模拟电路的仿真

模拟电路的仿真

北京中科微电子技术有限公司·设计部

2003年7月

摘要：本文介绍了模拟电路仿真的一些基本概念和Cadence的模拟仿真环境。

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1模拟电路仿真基础

1.1 模拟分析类型

为了便于分析电路的特性，电路在不同条件下有不同的近似模型。最为典型的例子就是MOS管的大信号模型和小信号模型：大信号模型用于分析计算电路的直流工作点、偏置等；小信号模型用于分析电路的频率响应、开环增益等等。

在模拟电路仿真中，也有类似的区分，称为“分析类型”。不同的分析类型使用不同的近似模型，用于分析电路不同方面的特性。常见的分析类型有以下几种。

1.1.1直流分析(dc)

直流分析用于确定电路的直流工作点，例如运放偏置电路产生的偏置电流、电压。做直流分析时认为电容断路、电感短路。在交流分析、瞬态分析之前自动进行直流分析。

直流分析也可通过扫描某个参数来分析电路的直流传输特性，被扫描的参数可以是电压、电流、频率、温度、元件参数、模型参数等等。例如，扫描温度参数可以分析电路的温度特性；扫描MOS管栅极电压可以画出MOS的V GS－I D曲线。

1.1.2交流分析(ac)

交流分析主要用于分析电路的频率响应，例如用交流分析可以画出运放的幅频响应曲线、相频响应曲线，计算开环增益、相位裕度等等。交流分析时，使用器件在直流工作点附近的线性的交流小信号模型进行计算，电路的激励是正弦交流小信号。

交流分析也可以在某一个频率上扫描电路的某个参数，例如分析运放在低频时开环增益随温度的变化。被扫描的参数可以是频率、温度、元件参数、模型参数等等。如果被扫描的参数会改变电路的直流工作点，则重新计算直流工作点。

1.1.3瞬态分析(tran)

瞬态分析主要用于分析电路的实时响应。瞬态分析计算从开始时间到结束时间内电路中各个节点、元件的电压、电流等随时间的变化情况。如果没有指定初始条件，则使用电路的直流工作点。

1.1.4其他分析类型

以上三类分析是最常用的分析类型。除此之外，仿真工具还支持很多其他类型的分析。例如Cadence Spectre还有以下分析类型。具体说明请参考Spectre Reference

●Noise Analysis (noise)

●Periodic Steady-State Analysis (pss)

●S-Parameter Analysis (sp)

●Time-Domain Reflectometer Analysis (tdr)

●Transfer Function Analysis (xf)

1.2 仿真环境

Cadence的电路仿真工具是Spectre，如图一所示。其功能类似与SPICE，但具体语法、器件模型等方面有所不同。Spectre是一个命令行工具，如图一所示。

图一、电路仿真工具——Spectre

电路按照Spectre规定的语法进行描述，这个描述称为网表（netlist）。网表中还包含描述输入激励、分析类型、选项控制、结果记录等内容的语句。Spectre程序以网表文件作为

输入，根据网表指定的方式进行电路仿真、记录结果。下面是一个反相器网表的例子。

图二、一个反相器的Spectre 网表

网表可以手工编写。但更方便快捷的方法是用Composer 绘制电路原理图（如图三所示），然后用工具自动生成网表。为了从电路原理图产生符合Spectre 语法的网表，要求电路原理图中只使用analogLib 库中的元件。

图三、电路图输入工具——

Composer

* # FILE NAME: V2_A_INV1

* schematic/netlist/V2_A_INV1.C.raw * Netlist output for spectreS. * Generated on Jul 24 21:59:27 2003

* global net definitions .GLOBAL vdd\!

simulator lang= spectre

* File name: motorlib_V2_A_INV1_schematic.s. * Subcircuit for cell: V2_A_INV1. * Generated for: spectreS.

* Generated on Jul 24 21:59:27 2003.

m1 (zn i 0 0) nmos w=3.6e-6 l=1.2e-6 m=1.0

m0 (zn i vdd\! vdd\!) hp0ns w=12e-6 l=1.2e-6 m=1.0

仿真结果可以用Results Browserh, Waveform等工具进行查看。后者（如图四）可以直接绘制出输出波形。Cadence还提供了Caculator，帮助设计者对仿真结果进一步分析。

图四、仿真结果查看工具——Waveform

图五、仿真结果计算工具——Calculator

Cadence为模拟、数模混合仿真设计了一个集成开发环境：Analog Artist，如图六所示。在Analog Artist中可以完成编辑电路原理图，生成网表，设置分析类型，观测波形等等整个模拟电路仿真流程。

图六、模拟电路集成开发环境——Analog Artist

1.3 analogLib

前面提到模拟电路原理图中只能使用analogLib库中的元件。如图七所示，analogLib库中的元件基本上与Spectre中的器件一一对应，并且可以直接在Composer中设置各个元件的参数。在用Spectre进行电路仿真时，建议使用单元的spectre和spectreS视图。常用元