Hspice 第三、四章

4.3 模型例子探讨
以BSIM1为例（LEVEL13）和LEVEl 28为例
BSIM1存在的问题
1、输出阻抗问题； 2、反折点问题；
3、某些元件行为与物理情况不符合。
LEVEL28的特点 1、此模型中有考虑载流子移动与垂直电场的相关性； 2、包含载流子速度饱和现象 3、可解释漏极引起的势垒降低现象；
3.6 电路实例分析探讨
例3.2 源极跟随器电压增益。
3.6 电路实例分析探讨
例3.3 共栅极放大器的电压增益与频宽。
3.6 电路实例分析探讨
例3.5 宽长比(W/L)1= (W/L)2=4， (W/L)3=20，求电压增益
谢谢大家！
Hspice在元件、集 第4章 成电路中的模拟
作者:李蕾
Hspice在元件、集 第3章 成电路中的模拟
作者:李蕾
目 录
3.1 简介
3.2 元件、集成电路的模拟特性 3.3 模拟技巧探讨 3.4 集成电路设计层次的考虑 3.5 电路及模型温度考虑 3.6 电路实例探讨
3.1 简介
目的：了解运用Hspice仿真元件、集成电路的流程、
技巧，以及需注意的问题。
Hspice的使用环境；
Input Requests .circuit parameters .circuit temp .circuit stimulus analysis .dc sweep .transient .AC/Pole/Zero Model selection .lib .inc .case selection
4.2 FET元件模型各时代探讨
MOSFET的SPICE模型发展的基础与演进主要根据下列原则：
1、进阶模型的改良保留原来模型的内容； 2、将小尺寸元件所带来的二阶几何效应加入原有模型； 3、对元件模型进行高效的数学描述与呈现以满足复杂电路模拟需求。
一个好的MOSFET元件模型，应该具备下列特点：
3.2 节点、集成电路及系统模拟特性
元件模拟特性
调用元件来自于工艺库，网表通过.lib命令加 载工艺库文件；
3.2 节点、集成电路及系统模拟特性
仿真元件的I/V特性曲线，获得参数值方便后 续计算仿真；
集成电路模拟特性
单一晶圆上，采用同一个工艺文件进行模拟 通过Hspice的分析能力辅助设计者对电路参数 做最佳调整
对于HSPICE在此基础上加入：
简化源/漏二级管电流、电容与电阻的复杂度； 对于源、漏极寄生方式由模型参数ACM来主导； 加入参数的飘移，为最坏情况和蒙特卡罗分析做准备。
4.2 FET元件模型各时代探讨
BSIM3（LEVEL49）参数，如书中表4.1： （1）基本模型参数 （2）交流和电容参数 （3）够长度和宽度效应参数 （4）温度参数 （5）分区描述参数 （6）工艺参数
2、工作温度范围
商用温度范围：0~70℃ 军用温度范围：-55~125℃ 低温应用<-55 ℃ 高温应用>125 ℃ 恒温应用
4.5 最坏情况模型化方法
3、电源供应范围 根据工艺，具体电路要求而定
4、了解二阶效应对电路的影响
5、元件参数对电路设计的重要性 结论，模型的选择必须与所设计电路的特性与工作环境密 切配合，才能充分掌握产品的品质与可靠性。 最坏情况的漂移参数
系统模拟特性
3.3 模拟技巧探讨
集成电路设计重在晶体管级电路的使用； 通过.lib、.inc、.option search=‘lib_directory’等命令 加入工艺库和已经编译好的网表文件； 运用.param命令提供代数运算；
对工艺制作过程中出现的各种偏差做蒙特卡罗分 析和工艺角分析，通过运用.alter； 对输出波形关键数据测量辅助分析。
3.6 电路实例分析探讨
例3.0 如图，m1,m2为大小相同的两个mos管（w/l=40u/4u）,但是所处 温度环境不同（m1,室温25℃；m2,有可能比m1高20℃ ）运用hspice中 dtemp的设定分别得到两者的漏极电流I-V特性曲线。
3.6 电路实例分析探讨
例3.1如图3.11所示共源放大电路中若含有Rs电阻，增益下降，但频宽会 增加。试求电压增益与频宽。
1、准确性； 2、效率性； 3、可调性； 4、提取性与维护性； 5、统计能力； 6、可预估性。
4.2 FET元件模型各时代探讨
第一代模型
• 1968年前：LEVEL1，所熟知的元件漏极电流描述方程元件的基本线 性与饱和漏极电流方程式、λ修正、适于均匀掺杂的长沟器件，精确 度低； • 1969~1978： LEVEL2，加入小尺寸几何效应，引入3/2次项，，引 入ECRIT参数等效应，适于长沟器件，效率不高； • 1979年： LEVEL3，一阶泰勒展开式，引入ETA参数解释漏极引起的 势垒降低效应和二维度效应，效率较高，适于2um以上沟长器件。
谢谢大家！
4.5 最坏情况模型化方法
最坏情况模型化特点
•要求设计者在电路设计过程中，考虑到工艺变化和环境因 素，保证即使电源电压或温度变化等因素改变，仍能够正 常工作； •需要了解电路，确定哪些参数属于最灵敏和关键的参数
4.5 最坏情况模型化方法
模型化选择与电路设计的相关考虑 1、电路形态
数字电路； 标准零件 模拟电路 数模混合电路
第二代模型
• 1984年：BSIM1，沟长沟宽灵敏度因数，多项式描述，实验性参数， 2um以下器件，元件行为不易控制； • 1990年：LEVEL28，解决了BSIM1的问题，包括了加入长度和宽度 积的灵敏度因数，适于亚微米描述，目前广泛使用； • 1991年：LEVEL39，修正BSIM1，描述了漏/源区寄生电阻、热电子 引起的输出电阻的下降、反型区电容效应，0.25um
漂移参数（skew parameter），模型参数中，有些参数是可 以测量的，而且其可以表现出统计平均值的漂移量，因此代 工厂或IC设计人员可用这些漂移量来预测电路性能的变化， 这些参数称之为模型漂移参数。
4.5 最坏情况模型化方法
将漂移参数加入最坏模型化分析，保证设计电路在工艺和环境变化状 态下仍能正常工作的依据。 以多晶硅栅的尺寸为例，假设XL为均值，多晶硅的实际尺寸围绕XL 均值变化，其各自会对电流有不同的影响，各自影响叠加有可能对元 件性能产生最坏影响。 如表4.2 从漂移参数的平均值，加减标准差后对整个电路的反应 速度的影响
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
仿真模型通常来自库文件，例如，nmos_3p3,nmos_lv等；
用模型漂移参数来预测电路性能。
3.5 电路与模型的温度考虑
实际应用中除了电路所处的环境温度影响， 还受元件自身温度影响；
模型参考温度备调用； 元件接面温度； 环境温度。
仿真中通过设置参数将主要温度因素的影响 考虑在内
例如，m1 d g s b nch w=10u l=1u dtemp=20 ,其中dtemp表示界面温 度与环境温度之差，例中、m1界面温度比环境温度高20 ℃
M1 n2 n1 vcc vcc pch W=wp L=l M2 n2 n1 0 0 nch W=wn L=l .model pch pmos level=2 .model nch nmos level=2 vs n1 0 dc 1
*mos描述
*mos模型描述
3.3 模拟技巧探讨
*** object *** .dc vs 0 5 0.01 .print dc v(n2) I(m2) .alter
性能优化
结果分析，图形 处理
设计检查与修正
Result Analysis .post Graphical Processing
Design Review/Modifications
3.4 集成电路设计层次的考虑
电路层次模组化
将常用的网表写在一个网表文件中，通过.inc命令调用；
重复出现的电路通常写成子电路，重复调用；
整个电路是处在同一模拟温度环境（Hspice默认温度25℃）； 整个电路是位于同一晶粒，模型参数会以同一方向递增或递 减； 模拟分析重在实际电路设计，包括晶体管大小、电路速度、 功耗及性能之间的最佳化。
3.4 集成电路设计层次的考虑
IC设计者使用环境
运用Hspice的目的是使模拟电路性能达到最佳；
输入需求
分析需求
.Parameterized .circuit netlist .Macro Circuit Definition
Spice Execution Circuit Stimulus Delay Calculation Speed/Power Optimization Analog Performance Optimization
3.3 模拟技巧探讨
例，通过CMOS反相器说明.param,.alter的使用技巧
***( CMOS inverter-ch3_1.sp) *** .param wn=5u wp=16u l=1.0u +vdd=5v ***************************
*定义变量
vd vcc 0 dc vdd
*.alter命令变换元件参数， 重新执行分析命令
.alter .param wp=8u .alter
.param wp=10u
.alter .param wp=12u .option post .end
.param wp=4u
.alter .param wp=6u
3.4 集成电路设计层次的考虑
目的：集成电路设计的必要认识和设计思路 假设基本前提条件
4.3 模型例子探讨
4、包含了耗尽区电荷被源极漏极共用的现象；
5、离子植入元件分布属于非均匀掺杂的情况；
6、包含沟道长度调制相应； 7、亚阈值效应； 8、考虑到电性参数与几何形状的相关性。
4.4 特别参数的提取和测试电路验证
1、测试电路验证
（1）、环形振荡器；
（2）、分析振荡频率；
（3）、由测量的数据和模拟做比较，观察模型参数的准确 性和实际性。
目 录
4.1 引言
4.2 FET元件模型各时代的探讨 4.3 模型例子（LEVEL28）探讨 4.4 特别参数提取和测试电路验证 4.5 电路及模型温度考虑 4.6 实测电路仿真
4.1 引言
元件模型发展的背景及各时代的演进； 了解元件模型化的概念；
了解模型参数设计在布局过程中，如何地影响电路 性能。
4.2 FET元件模型各时代探讨
第三代元件模型探讨 BSIM3（LEVEL49）
是基于准二维分析的物理模型，着重解决器件工作的物理机制，并考 虑器件尺寸和工艺参数的影响，力求使每个模型参数与器件特性的关 系可预测，并设法减少模型参数的个数。每个模型参数基本上都与器 件某一方面的物理特性相对应。应用最为广泛，适于沟长小于0.2um 栅氧化层厚度为50Å的元器件。