TSPC锁存器的设计与HSPICE仿真

IC课程设计报告题目TSPC锁存器的设计与HSPICE仿真学院专业班级学生姓名日期指导教师（签字）HSPICE简介SPICE（Simulator Program with Integrated Circuit Emphasis，以集成电路为重点的模拟程序）模拟器最初于20世纪70年代在berkeley开发完成，能够求解描述晶体管、电阻、电容以及电压源等分量的非线性微分方程。

SPICE模拟器提供了许多对电路进行分析的方法，但是数字VLSI电路设计者的主要兴趣却只集中在直流分析（DC analysis）和瞬态分析（transient analysis）两种方法上，这两种分析方法能够在输入固定或实时变化的情况下对节点的电压进行预测.SPICE程序最初是使用FORTRAN语言编写的，所以SPICE就有其自身的一些相关特点，尤其是在文件格式方面与FORTRAN有很多相似之处。

现在,大多数平台都可以得到免费的SPICE版本，但是，往往只有商业版本的SPICE 才就有更强的数值收敛性。

尤其是HSPICE，其在工业领域的应用非常广泛，就是因为其具有很好的收敛性，能够支持最新的器件以及互连模型，同事还提供了大量的增强功能来评估和优化电路。

PSPICE也是一个商业版本，但是其有面向学生的限制性免费版本。

本章所有实例使用的都是HSPICE，这些实例在平台版本的SPICE中可能不能正常运行。

虽然各种SPICE模拟器的细节随着版本和操作平台的不同而各不相同，但是所有版本的SPICE都是这样工作的:读入一个输入文件，生产一个包括模拟结果、警告信息和错误信息的列表文件.因为以前输入文件经常是以打孔卡片盒的方式提供给主机的，所以人们常常称输入文件为SPICE“卡片盒(deck)”，输入文件中的每一行都是一张“卡片”。

输入文件包含一个由各种组件和节点组成的网表。

当然输入文件也包含了一些模拟选项、分析指令以及器件模型。

网吧可以通过手工的方式输入，也可以从电路图或者CAD工具的版图（layout）中提取。

电路模拟实验专题实验文档一、简介本实验专题基于SPICE（Simulation Program With Integrated Circuit）仿真模拟，讲授电路模拟的方法和spice仿真工具的使用。

SPICE仿真器有很多版本，比如商用的PSPICE、HSPICE、SPECTRE、ELDO，免费版本的WinSPICE，Spice OPUS等等，其中HSPICE和SPECTRE功能更为强大，在集成电路设计中使用得更为广泛。

因此本实验专题以HSPICE和SPECTRE作为主要的仿真工具，进行电路模拟方法和技巧的训练。

参加本实验专题的人员应具备集成电路设计基础、器件模型等相关知识。

二、Spice基本知识(2)无论哪种spice仿真器，使用的spice语法或语句是一致的或相似的，差别只是在于形式上的不同而已，基本的原理和框架是一致的。

因此这里简单介绍一下spice的基本框架，详细的spice语法可参照相关的spice教材或相应仿真器的说明文档。

首先看一个简单的例子，采用spice模拟MOS管的输出特性，对一个NMOS管进行输入输出特性直流扫描。

V GS从1V变化到3V，步长为0.5V；V DS从0V变化到5V，步长为0.2V；输出以V GS为参量、I D与V DS之间关系波形图。

*Output Characteristics for NMOSM1 2 1 0 0 MNMOS w=5u l=1.0uVGS 1 0 1.0VDS 2 0 5.op.dc vds 0 5 .2 Vgs 1 3 0.5.plot dc -I(vds).probe*model.MODEL MNMOS NMOS VTO=0.7 KP=110U+LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7.end描述的仿真电路如下图，图2-1 MOS管输入输入特性仿真电路图得到的仿真波形图如下图。

从这个简单的spice程序中可以知道spice电路描述的主要组成部分。

电子科技大学成都学院（微电子技术系）实验报告书课程名称：电路原理图设计及Hspice学号：姓名：教师：年06月15日实验一基本电路图的Hspice仿真实验时间：同组人员：一、实验目的1.学习用Cadence软件画电路图。

2.用Cadence软件导出所需的电路仿真网表。

3.对反相器电路进行仿真，研究该反相器电路的特点。

二、实验仪器设备Hspice软件、Cadence软件、服务器、电脑三、实验原理和内容激励源：直流源、交流小信号源。

瞬态源：正弦、脉冲、指数、分线段性和单频调频源等几种形式。

分析类型：分析类型语句由定义电路分析类型的描述语句和一些控制语句组成，如直流分析（.OP）、交流小信号分析（.AC）、瞬态分析（.TRAN）等分析语句，以及初始状态设置（.IC）、选择项设置（.OPTIONS）等控制语句。

这类语句以一个“.”开头，故也称为点语句。

其位置可以在标题语句之间的任何地方，习惯上写在电路描述语句之后。

基本原理：(1)当UI=UIL=0V时，UGS1=0，因此V1管截止，而此时|UGS2|> |UTP|，所以V2导通，且导通内阻很低，所以UO=UOH≈UDD，即输出电平.(2)当UI=UIH=UDD时，UGS1=UDD>UTN，V1导通，而UGS2=0<|UTP|，因此V2截止。

此时UO=UOL≈0，即输出为低电平。

可见，CMOS反相器实现了逻辑非的功能.四、实验步骤1.打开Cadence软件，画出CMOS反相器电路图，导出反相器的HSPICE网表文件。

2.修改网表，仿真出图。

3.修改网表，做电路的瞬态仿真，观察输出变化，观察波形，并做说明。

4.对5个首尾连接的反相器组成的振荡器进行波形仿真。

5.分析仿真结果，得出结论。

五、实验数据输入输出仿真：网表：* lab2c - simple inverter.options list node post.model pch pmos.model nch nmos*.tran 200p 20n.dc vin 0 5 1m sweep data=w.print v(1) v(2).param wp=10u wn=10u.data wwp wn10u 10u20u 10u40u 10u40u 5u.enddatavcc vcc 0 5vin in 0 2.5 *pulse .2 4.8 2n 1n 1n 5n 20n cload out 0 .75pm1 vcc in out vcc pch l=1u w=wpm2 out in 0 0 nch l=1u w=wn.altervcc vcc 0 3.end图像：瞬态仿真：网表：* lab2c - simple inverter.options list node post.model pch pmos.model nch nmos.tran 200p 20n.print tran v(1) v(2)vcc vcc 0 5vin in 0 2.5 pulse .2 4.8 2n 1n 1n 5n 20n cload out 0 .75pm1 vcc in out vcc pch l=1u w=20um2 out in 0 0 nch l=1u w=20u.endcload out 0 .75pm1 vcc in out vcc pch l=1u w=20um2 out in 0 0 nch l=1u w=20u.end图像：网表：* lab2d - 5 stage driver.options list node post*.model pch pmos*.model nch nmos.tran 1n 10n.print tran v(1) v(2) i(vcc).global vcc.lib 'F:\HISPICE\2840710631\cz6h_v20.lib' tt vcc vcc 0 5*vin 1 0 2.5 pulse .2 3 .5 2n 2n 2n 5n 20n.ic v(1)=5xinv1 1 2 invxinv2 2 3 invxinv3 3 4 invxinv4 4 5 invxinv5 5 1 inv*cd1 6 0 1.75f.subckt inv in outm1 vcc in out vcc PENH l=1u w=20um2 out in 0 0 NENH l=1u w=20u.ends inv.end图像：对5个首尾连接的反相器组成的振荡器进行波形仿真。

hspice仿真整理教程文件h s p i c e仿真整理§电路级和行为级仿真§直流特性分析、灵敏度分析§交流特性分析§瞬态分析§电路优化（优化元件参数）§温度特性分析§噪声分析例(Hspice netlist for the RC network circuit)：.title A SIMPLE AC RUN.OPTIONS LIST NODE POST.OP.AC DEC 10 1K 1MEG.PRINT AC V(1) V(2) I(R2) I(C1)V1 1 0 10 AC 1R1 1 2 1KR2 2 0 1KC1 2 0 .001U.END输出文件：一系列文本文件*.ic ：initial conditions for the circuit*.lis ：text simulation output listing*.mt0,*.mt1… ：post-processor output for MEASURE statements*.pa0 ：subcircuit path table*.st0 ：run-time statistics*.tr0 ,*.tr1…：post-processor output for transient analysis*.ac0,*.ac1…: post-processor output for AC analysis.TITLE 语句.TITLE或者：如果是第二种形式，字符串应该是输入文件的首行；如果一个HSPICE语句出现在文件的首行，则它将被认为是标题而不被执行。

.END 语句形式： .END在 .END语句之后的文本将被当作注释而对模拟没有影响。

分隔符包括：tab键，空格，逗号，等号，括号元件的属性由冒号分隔，例如 M1:beta级别由句号指示，例如 X1.A1.B 表示电路X1的子电路A1的节点B常量M－毫，p－皮，n－纳，u－微，MEG－兆,例如c1 1 2 10pF；单位可以省略，例如c1 1 2 10p元件名元件名以元件的关键字母开头:电阻－R，电容-C……子电路的名字以“X”开头元件名不超过16个字符节点节点名长度不超过16个字符，可以包括句号和扩展名开始的零将被忽略：节点名可以用下列符号开始：# _ ! %节点可以通过.GLOBAL语句定义成跨越所有子电路的全局节点：.GLOBAL node1 node2 node3 …node1 node2 node3都是全局节点，例如电源和时钟名节点0，GND, GND!, GROUND 都指全局的地电位节点元件语句：器件的类型+名称器件所连接的节点参数值无源器件：电阻：Rxxx n1 n2 resistance电阻值可以是表达式。

HSPICE仿真工具的介绍：一．HSPICE 的特点与结构HSPICE 除了具备绝大多数SPICE 特性外，还具有许多新的特点，主要有：1.优越的收敛性2.精确的模型参数，包括许多Foundry 模型参数3.层次式节点命名和参考4.基于模型和库单元的电路优化，逐项或同时进行AC，DC 和瞬态分析中的优化5.具备蒙特卡罗（Monte Carlo）和最坏情况（worst-case）分析6.对于参数化单元的输入、出和行为代数化7.具备较高级逻辑模拟标准库的单元特性描述工具8.对于PCB、多芯片系统、封装以及IC 技术中连线间的几何损耗加以模拟二．电源描述语句HSPICE 中提供了一些供激励用的独立源和受控源。

电源描述语句也由代表电源名称的关键字、连接情况和有关参数值组成。

描述电源的关键字含义为：V: 独立电压源 I: 独立电流源E: 电压控制电压源 F: 电流控制电流源G: 电压控制电流源 H: 电流控制电压源基于上面的语句格式，HSPICE 规定有七种独立电源：1. 直流源一般形式：VXXX n+ n- <<DC=>dcval>IXXX n+ n- <<DC=>dcval>例 V1 2 0 DC=5vV1 2 0 5vI1 3 0 DC=3mAI2 3 0 3mA2. 交流源一般形式：VXXX n+ n- <AC=acmag,<acphase>>IXXX n+ n- <AC=acmag,<acphase>>例：V1 1 0 AC＝10V 90VIN 1 0 AC 10V 90ISRC 23 21 AC 0.333 45.0如果在关键字AC 后面省去acmag，就认为该值是1。

如果省去acphase，则认为该值为0。

3. 脉冲源一般形式：PULSE <(> V1 V2 <td<tr<tf<pw<per>>>> <)>或： PU <(> <V1 V2 <td<tr<tf<pw<per>>>> <)>其中：V1: 脉冲源开始前的初始值V2: 脉动值td: 第一个脉冲开始前的延迟时间，缺省值为0.0tr: 脉冲上升时间，缺省值为TSTEPtf: 脉冲下降时间，缺省值为TSTEPpw: 脉冲宽度，缺省值为TSTEPper: 脉冲周期，缺省值为TSTEP4. 正弦源（调幅正弦信号）一般形式：SIN <(> vo va <freq<td< < >>>> <)>其中：vo: 电压或电流偏移量va: 电压或电流幅度峰值freq: 频率，缺省值是1／TSTOP。

电路原理图设计及Hspice仿真实验报告学生姓名：学号：指导老师：实验内容：用EDP原理图设计软件设计出两级运算放大器的电路图用Hspice软件完成此两级运算放大器的仿真实验地点：***实验室实验时间：2009年9月——2009年12月实验任务：根据运算放大器的设计要求(单位增益带宽、相位裕量、输入等效噪声、功耗等)，选择电路结构，详细分析了CMOS 运算放大器的所有性能参数，使用Level one 模型进行手工计算，设计出器件的几何尺寸，最后通过Hspice 仿真软件给出了性能指标的仿真结果。

实验思路：两级运放可以同时实现较高增益和较大输出摆幅，其设计思路是将增益和摆幅要求分别处理，而不是在同一级中兼顾增益与摆幅。

即运用第一级放大器得到高增益，可以牺牲摆幅，第二级放大器主要实现大输出摆幅，以补偿第一级牺牲的摆幅，并进一步提升增益，从而克服了单级运放增益与摆幅之间的矛盾，同时实现高增益和大摆幅。

实验指标：开环增益≥80DB；共模抑制比≥60DB；相位裕度≥60°；实验步骤：一、用EDP原理图设计软件设计两级运算放大器的电路图，电路图如图一所示：图一：CMOS两级运算放大器电路图1、电路工作原理：信号由差分对管两端输入，差模电压被转化为差模电流，差模电流作用在电流镜负载上又转化成差模电压，信号电压被第一次放大后被转化为单端输出，随即进入共源级再一次被放大后从漏端输出。

电路特点是通过两级结构可以同时满足增益和输出摆幅的要求，即第一级提供高增益，可以牺牲摆幅，第二级弥补摆幅，同时进一步增大增益。

2、电路主体结构由两个两个单级放大器构成，分别是：差分输入级和共源增益级。

辅助电路为偏置电路和频率补偿电路。

差分输入级采用PMOS 输入对管，NMOS 电流镜负载；共源级采用NMOS 放大管，PMOS 负载管；由六个MOS 管和一个电阻构成的电流源为两级放大电路提供偏置，另外还为频率补偿MOS 管提供偏压；一个NMOS 管和一个电容构成频率补偿电路，连接在共源级的输入输出之间作为密勒补偿。

电路原理图设计及H s p i c e实验报告Company Document number：WUUT-WUUY-WBBGB-BWYTT-1982GT电子科技大学成都学院（微电子技术系）实验报告书课程名称：电路原理图设计及Hspice学号：姓名：教师：年06月15日实验一基本电路图的Hspice仿真实验时间：同组人员：一、实验目的1.学习用Cadence软件画电路图。

2.用Cadence软件导出所需的电路仿真网表。

3.对反相器电路进行仿真，研究该反相器电路的特点。

二、实验仪器设备Hspice软件、Cadence软件、服务器、电脑三、实验原理和内容激励源：直流源、交流小信号源。

瞬态源：正弦、脉冲、指数、分线段性和单频调频源等几种形式。

分析类型：分析类型语句由定义电路分析类型的描述语句和一些控制语句组成，如直流分析（.OP）、交流小信号分析（.AC）、瞬态分析（.TRAN）等分析语句，以及初始状态设置（.IC）、选择项设置（.OPTIONS）等控制语句。

这类语句以一个“.”开头，故也称为点语句。

其位置可以在标题语句之间的任何地方，习惯上写在电路描述语句之后。

基本原理：(1)当UI=UIL=0V时，UGS1=0，因此V1管截止，而此时|UGS2|>|UTP|，所以V2导通，且导通内阻很低，所以UO=UOH≈UDD，即输出电平.(2)当UI=UIH=UDD时，UGS1=UDD>UTN，V1导通，而UGS2=0<|UTP|，因此V2截止。

此时UO=UOL≈0，即输出为低电平。

可见，CMOS反相器实现了逻辑非的.四、实验步骤1.打开Cadence软件，画出CMOS反相器电路图，导出反相器的HSPICE网表文件。

2.修改网表，仿真出图。

3.修改网表，做电路的瞬态仿真，观察输出变化，观察波形，并做说明。

4.对5个首尾连接的反相器组成的振荡器进行波形仿真。

5.分析仿真结果，得出结论。

五、实验数据输入输出仿真：网表：* lab2c - simple inverter.options list node post.model pch pmos.model nch nmos*.tran 200p 20n.dc vin 0 5 1m sweep data=w.print v(1) v(2).param wp=10u wn=10u.data wwp wn10u 10u20u 10u40u 10u40u 5u.enddatavcc vcc 0 5vin in 0 *pulse .2 2n 1n 1n 5n 20n cload out 0 .75pm1 vcc in out vcc pch l=1u w=wpm2 out in 0 0 nch l=1u w=wn.altervcc vcc 0 3.end图像：瞬态仿真：网表：* lab2c - simple inverter.options list node post.model pch pmos.model nch nmos.tran 200p 20n.print tran v(1) v(2)vcc vcc 0 5vin in 0 pulse .2 2n 1n 1n 5n 20n cload out 0 .75pm1 vcc in out vcc pch l=1u w=20um2 out in 0 0 nch l=1u w=20u.endcload out 0 .75pm1 vcc in out vcc pch l=1u w=20um2 out in 0 0 nch l=1u w=20u.end图像：网表：* lab2d - 5 stage driver.options list node post*.model pch pmos*.model nch nmos.tran 1n 10n.print tran v(1) v(2) i(vcc).global vccvcc vcc 0 5*vin 1 0 pulse .2 3 .5 2n 2n 2n 5n 20n.ic v(1)=5xinv1 1 2 invxinv2 2 3 invxinv3 3 4 invxinv4 4 5 invxinv5 5 1 inv*cd1 6 0 1.75f.subckt inv in outm1 vcc in out vcc PENH l=1u w=20um2 out in 0 0 NENH l=1u w=20u.ends inv.end图像：对5个首尾连接的反相器组成的振荡器进行波形仿真。

[转]HSpice仿真⼀、HSPICE基础知识Avant! Start-Hspice（现在属于Synopsys公司）是IC设计中最常使⽤的电路仿真⼯具，是⽬前业界使⽤最为⼴泛的IC设计⼯具，甚⾄可以说是事实上的标准。

⽬前，⼀般书籍都采⽤Level 2的MOS Model进⾏计算和估算，与Foundry经常提供的Level 49和Mos 9、EKV等Library不同，⽽以上Model要⽐Level 2的Model复杂的多，因此Designer除利⽤Level 2的Model进⾏电路的估算以外，还⼀定要使⽤电路仿真软件Hspice、Spectre等进⾏仿真，以便得到精确的结果。

本⽂将从最基本的设计和使⽤开始，逐步带领读者熟悉Hspice的使⽤，并对仿真结果加以讨论，并以⼀个运算放⼤器为例，以便建⽴IC设计的基本概念。

在⽂章的最后还将对Hspice的收敛性做深⼊细致的讨论。

Hspice输⼊⽹表⽂件为.sp⽂件，模型和库⽂件为.inc和.lib，Hspice输出⽂件有运⾏状态⽂件.st0、输出列表⽂件.lis、瞬态分析⽂件.tr#、直流分析⽂件.sw#、交流分析⽂件.ac#、测量输出⽂件.m*#等。

其中，所有的分析数据⽂件均可作为AvanWaves的输⼊⽂件⽤来显⽰波形。

表1 Hspice所使⽤的单位独⽴电压和电流源包括：1. 直流源（DC）：电压源Vxxx n+ n- dcval电流源 Ixxx n+ n- dcval2. 交流源（AC）：Vxxx n+ n- AC=acmag,acphase3. 瞬态源（随时间变化）：脉冲源：pulse v1 v2 td tr tf pw per线性源：pwl t1 v1 <t2 v2 t3 v3…>正弦源：sin vo va freq td damping phasedelay4. 混合源：可以包括以上所有的形式，如：VIN 13 2 0.001 AC 1 SIN(0 1 1Meg)⼆、输⼊⽹表⽂件TITLE.INCLUDE.LIB MACRO元件描述信号源描述分析命令测量命令.ALTER.END图1 输⼊⽹表（Netlist）⽂件标准格式⼆、有源器件和分析类型有源器件包括⼆极管（D）、MOS管（M）、BJT管（Q）、JFET和MESFET（J）、⼦电路(X)和宏、Behavioral器件（E,G）、传输线（T,U,W）等。

电路模拟实验专题实验文档一、简介本实验专题基于SPICE（Simulation Program With Integrated Circuit）仿真模拟，讲授电路模拟的方法和spice仿真工具的使用。

SPICE仿真器有很多版本，比如商用的PSPICE、HSPICE、SPECTRE、ELDO，免费版本的WinSPICE，Spice OPUS等等，其中HSPICE和SPECTRE功能更为强大，在集成电路设计中使用得更为广泛。

因此本实验专题以HSPICE和SPECTRE作为主要的仿真工具，进行电路模拟方法和技巧的训练。

参加本实验专题的人员应具备集成电路设计基础、器件模型等相关知识。

二、Spice基本知识(2)无论哪种spice仿真器，使用的spice语法或语句是一致的或相似的，差别只是在于形式上的不同而已，基本的原理和框架是一致的。

因此这里简单介绍一下spice的基本框架，详细的spice语法可参照相关的spice教材或相应仿真器的说明文档。

首先看一个简单的例子，采用spice模拟MOS管的输出特性，对一个NMOS管进行输入输出特性直流扫描。

V GS从1V变化到3V，步长为0.5V；V DS从0V变化到5V，步长为0.2V；输出以V GS为参量、I D与V DS之间关系波形图。

*Output Characteristics for NMOSM1 2 1 0 0 MNMOS w=5u l=1.0uVGS 1 0 1.0VDS 2 0 5.op.dc vds 0 5 .2 Vgs 1 3 0.5.plot dc -I(vds).probe*model.MODEL MNMOS NMOS VTO=0.7 KP=110U+LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7.end描述的仿真电路如下图，图2-1 MOS管输入输入特性仿真电路图得到的仿真波形图如下图。

从这个简单的spice程序中可以知道spice电路描述的主要组成部分。

实验五缓冲驱动器及运算放大器的Hspice仿真一、实验目的1、进一步熟悉HSPICE网表及仿真语句。

2、分析组成缓冲驱动器及运算放大器模块，学会使用Hspice调节并仿真电路，使电路达到相应要求。

二、实验内容1、根据网表画出电路原理图，并仿真分析该电路。

给出输入和输出波形，说明该电路的功能，电源电压为5v。

体会“.DATA”语句的功能。

.title.options post.include"~/tsmc35N.m".include"~/tsmc35P.m".global vdd.param cload=1pf.subckt inv in out wn=1.2u wp=1.2umn out in 0 0 tsmc35N w=wn l=1.2ump out in vdd vdd tsmc35P w=wp l=1.2u.ends invx1 in 1 inv wn=1.2u wp=3ux2 1 2 inv wn=1.2u wp=3ux3 2 out inv wn=1.2u wp=3u.data cvcload0.5p1p2p.enddatacl out 0 cloadvcc vdd 0 dc 5vvin in 0 pulse(0 5v 10n 100n 100n 500n 1200n).tran 1n 10u sweep data=cv.print tran v(out).end2、简单两级运算放大器的网表如下，根据网表画出电路图。

V_Vp vdd 0 5VR_Rz vo1 1 rzvC_Cc 1 vo ccvC_CL 0 vo clvC_Cb 0 vb 10pR_Rb vb vdd 100kM_U2 vo1 vip 2 0 tsmc35N L=0.6u W=20u M=6M_M1 3 3 vdd vdd tsmc35P L=2u W=30u M=8M_M3 vo vo1 vdd vdd tsmc35P L=0.6u W=12u M=8M_U1 3 vin 2 0 tsmc35N L=0.6u W=20u M=6M_U4 vo vb 0 0 tsmc35N L=5u W=12u M=8M_U5 vb vb 0 0 tsmc35N L=5u W=12u M=1M_U3 2 vb 0 0 tsmc35N L=5u W=12u M=4M_M2 vo1 3 vdd vdd tsmc35P L=2u W=30u M=83、对2题中的运算放大器电路做如下分析，电源电压为5V：1)直流工作点分析由仿真结果查得电路的功耗是多少？各个mos管的工作区域，以及MOS管的漏极电流为多少？该放大器的偏置电流为多少？2)直流分析仿真该运放的输入输出特性曲线。