04_集成电路_第三讲_Spectre、Ultrasim和Spectre-Verilog_仿真介绍
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模抑制比
2020/3/2
共61页
25
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
2020/3/2
共61页
26
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。
共61页
pnp gnd vdc idc vpulse vpwl
vsin
14
元器件symbol视图
2020/3/2
共61页
15
模拟仿真的设置(重点)
Composerschamatic界面中 的Tools → Analog Environment项可 以打开Analog Design Environment 窗口， 如右图所示。
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）
11.Wire（Narrow） w
12.Wire（Wide） W
13.Wire Name
l
14.Pin
p
15.Cmd Options
16.Repeat
12
添加元器件
点击右边工具栏“Instance”或快捷键“I”
基本的元器件， 如NMOS PMOS 电阻 电容 电压源 电流源 等等 都在 analoglib库里。
共61页
30
此时ADE窗口默认的仿真器Simulator为spectre，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。
2020/3/2
Spectre、Ultrasim和 Spectre-Verilog 仿真介绍
张昊 2011年3月7日
内容提要
模拟前端EDA工具简介 Cadence中Spectre的模拟仿真 Ultrasim快速仿真技术 Spetre-Verilog混合信号仿真 Q&A
2020/3/2
共61页
2
cdsSpice hspiceS spectre等
设置模拟 时的温度
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）
2020/3/2
共61页
18
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）。
2020/3/2
共61页
6
几家EDA软件公司
1、Synopsys（收购Avanti） 2、Cadence 3、Mentor Graphics 4、Silvaco 5、SpringSoft
2020/3/2
共61页Leabharlann Baidu
7
Cadenc软件简介
Cadence 提供了一个大型的EDA 软件包，它包括： 模拟IC设计
2020/3/2
共61页
16
Analog Design Simulation菜单介绍
Session菜单
Schematic Window Save State Load State Options Reset Quit
回到电路图
2020/3/2
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
一、模拟前端EDA工具简介
2020/3/2
共61页
3
电子系统的层次
上游
2020/3/2
共61页
下游
4
模拟集成电路的设计流程
1.交互式电路图输入
2.电路仿真 3.版图设计
全定制
4.版图的验证（DRC LVS）
5.寄生参数提取
6.后仿真 7.流片
人 VS 机器
2020/3/2
共61页
5
各种仿真器简介
2020/3/2
共61页
37
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
2020/3/2
共61页
28
Ultrasim仿真技术
传统的SPICE模拟器(例如Spectre、HSPICE) 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。
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。
2020/3/2
共61页
22
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。
共61页
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
退出
17
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
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。
2020/3/2
共61页
9
进入Cadence软件包
方法一
使用putty软件（缘网下 载），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；然后用exceed登 录工作站。
2020/3/2
共61页
10
方法二
1、安装winvnc软件 2、运行putty软件键入 用户名和密码，在提示 符处键入 vncserver命 令申请vnc端口 3、运行winvnc，填入 主机名称：端口号码
2020/3/2
共61页
29
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。
2020/3/2
2020/3/2
共61页
32
接下来选择仿真所需要的精度和速度，如图6.33所示，进入 simulation菜单，选择Option→Analog。
2020/3/2
共61页
33
2020/3/2
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、矩阵分割以及波形文 件格式。
2020/3/2
共61页
35
2020/3/2
共61页
36
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。
2020/3/2
共61页
11
2020/3/2
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
s
6.Copy
c
7.Delete
Del
8.Undo
u
9.Property
q
10.Instance
i
共61页
全定制IC设计工具Virtuoso Schematic Composer 电路仿真工具Analog Design Environment 数字IC设计 Verilog-XL Encounter
2020/3/2
共61页
8
Cadence中Spectre的仿真
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、两个实例
2020/3/2
共61页
19
tran（瞬态分析）
2020/3/2
可选择三种仿真精确度：宽松的 （liberal），适中的（moderate），保 守的（conservative）。其中liberal的 仿真速度最快，但是精度最低。这种精 度的仿真适合数字电路或者是变化速度 较低的模拟电路；moderate作为仿真 器默认的设置，其精确度类似于用 SPICE2计算的仿真结果;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
2020/3/2
注意！ View要选择symbol
共61页
13
常用analoglib库的元器件
器件 电阻 电容 电感 NMOS PMOS
npn管
Cell 名称 res cap ind
nmos4 pmos4
npn
pnp管 地
直流电压源 直流电流源 方波发生源
可编程方波发 生源
正弦波发生源
2020/3/2
共61页
20
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
2020/3/2
共61页
21
ac（交流分析）
共61页
34
1．仿真模式设置（Simulation Mode）
Simulation Mode中有6种模式，分别为Digital Fast （DF）、Digital Accurate(DA)、Mixed Signal（MS）、 Analog Multi Rate (amr)、Analog（A）和SPICE（S）。 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。
共61页
31
如同spectre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Analysis菜单中可以选择分析类型，从Analysis→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。
工艺对应的是不同的工艺角类型；
电压指的是电源电压，要求仿真标称值的100%±10%电 源电压下的电路的仿真结果；
温度要求对于芯片的应用范围有所不同，一般民用级的温 度范围是0℃~70℃，工业级是-45℃~85℃，军用级是55℃~125℃。
2020/3/2
共61页
27
三、Ultrasim快速仿真技术
2020/3/2
共61页
23
参量扫描共功能
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。
2020/3/2
共61页
24
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，共
2020/3/2
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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
2020/3/2
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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。
共61页
pnp gnd vdc idc vpulse vpwl
vsin
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元器件symbol视图
2020/3/2
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模拟仿真的设置(重点)
Composerschamatic界面中 的Tools → Analog Environment项可 以打开Analog Design Environment 窗口， 如右图所示。
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）
11.Wire（Narrow） w
12.Wire（Wide） W
13.Wire Name
l
14.Pin
p
15.Cmd Options
16.Repeat
12
添加元器件
点击右边工具栏“Instance”或快捷键“I”
基本的元器件， 如NMOS PMOS 电阻 电容 电压源 电流源 等等 都在 analoglib库里。
共61页
30
此时ADE窗口默认的仿真器Simulator为spectre，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。
2020/3/2
Spectre、Ultrasim和 Spectre-Verilog 仿真介绍
张昊 2011年3月7日
内容提要
模拟前端EDA工具简介 Cadence中Spectre的模拟仿真 Ultrasim快速仿真技术 Spetre-Verilog混合信号仿真 Q&A
2020/3/2
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2
cdsSpice hspiceS spectre等
设置模拟 时的温度
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）
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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）。
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几家EDA软件公司
1、Synopsys（收购Avanti） 2、Cadence 3、Mentor Graphics 4、Silvaco 5、SpringSoft
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Cadenc软件简介
Cadence 提供了一个大型的EDA 软件包，它包括： 模拟IC设计
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Analog Design Simulation菜单介绍
Session菜单
Schematic Window Save State Load State Options Reset Quit
回到电路图
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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
一、模拟前端EDA工具简介
2020/3/2
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电子系统的层次
上游
2020/3/2
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下游
4
模拟集成电路的设计流程
1.交互式电路图输入
2.电路仿真 3.版图设计
全定制
4.版图的验证（DRC LVS）
5.寄生参数提取
6.后仿真 7.流片
人 VS 机器
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各种仿真器简介
2020/3/2
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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
2020/3/2
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Ultrasim仿真技术
传统的SPICE模拟器(例如Spectre、HSPICE) 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。
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。
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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。
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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
退出
17
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
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。
2020/3/2
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9
进入Cadence软件包
方法一
使用putty软件（缘网下 载），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；然后用exceed登 录工作站。
2020/3/2
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方法二
1、安装winvnc软件 2、运行putty软件键入 用户名和密码，在提示 符处键入 vncserver命 令申请vnc端口 3、运行winvnc，填入 主机名称：端口号码
2020/3/2
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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。
2020/3/2
2020/3/2
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接下来选择仿真所需要的精度和速度，如图6.33所示，进入 simulation菜单，选择Option→Analog。
2020/3/2
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2020/3/2
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、矩阵分割以及波形文 件格式。
2020/3/2
共61页
35
2020/3/2
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36
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。
2020/3/2
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2020/3/2
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
s
6.Copy
c
7.Delete
Del
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u
9.Property
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全定制IC设计工具Virtuoso Schematic Composer 电路仿真工具Analog Design Environment 数字IC设计 Verilog-XL Encounter
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Cadence中Spectre的仿真
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、两个实例
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tran（瞬态分析）
2020/3/2
可选择三种仿真精确度：宽松的 （liberal），适中的（moderate），保 守的（conservative）。其中liberal的 仿真速度最快，但是精度最低。这种精 度的仿真适合数字电路或者是变化速度 较低的模拟电路；moderate作为仿真 器默认的设置，其精确度类似于用 SPICE2计算的仿真结果;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
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注意！ View要选择symbol
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常用analoglib库的元器件
器件 电阻 电容 电感 NMOS PMOS
npn管
Cell 名称 res cap ind
nmos4 pmos4
npn
pnp管 地
直流电压源 直流电流源 方波发生源
可编程方波发 生源
正弦波发生源
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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
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ac（交流分析）
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34
1．仿真模式设置（Simulation Mode）
Simulation Mode中有6种模式，分别为Digital Fast （DF）、Digital Accurate(DA)、Mixed Signal（MS）、 Analog Multi Rate (amr)、Analog（A）和SPICE（S）。 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。
共61页
31
如同spectre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Analysis菜单中可以选择分析类型，从Analysis→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。
工艺对应的是不同的工艺角类型；
电压指的是电源电压，要求仿真标称值的100%±10%电 源电压下的电路的仿真结果；
温度要求对于芯片的应用范围有所不同，一般民用级的温 度范围是0℃~70℃，工业级是-45℃~85℃，军用级是55℃~125℃。
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三、Ultrasim快速仿真技术
2020/3/2
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参量扫描共功能
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。
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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，共