【HSPICE仿真】输入网表文件（2）电路拓扑描述

电路拓扑描述

• 1.元器件描述语句(Elements)
• • 电阻(Resistor)
  • 电容(Capacitors)
  • 电感(Inductors)
  • 二极管(Diode)
  • MOSFET
• 2. 模型(.MODEL)
• • 2.1 基本概念
  • 2.2 模型的使用
  • • .model 描述语句
    • MOSFET的 .model 语句
• 3. 电源和激励描述语句
• • 3.1 独立源
  • • 直流源
  • 瞬态源
  • • 梯形脉冲源
    • PWL Source
    • Pattern Source
• 4. 库文件的调用
• • 4.1 .LIB语法
  • 4.2 示例
  • • 定义参数的库文件

输入网表文件中很重要的一部分内容就是电路拓扑结构的描述（Element statements），该部分的主要内容就是电路单元及其连接关系和电路的输入激励。

1.元器件描述语句(Elements)

元件描述语句一般由元件名称、类型、元件所连接的电路节点号和元件电学参数值组成。

每个元件在输入文件中在一行内进行描述，一行放不下，就使用+进行拼接。

一般形式为：

elname <node1 node2 … nodeN> <pname1 = val1> <pname2 = val2> … <M = val> 
elname <node1 node2 … nodeN> <mname>  <val1 val2 … valN>

1. elname：元件的实例名，实例名的首字母必须元件关键字（ element key letter），该关键字确定了元件的类型。实例名最长不能超过1024个字符。输出的实例名称默认长度是16个字符，可以使用 .option lennan进行指定。

2. nodeN：节点名，用来说明元件所连接的节点，节点名称可以是数字、字母以及两者的组合，但必须以字母开始，整个字符串不超过 16 个字符（包括第一个字母在内）。= ( ) , . [ ] 等符号不能出现在节点名中。节点0，GND，GND!，GROUND默认表示“地”。

3. mname：模型参考名，无源器件除外的所有元件都是必需的。

4. pnameN：元件参数名，用来标明一些元件的参数值。

5. valN：赋于的参数值或模型节点，这些数值可以是数值，也可以是代数表达式。

6. M=val：元件的倍增因子

器件类型及其关键字的具体内容如下：

电阻(Resistor)

电容(Capacitors)

电感(Inductors)

二极管(Diode)

MOSFET

描述形式：

Mxxx nd ng ns [nb] mname [[L=]length] [[W=]width] 
+ [AD=val] AS=val] [PD=val] [PS=val] 
+ [NRD=val] [NRS=val] [RDC=val] [RSC=val] [OFF] 
+ [IC=vds,vgs,vbs] [M=val] [DTEMP=val] 
+ [GEO=val] [DELVTO=val]

示例：

M1 1 2 3 model_1
Mopamp1 d1 g3 s2 b Mod1stage L=2u W=10u
Mdrive driver in output bsim3v3 W=3u L=0.25u DTEMP=4.0

2. 模型(.MODEL)

元件描述语句中的模型到底是什么呢？

2.1 基本概念

官方手册中的定义：

Every device model is a template defining various versions of each supported element type used in a netlist formatted for use by the HSPICE tool.

模型其实就像是电路设计时候的“标准单元库”，它描述了电路网表文件使用的各种元器件的各项参数，基于这些参数，工具才能进行仿真计算。（预先定义好的各种器件参数）

有了模型，我们在描述元件的时候，只需要指定所使用的模型，工具就可以读取该模型对应的各项参数，我们就不需要在网表中指定元器件的各项参数，这样以来，不仅可以更快的去创建一个网表文件，还可以避免一些错误。

就是说，输入网表中是需要指定元件用于仿真计算的各项参数的。第一，我们可以在网表种描述元件的时候，自己进行详细定义；第二，就是使用参考模型。

所以，模型就是elements各项参数的定义，我们可以自己生成，也可以使用别人定义好的模型，比如来自Foundary厂的模型参数可以能够更加贴近实际制造时的数据。当然，HSPCIE工具也会给定一些模型（Synopsys device models），我们可以基于这些模型给定的参数进行仿真。

2.2 模型的使用

为了在网表中指定一个器件，需要使用元件描述语句和模型描述语句。

一个简单的示例如下：

Q3 3 2 5 MOD1 <parameters>
.MODEL MOD1 NPN <parameters>

① 在元件描述语句中，只能使用模型的参考名称（这里是MOD1）来指定所使用的模型，而参考名称则是在.model中进行指定。

② 元件描述语句和模型描述语句中都可以定义参数，对于同名的参数，元件描述语句中的定义会覆盖模型描述语句中定定义。未指定的参数，就使用模型的默认参数。

③ 除了选择工具内置的模型外，还可以从模型库中选择模型，如下示例：

.LIB '../models/mosfet.lib' tt
M3 3 2 1 0 PCH L=1u W=1u

该示例使用了 mosfet.lib模型库文件中的参考名称为 PCH 的模型

.model 描述语句

该语句的作用就是在输入网表文件中包含一个预定义的HSPICE模型的实例。

基本语法如下：

（根据执行仿真的类型，会有一些拓展描述，这里就先不展开了。）

参数说明：

MOSFET的 .model 语句

对于和MOSFET相关的模型，其描述语句如下：

参数说明：

这里，模型参数中的LEVEL其实对应的就是不同类型的器件模型。工具支持的一些MOSFET模型如下：

3. 电源和激励描述语句

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如下：

V： 独立电压源
I： 独立电流源
E： 电压控制电流源
F： 电流控制电流源
G： 电压控制电压源
H： 电流控制电压源

3.1 独立源

基本语法：

参数说明：

基于上述语句格式，HSPICE规定出以下几种独立电源：DC Source、AC Source、Transient Sources。

直流源

语法：

示例：

V1 1 0 DC=5V
V1 1 0 5V
I1 1 0 DC=5mA
I1 1 0 5mA

瞬态源

Transient Sources说的是，在执行瞬态分析的时候，可以使得 source 随时间变化，主要有以下几种类型：

梯形脉冲源

基本语法：

参数说明：

波形随时间变化情况：

示例一：

示例二：

PWL Source

PWL是Piecewise Linear（分段线性）的缩写。

基本语法格式如下：

每一对(t1, v1)指定了v1在t1时候的值。

示例：

① PL 是 ASPEC 格式的关键字，描述上的是时间点和值的位置做了互换。

② 重复次数 r 的值必须是前面定义的时间点中的一个。

波形如下：

Pattern Source

HSPCIE为独立电压源或者电流源提供了 pattern source function，pattern source function使用了四种状态：0, 1, m, z，分别表示高、低和中等电压或电流，以及高阻态。

这四种状态的构成的序列称之为 “b-string”。

基本语法：

参数说明：

tsample就是每个值的持续时间

波形随时间变化分析：

就是说，tsample中包含了一半的上升时间或下降时间。

示例一：

向量信息如下：

先是 1011，然后从0开始重复一次（也就是011），然后是 0m1z，第二个b-string没有设定R或RB的值，那么HSPICE会使用默认值（R=0，RB=1）。

示例二：

描述语句：

向量信息：

使用工具对示例2的输入波形进行测试，

测试用的输入网表文件如下：

得到结果如下：

放大第一部分：

经过对波形的放大计算得知，tsample就是每一个状态的持续时间，这个持续时间包含了一半的上升时间和下降时间。

例如，对于01110的情况，中间的1就会保持完整的tsample，第一个1会持续tsample-(tr/2)，第三个1会持续tsample-(tf/2)。

如果是010的情况，这里的1就只会持续tsample-(tr/2)-(tf/2)，示例（1010110）里面就是350。

4. 库文件的调用

前面在描述模型的时候提到，可以使用.LIB命令调用库文件。

在使用 HSPICE 对电路的模拟时，经常要对元器件的模型及其参数以及子电路进行描述或定义。**HSPICE 软件允许将器件模型(.MODEL 语句)、子电路的定义(包含.ENDS 语句)、有关注释语句及库文件调用语句(.LIB 语句)等集中存放到库文件中，**而在调用所要使用的模型和子电路时，仅需要将所要的模型、子电路等（库文件内容）内容取出进入存储器即可，这样速度快、占内存少。

4.1 .LIB语法

.LIB命令的语法如下，主要包括库的调用和库的定义两部分。

① entry_name：一个库文件可定义多个库，entry_name就是每个库自己名称。该名称的第一个字符不能是整数。在调用库的时候加上该名称，就只会读取名称对应内容。（.LIB entry_name为开始，.ENDL 为结束。）

4.2 示例

定义参数的库文件

模型参数文件（c18vmos001.mdl）中的部分内容：

① 这里可以看出，有些参数上面是有一些变量的，这些就是参数的漂移量，我们可以在一个新的文件中去定义，如下所示。

② 从文件开头的内容可以看出，该文件中的参数是基于 LEVEL = 49 模型定义的，模型的参考名称为 N_18_LL，也就是说，我们在元件描述语句中，要使用N_18_LL来获取库中定义的参数信息。

参数漂移量（c18vmos001.lib）定义文件中的部分内容：

这样以来，在仿真的时候，通过调用这两个文件，就可以使用对应工艺角的器件参数。

这里其实是根据文件的内容选择调用语句。c18vmos001.mdl中的内容是模型参数，并不是LIB格式的定义，所以我们就使用.INC命令，对于LIB格式的命令，那么就是使用.LIB命令来调用。

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