Spectre仿真器在集成电路设计自动化中的应用 卢小冬 - 摘要

Spectre仿真器在集成电路设计自动化中的应用

卢小冬

大唐微电子，集成电路设计部

摘要: Spectre是一个非常重要的、非直接继承SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）的电路数值模拟器之一。通过一个众所周知的集成电路单元-CMOS运算放大器的参数仿真提取，本文简要介绍了如何在模拟集成电路的设计自动化中使用Spectre工具。总的来说，Spectre仿真器不但能以更快的速度和更好的收敛特性支持现有的所有SPICE分析，还能提供很多额外的功能。通过将Spectre工具引入集成电路设计自动化，好处远不止得到一个强大的分析工具本身。

关键字:

Spectre仿真器，数值模拟，参数提取，集成电路设计自动化

I. 前言

SPICE首次由加州大学伯克利分校的Donald O. Pederson教授在1973年4月12日的第十六届中西部电路理论研讨会（Canada，Sixteenth Midwest Symposium on Circuit Theory）上提出。通过SPICE分析，可以在设计的整个过程中通过考虑工艺特点、温度等重要的设计参数来改变、优化和验证电路的性能。在现代集成电路设计中，SPICE已经成为标准的设计步骤广泛用于验证原始设计和性能优化。

Spectre是一个非常重要的、不是直接由SPICE继承而来的电路仿真工具。经过多年作为cdsSpice（Cadence公司早期的SPICE类仿真工具）仿真工具以外选项之后，Spectre已经完全被集成到Cadence的AMS设计环境之中，并作为仿真环境下标准的模拟电路仿真工具。它能够提供SPICE仿真具有的直流（DC），小信号交流（AC）、瞬态（TRAN）标准分析功能，也能提供基于工艺参数的灵敏度（sensitivity）和蒙特卡洛（Monte Carlo）分析，基于电路拓扑（无源元件参数）的分析，以及其他重要的电路分析功能。

本文介绍了在CMOS模拟电路仿真中如何使用Spectre仿真器进行基本的分析。一个CMOS的电压运算放大器（OVA）被用来作为介绍仿真器使用的电路实例。为了简单起见，文章不涉及AMS设计环境，而是用Spectre的网表（Netlist）仿真模式。由于难以在此详尽展示Spectre仿真器的强大功能，因此在结尾又额外添加了一段强调了Spectre的重要特性。

II. 电压运算放大器的模型 1 宏模型（Macromodel）

为了描述模拟电路的特性，通常会定义一套屏蔽电路拓扑结构的、高层次的参数集，也就是所谓的“行为级”（behavior Level）参数，来刻画电路的特性。有了这些参数，该电路就可以作为“黑盒子”在更复杂的电路系统设计中使用。电压运算放大器（OVA）的典型参数集见表1。

表1 OVA的典型参数集

静态

范围：

差分输入 (IR)

共模输入 (CMRR±) 输出 (OR) 输入偏置(Voff) 静态功耗 (Pd) 开环差分增益(GDC) 共模抑制比(CMRRDC) 电源抑制比(PSRRDC±)

动态

摆率(SR±) 建立时间(ts) 极限频率 (fmax) 谐波失真(THD) 带宽 (BW)

ADC×BW积 (GBW) 相位裕度 (φm) 输入/出阻抗 (Zin,out) 等效输入噪声 (Vneq)

大 信 号

小 信 号

无论是手工设计还是数值模拟，电路设计的目标都是确定上述参数。这样，在复杂的电路系统中，运算放大器单元就可以使用上述简单的模型参数来表达。

2 电路拓扑

图1显示的是用于Spectre仿真分析的、经典结构的运算放大器。其中晶体管M8和M9构成电流参考源，它用于偏置放大电路。其他电路包括：由M1和M2组成的差分输入级，有源负载（M3和M4），电流源（M7）和反向输出级（M6，由M5提供电流源）和一个密勒效应， 差分信号（Miller-effect）补偿电容Cm。电路单元的管脚包括：电源（VDD和VSS/GND）输入Vin−和Vin+，信号输出Vout。

VDD M7 M5 M8 Vin-

Vout Vin- M1 M2 Vin+ Cm

Vin+

M3 M4 M6 M9

VSS/GND

图1 运算放大器的原理图和电路符号

3 特性数据表单

VDD - A +

Vout

VSS/GND

表2为运算放大器的特性数据表单，通过数值模拟将表单的内容填好，我们就可以很容易地根据表单来检查宏模型中所定义的放大器的指标是否实现。通常会根据园晶片和晶体管参数的波动来确定相关参量的典型值、最大值和最小值。诸如电源电压、输入信号特性、负载特性、

温度等等，也需要在数值模拟分析中加以考虑。

表2 放大器的特性数据表单

参数 条件 典型值 单位 IR mVpp

CMR + -

OR >4 V <1

>3 Vpp <30 Voff Technology (±2σ) mV

Pd Vin=0 <1.5 mW GDC >60 dB CMRRDC >50 dB PSRRDC+ >50 dB

- >50

SR + >1.5 V/us

- >1.5

ns <1500 Vout=2→3V ts (1%)

<1500 Vout=3→2V

Fmax Vout=OR KHz THD Vout=OR/2@10KHz <1 % BW -3dB Hz GBW -3dB >1 MHz

>50 ° φm Vnieq

1KHz & 100KHz

<5

mVrms

测试条件： VDD=+5V，VSS=0V，Cload=10pF，温度=27℃

III. Spectre工具的仿真试验 1. 模型和仿真试验配置

仿真试验使用的工艺为CNM25，它是西班牙国家微电子中心（Centre Naional de Microelectronica of Spain）的2.5um n-well的CMOS工艺。该工艺的晶体管模型可由网址 http://www.cnm.es 下载（为SPICE模型，需要转换），下文列举了Spectre网表格式的主要晶体管的LEVEL2模型。 // PMOS model

model modp mos2 type=p TOX = 380E-10 VTO = -1.139 NSUB = 1.36E16 UO = 213 \\ UCRIT = 1E4 UEXP = 1.16E-1 NFS = 6.62E11 DELTA = 1.82 RS = 134.9 \\ LD = 8.10E-7 XJ = 2.78E-9 VMAX = 1.20E5 NEFF = 6.67E-2 CJ = 3.82E-4 \\ MJ = .35 CJSW = 7.38E-10 MJSW = .39 PB = .56 AF =1.330e+00 KF=1.010e-26 // NMOS model

model modn mos2 type=n TOX = 380E-10 VTO = .942 NSUB = 2.E16 UO = 8 \\ UCRIT = 1E4 UEXP = 6.86E-2 NFS = 7.11E11 DELTA = 2.20 RS = 93.8 \\ LD = 9.13E-7 XJ = 8.24E-8 VMAX = 5.96E4 NEFF = 1.48 CJ = 3.50E-4 \\ MJ = .40 CJSW = 5.95E-10 MJSW = .29 PB = .65 AF=1.290e+00 KF=3.900e-28 对应图1的放大器的Spectre网表：

// OVA

subckt OVA vinn vinp vout vdd vss

m1 (vload vinn vcomm vdd) modp w=12u l=6u m2 (vinter vinp vcomm vdd) modp w=12u l=6u m3 (vload vload vss vss) modn w=12u l=12u m4 (vinter vload vss vss) modn w=12u l=12u m5 (vout vbias vdd vdd) modp w=12u l=6u m=8 m6 (vout vinter vss vss) modn w=48u l=6u m7 (vcomm vbias vdd vdd) modp w=12u l=6u m=2 m8 (vbias vbias vdd vdd) modp w=12u l=6u m9 (vbias vbias vss vss) modn w=3u l=24u cm (vout vinter) capacitor c=4p ends OVA

放大器结构及放大器所用晶体管的沟道宽长参数直接取自CNM25的相关实验手册。

两个网表分别存储在文件model.scs和ova.scs中。可以使用Spectre仿真器的“include”语句将这两个网表包含中仿真的网表文件中，这样通过在仿真文件的电路网表中实现图2的不同配置电路即可进行所有的仿真。

Vdiff/2

+ + Vout _ Vout+ A A CloadVin_

Vcom+ Cload

+

+ Vdiff/2 C R∞

(a) Open Loop (b) Quasi Open Loop

Vac

+ _ Vout+ Vout A + A Vcom+ + + CloadVin_ Cload

Vac

(c) Follower (d) CMRR

图2 放大器仿真的电路配置

2 仿真试验

参数提取的仿真试验-电路配置关系-分析功能类型列于表3。

参数 IR OR

CMR

表3 参数提取-仿真电路配置关系 配置 分析功能 Open Loop Vcom=2.5V

DC sweep of Vdiff VTC Vout vs Vdiff

Follower

DC sweep of Vin

VTC Vout vs Vin Vin=2.5V

Monte Carlo of Operating Point Voff=Vout−Vin

Voff

Follower

Pd GDC BW GBW

Follower Quasi Open Loop

Vin=2.5V

Operating point, IDDQ Vin=2.5V

Small signal spectral response for Vin Bode Magnitude and phase for Vout/Vin

φm

Open Loop

Vcom=2.5Vand Vdiff=0V

Small signal spectral response for Vdiff Bode Magnitude and phase for Vout/Vdiff

CMRR

CMRR

Vin=2.5V

Small signal spectral response for Vac

CMRR[dB]= Vout/Vac

PSRR± Follower

Vin=2.5V

Small signal spectral response for VDD,SS

PSRR±[dB]=Vout/Vdd,ss

SR± ts

Follower

Vin: 2V→3V→2V

Transient

Step response of Vout

fmax Vneq

Open Loop

Vcom=2.5V and Vdiff=Voff

Small Signal PSD summed at output Vout Total Integration of Vout and referred to Vin

THD Follower

Vin=2.5V±(OR/2)δ(t)

Transient

Large Signal Spectrum FFT(Vout)/FFT(Vin)

Follower

Vin=2.5V±(OR/2)sin(2π⋅10Kt)

Transient

Harmonic analysis of Vout

以参数PSRR+为例，采用跟随器（Follower）电路配置结构，电路得网表如下：

// OVA PSRR+ extraction simulation include “models.scs” include “ova.scs”

load (vout 0) capacitor c=10p

vinput (vinp 0) vsource dc=2.5 vss_supply (vss 0) vsource dc=0

vdd_supply (vdd 0) vsource dc=5 mag=1 phase=0

// OVA follower configuration X1 (vout vinp vout vdd vss) OVA

// Simulation control statements sim_control options gmin=1e-15

psrrp ac dec=50 start=1 stop=1e7 save=all

将此网表文件存为ova_psrrp.cir。在UNIX环境的系统提示符后输入运行仿真命令：Spectre ova_psrrp.cir。所有的仿真输出将被保存在目录psrrp.raw下。该仿真试验在SUN Sparc II ( 450MHzX2，1024M内存)大约需要70ms。输出信号的幅度如图3，使用公式

PSRR+=−20log[mag(vout)] (dB)即可得到使用dB表示的正电源抑制比，该计算可以很容

易地在Cadence的波形显示器的计算器上实现。根据电路配置表3，可以很容易地完成其他的仿真试验。

图3 放大器的输出幅度

3 结果分析

所有的Spectre仿真结果都在表2所给指标的5%精度范围之内。

Spectre的网表（netlist）仿真过程和主流SPICE仿真工具的使用过程类似，但是Spectre的速度更快，而且几乎不需要设计人员介入考虑计算的收敛问题。在SPICE类仿真器中，收敛问题则一直是困扰设计人员、特别是入门水准工程师的主要问题之一。Cadence还提供了一个名叫“SPP”的小程序，它能够把SPICE的网表转换为标准的Spectre网表，极大的方便了原来的SPICE用户。但是仍有微小差别，并非所有的SPICE语法都可以进行正确无误的转换，比如Spectre仿真器在新的版本中不再支持“measure”语句，用户需要借助于Cadence强大的波形显

示工具- AWD来完成类似的功能，这也适当加速了仿真计算过程。

IV. 结束语

通过典型CMOS电路构造单元-运算放大器的参数提取仿真分析，文章简要描述了Spectre仿真器在模拟集成电路设计中的使用。实际上，Spectre工具在电路设计仿真中并非新面孔，在Aglient（HP）ADS系统的成功应用显示了其在射频（RF）电路分析中的强大实力，这非常适合于当前流行的片上系统（SOC-System on Chip）和射频IC芯片的设计，为目前集成电路设计正与无线射频系统设计相互渗透的发展趋势提供了有力的工具。而且通过完全集成到Cadence的AMS设计环境，实现和Cadence其它强大工具的无逢连接，Spectre将在从行为级到晶体管级，从模拟电路到混合信号电路，从原理图设计到版图提取后仿真等各种集成电路设计自动化提供全方位的支持，其优点将远远超过更高的仿真速度和优异的收敛特性。

REFERENCES

[1] Laurence W Negel, The life of SPICE, Bipolar Circuits & Technology Meeting, Minneapolis, MN, Sept., 30, 1996. [2] “Spectre Circuit Simulator Reference”, Cadence, July, 2002 [3] “Spectre Circuit Simulator User Guide”, Cadence, July, 2002

[4] Phillips E. Allen, Douglas R Holberg, “CMOS Analog Circuit Design ”, 2002