 5.Analog（A） 6.Spice（S） 浙大微电子 六种模式的精度依 次升高，但是仿真速度依 次降低。每种模式所利用 的仿真模型也不完全相同， 各种模式有相应的应用。 下面将详细介绍每种模式 的应用、使用的模型以及 仿真的目标精度。 70/105 浙大微电子 71/105 Digital Fast (DF) 模式的目标精确度是相比之下S模式的 10％以内，为数字电路和存储器的功能验证而设计。这是 通过使用MOSFET的数字非线性电流模型，MOSFET、 MOSFET的扩散结和二极管固定电容模型来实现的。此分 割算法用于提供高速仿真。 Digital Accurate (DA)模式是用于数字电路和存储器时序 验证、一些PLL和混合信号设计。此模式采用MOSFET的 数字非线性电流模型和MOSFET扩散结、二极管的充电模 型。此模式使用分割算法，目标模拟误差小于5％。 Mixed Signal (MS)模式为模拟、混合信号和PLL的应用提 供了所需的精确度。它采用分割算法和一个MOSFET的电 流和充电，MOSFET的扩散结和二极管模拟的典型模型。 此模式的目标精度在3％以内。 浙大微电子 72/105 Analog Multi Rate (AMR)模式应用于那些过于敏感而不能 使用MS模式模拟，或者过于复杂而不适用一个模式多速 率行为应用。与一个模式相比，它具有的更高仿真速度是 通过使用保守的模拟分区实现的，但是仅限于多速率行为 的设计。目标精度为S模式2％以内。 Analog (A)模式应用于如AD、DA和 DC/DC电路等高精度 应用。它使用与MS模式相同的模拟典型模型。它模拟在 一个分区的设计。由于模拟典型模型，它提供了速度比传 统SPICE快3到10倍的仿真。 SPICE (S)模式采用Berkeley SPICE 模型，并匹配其他 SPICE仿真器（目标误差1%） 浙大微电子 73/105 2.仿真速度设置（speed option） Speed option可以设置总的公差容忍度tol（tol也可以单 独设置）,tol包括电压、电流等所有的公差容忍度之和。Speed option有八个选项，分别是speed＝1,2,3,4,5,6,7,8。其对tol分别 是0.0001 ,0.001,0.0025,0.005,0.02,0.02,0.04,0.07,精度依次降 低。通常,如果精度要求不是很高,可以采用默认设置,而无需设置 这一项。注意：精度设置的越高,相应的速度越低。 浙大微电子 74/105 3.矩阵分割设置（analog option） ultrasim把大的电路矩阵分割成小的矩阵,以加快仿真 速度,但同时会损失一些精度。analog选项用来控制矩 阵分割的大小，通常采用默认设置。以下是适用每种 analog值的电路。 Analog=0 适用于数字电路和存储器电路 Analog=1 适用于数字电路、存储器电路和混合信号 电路（默认） Analog=2 适用于混合信号、模拟和射频电路 Analog=3 适用于模拟电路和射频电路 Analog=4 适用于混合信号电路（高度敏感） 浙大微电子 75/105 4. 波形文件格式的设置 （output format） ultrasim支持以多种波形文件格式存储 波形,主要有psf和sst2。psf应用很广泛， 可以通过cadence的awd和新的wavescan 打开。sst2是cadence新的压缩波形文件格 式,生成的波形文件最小,可以使用cadence 的wavescan和simvision打开。 浙大微电子 76/105 设置好这些仿真条件后，选择保存所要输 出的电压或者电流，点击simulation中的 Netlist and Run，即可进行Ultrasim的仿真。 浙大微电子 77/105 浙大微电子 78/105 三、数模混合仿真 浙大微电子 79/105 SpectreVerilog仿真技术 Mixed-Signal Simulator 的基本结构 以模拟电路仿真器为核心 在处理数模混合电路时将数字部分等效为相应的简化的模拟电路、或 者采用解析函数来表示逻辑模块的行为，然后对整个系统采用模拟电路 的方法进行模拟。优点：模拟结果精确、能处理的电路规模比较大，模 拟速度也有显著提高。缺点：比逻辑模拟器还是慢很多。 同时包含模拟和数字两个仿真核 处理速度快，能处理的电路规模极大，但需要解决模拟仿真核和数字 仿真核之间的通信问题；另外，由于数字逻辑仿真器和模拟仿真器的输 入、输出数据是不一样的，还必须在模拟仿真核和数字仿真核之间实现 模拟信号和数字信号的相互转换。 浙大微电子 共97页 80/105 80 软件启动 source /opt/demo/cdsmmsim7_cal9.env source /opt/demo/ldv4.env icfb& 浙大微电子 81/105 数模混合仿真流程 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 创建模拟电路symbol 创建数字电路symbol 创建数模混合电路图 创建数模混合仿真配置文件 打开仿真配置文件设置数模接口电平 打开仿真器并设置 仿真 浙大微电子 82/105 创建模拟电路symbol 1/4 浙大微电子 83/105 83 创建模拟电路symbol 2/4 浙大微电子 84/105 84 创建模拟电路symbol 3/4 浙大微电子 85/105 85 创建模拟电路symbol 4/4 浙大微电子 86/105 86 创建数字电路symbol 写代码时摁键盘上的insert键； 代码输入完成摁esc键； 然后输入:wq 摁回车键即可 浙大微电子 87/105 87 创建数模混合电路图 浙大微电子 88/105 创建数模混合电路图 数字模块 模拟模块 浙大微电子 89/105 89 创建数模混合仿真配置文件1/4 浙大微电子 90/105 90 创建数模混合仿真配置文件2/4 浙大微电子 91/105 91 创建数模混合仿真配置文件3/4 浙大微电子 92/105 92 创建数模混合仿真配置文件4/4 浙大微电子 93/105 93 打开仿真配置文件 浙大微电子 94/105 94 打开mix-signal选项 浙大微电子 95/105 95 设置Partition选项 浙大微电子 96/105 96 设置数模接口电平 低电平 高电平 浙大微电子 97/105 97 设置数模接口电平 下降时间 上升时间 浙大微电子 98/105 98 打开仿真器并设置1/3 浙大微电子 99/105 99 打开仿真器并设置2/3 浙大微电子 100/105 100 打开仿真器并设置3/3 浙大微电子 101/105 101 仿真结果 数字结果 模拟结果 浙大微电子 102/105 浙大微电子 103/105 四、 演示 浙大微电子 104/105 THANK YOU! 浙大微电子 105/105 数模混合仿真作业： 搭建模拟FSK调制器，输入信号为：250 KHz，0~3 V方波 数字分频器对模拟部分的输出信号进行2分频 最终输出结果为： 当输入为低电平时，输出频率为2M Hz 方波信号 当输入为高电平时，输出频率为1M Hz 方波信号 浙大微电子 106/105