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Hspice应用讲解

Hspice是一种通用电路分析程序，可用来进行集成电路和电子线路的分析模拟。它可以用来分析电路的非线性直流特性，线性交流小信号特性，非线性瞬态特性，温度特性等。其中，直流分析（.DC）不光可进行直流转移特性分析，还可进行直流工作点（.OP），直流小信号传输特性（.TF），直流小信号灵敏度（.SENS）分析；在进行交流分析（.AC）的同时还可进行噪声特性（.NOISE）和失真特性（.DISTO）分析；在进行瞬态分析（.TRAN）的同时还可进行傅立叶（.FOUR）分析；进行温度特性分析（.TEMP）以求得电路的温度特性。在进行交流分析和瞬态分析前先进行直流分析，以决定其非线性组件的线性化小信号模型和其初始条件。

Hspice输入描述文件格式：
标题语句
组件语句
模型语句

子电路
.SUBCKT
组件语句, 模型语句
子电路调用
.ENDS语句
控制语句
结束语句
Hspice的输入描述文件格式是一种自由格式，其输入的第一条语句必须是标题语句，且不能省略；最后一条语句必须是结束语句（.END），其余语句的顺序是任意的。在输入描述文件的任何地方都可插入注释语句（在语句前加“*”或“$”），程序只对注释语句进行原样打印而不进行任何处理。
组件语句是说明该组件的拓扑关系和组件值的。每个组件给予一个组件名，组件名的第一个字母说明该组件的类型，Hspice并对各种类型的组件所对应的英文字母作了规定，组件名不能重复。组件的节点号可以用一正整数表示，也可以用网点名表示。
模型语句是说明该组件的模型参数的。在模型语句中定义一组组件模型参数并赋予一个唯一的模型名，在组件语句中即可引用此模型名，表明此组件具有该组模型参数值。
子电路是用一组组件语句来定义，程序会自动将这组组件插入到子电路被调用的地方，其大小和复杂性没有限制，并允许其包含其它子电路。在电路中不能包括短路的电压源和电感，开路的电流源和电容，电路中的每个节点都不能悬空。
控制语句是控制程序的运行和规定分析及输出的内容。如温度语句，工作点分析语句，交流分析语句，瞬态分析语句，打印语句，绘图语句和可选项语句等。
Hspice的每条语句都有若干个字段，字段之间由空格或符号隔开，多余的空格将被忽略，字段内不能随意加空格，即字段不能断开。
字段可以是字符段或数字段，字符段必须以字母开头，长度不超过8个字符，多余的字符将被忽略，且由用户定义的字符段中不能包括Hspice输入描述语言中已定义的字符段（即保留字）；数字段可以为整数或浮点数，其后可直接跟下列比例因子：
K=1E3，MEG=1E6，G=1E9，T=1E12，
M=1E-3，U=1E-6，N=1E-9，P=1E-12，F=1E-15，MIL=25.4E-6
比例因子必须紧跟在数字后面，不是比例因子的字母及比例因子之后的字母均被忽略。
如一个语句一行写不完，可在下一行接着写，该行称为续行，续行的第一列必须是“+”号，续行数没有限制。

Hspice模拟仿真流程：

调用Hspice程序

读入.sp(i)文件

文件检错

是否要分析直流传输特性或工作点

N

设定温度
Y
直流传输特性分析

直流工作点分析

是否要分析交流特性
N

Y
交流特性分析

是否要分析瞬态特性
N

Y
直流传输特性分析

直流工作点分析

瞬态特性分析

是否要分析温度特性
Y

输出结果

N

Hspice输出文件类型如下表：
输 出 文 件 类 型
扩 展 名
列表输出，其内容包括仿真所用的名字和版本；Meta-Software单元信息；输入文件名；使用者名；注册资料；拷贝的输入网点文件；节点计算；操作点参数；每个source和sub-circuit的电压降，电流，功耗的详细情况；由. PLOT语句产生低分辩率图表；. PRINT语句结果；. OPTIONS语句结果。
. lis，或使用者指定
瞬态分析结果，它包含瞬态分析的资料结果，是在输入文件同时有. TRAN和. OPTION POST语句时产生的一个分析记录文件。
. tr# +
瞬态分析测量结果，它是. MEASURE TRAN语句分析结果。
. mt#
DC分析结果，包含其使用的步长或在. DC语句中定义的扫描频率下的分析结果，包括噪声，失真或网络分析。
. sw# +
DC分析测量结果，它是. MEASURE DC语句分析结果。
. ms#
AC分析结果，包含一个频率功能的输出变量列表，符合其后的. AC语句的使用者规格。
. ac# +
AC分析测量结果，它是. MEASURE AC语句分析结果。
. ma#
硬拷贝图表资料（从meta.cfg PRTDEFAULT）
. gr# ++
数字输出，包含从U单元A2D转换选项得到的转换数字数据。
. a2d
FFT分析图表数据，包含显示FFT分析波形的图表数据。
. ft# +++
分支电路交叉列表，它说明了在符合分支电路定义下调用的分支电路节点名。
. pa#
输出情况，包含运行时间结果：每个CPU状态的开始和结束时间；废弃的选择项设置警告；预先检查注册资料，输入语法，模型和电路拓扑结构的情况；对困难电路使用的Hspice收敛方法。
. st#
操作点节点电压（初始状态），对于. SAVE语句。
. ic
注意：#表任一扫描编号或硬拷贝文件编号。
+只有在使用. POST语句产生图表数据才会生成。
++需要. GRAPH语句或在meta.cfg文件中有一文件输出指针。在PC版的
Hspice中此文件不能产生。
+++只有在使用. FFT语句才会生成。

Hspice基本组件描述：
在下列描述中，“[ ]”内的域为可选项，其余的域为必须的；name1，name2为可选的字符串，字符串最多可有八个字符（包括首字符），但其中不能出现分隔符（如空格，等号，逗号等）。
1． 电阻：Rname N1 N2 value [TC=TC1[，TC2]]
R为关键词，N1，N2为与电阻相连的两节点的节点号，电阻值可为正值或负值，其单位为欧姆。TC1，TC2为电阻的温度系数，电阻值按下式随温度而变化：
R（T）=R（TD）·（1+TC1·（T- TD ）+TC2·（T- TD ）2）
当两可选参数TC1，TC2未给出时，程序将自动赋零。T0为标称温度，可由.OPTIONS控制语句进行修改。
2． 电容：Cname N+ N- [PLOY] value [C1 [C2…]] [IC=v]
C为关键词，N+，N-表电容的正负节点，可选项PLOY表示该电容是一个随电压变化的非线性电容，其值可由下式求得：
C（V）=value+C1·V+C2·V2+…+Cn·Vn，其中n≤20。
[IC= ] 项为初始条件项，其作用将视瞬态分析语句中是否有UIC（Use Initial Condition）关键词而不同：若瞬态分析语句中有UIC项，则进行瞬态分析时，将以IC项所给值作为该组件的瞬态分析初始条件。
3． 电感：Lname N+ N- [PLOY] value [L1 [L2…]] [IC=i]
L为关键词，N+，N-表电感的正负节点，电流从正节点流到负节点。可选项PLOY表示该电感是一个随电流变化的非线性电感，其值可由下式求得：
L（V）=value+L1·I+L2·I2+…+Ln·In，其中n≤20。
[IC= ] 项为初始条件项，其作用将视瞬态分析语句中是否有UIC（Use Initial Condition）关键词而不同：若瞬态分析语句中有UIC项，则进行瞬态分析时，将以IC项所给值作为该组件的瞬态分析初始条件。
4． 互感：Kname1 Lname2 Lname3 value
K为关键词，Lname2和Lname3为两个耦合电感名，耦合系数的取值范围为大于0小于1，每个电感的第一个节点作为同名端。
5． 传输线：Tname N1 N2 N3 N4 Z0=value TD=val2 [F=freq [NL=nlen] ] +[IC=v1，i1，v2，i2]
T为关键词，N1，N2是埠1的两个节点，N3，N4是埠2的两个节点。Z0为特性阻抗值，TD为传输延迟值，F为频率，NL相当于在频率F时传输线波长的归一化电学长度。如指定F而省去NL，则NL缺省值为0.25。
传输线的传输延迟值必须以下列两种方法中的一种输入：
1）.直接给出TD值；
2）.由F和NL两项求出，即TD=NL/F。
v1，i1，v2，i2分别为埠1和端口2的电压，电流的初始值。
6． 线性和非线性受控源：Hspice包含四种线性和四种非线性受控源，它们分别为：
⑴．线性电压控制电流源：I=G·V，Gname N+ N- NC+ NC- value
⑵．线性电压控制电压源：V=E·V，Ename N+ N- NC+ NC- value
⑶．线性电流控制电流源：I=F·I，Fname N+ N- Vname value
⑷．线性电流控制电压源：V=H·I，Hname N+ N- Vname value
G，E，F，H分别为跨导，电压增益，电流增益和互阻因子。N+，N-分别为受控
源的正负节点，NC+，NC-分别为控制电压源的正负节点，Vname为控制电流所流
过的电压源的名称，语句中的value值分别为各受控对应的跨导值，电压增益值，电流增益值和互阻因子值。
Hspice允许以一组多项式系数来描述非线性受控源，并且控制变量可以是多维的，维数与系数的数目没有限制，但系数的意义随维数的不同而改变。其语句格式为：
⑴．非线性电压控制电流源：Gname　n+　n-　POLY （nd） nc1+　nc1- … ncnd+
　ncnd-　P0 [P1…] [IC=控制电压初值]
⑵．非线性电压控制电压源：Ename　n+　n-　POLY （nd） nc1+　nc1- … ncnd+
　ncnd-　P0 [P1…] [IC=控制电压初值]
⑶．非线性电流控制电流源：Ｆname　n+　n-　POLY （nd） Vname1 … Vnamend
　P0 [P1…] [IC=控制电压初值]
⑷．非线性电流控制电压源：Ｈname　n+　n-　POLY （nd） Vname1 … Vnamend
　P0 [P1…] [IC=控制电压初值]
n+，n-为受控源的正负节点，POLY为非线性受控源关键词，nd为控制变量维数，nc1+，nc1- … ncnd+，ncnd-分别为nd个控制电压源的正负节点，Vname1 … Vnamend分别为nd个控制电流所流过的电压源的名称，P0 ，P1…是多项式的系数。初始条件IC项给出受控源的初始条件，计算时将先使控制变量取IC项所给值，求电路的直流工作点；收敛后继续迭代，再求出控制变量的最终精确解。若不给IC项，则控制变量的初始值为零。以电压控制电压源为例，如控制电压为一维的，则受控电压为：V（VX）=P0+P1VX+P2VX2+ P3VX3+…+ PnVXn；
如控制电压为二维的，则受控电压为：
V（VX，Vy）=P0+P1VX+P2Vy+P3VX2+P4VXVy+P5Vy2+P6VX3+P7VX2Vy +P8VXVy2+P9Vy3+…
如控制电压为三维的，则受控电压为：

7． 独立电压源和电流源：
Vname N+ N- [ [DC] value] [AC magval [phaseval] ]
+ [PULSE（ v1 v2 [td [tr [tf [pw [per] ] ] ] ] ） ]
or [SIN （vo va [freq [td [kd] ] ] ） ]
or [EXP （v1 v2 [td1 [t1 [td2 [t2] ] ] ] ） ]
or [PWL（ t1 v1 t2 v2 … tn vn ） ]
or [SFFM（ vo va freq [mdi [fs] ] ） ]
or [AM（ vo va freq [fs [td] ] ） ]
或Iname N+ N- [ [DC] value] [AC magval [phaseval] ]
+ [PULSE（ i1 i2 [td [tr [tf [pw [per] ] ] ] ] ） ]
or [SIN （io ia [freq [td [kd] ] ] ） ]
or [EXP （i1 i2 [td1 [t1 [td2 [t2] ] ] ] ） ]
or [PWL（ t1 i1 t2 i2 … tn in ） ]
or [SFFM（ io ia freq [mdi [fs] ] ） ]
or [AM（ io ia freq [fs [td] ] ） ]
V和I 为独立电压源和电流源的关键词，N+和N-为电源的正负节点，这里规定电
流源的方向是从正节点经电源内部流向负节点。
一个独立源，可以同时给出三种分析类型的信号源值，上面第一个选择项为电源
的直流值，第二个选择项为交流资料，第三个选择项为瞬态资料。程序在作不同
的分析时，将取相应的信号源资料。若作直流分析，取直流常数值；若作交流分
析，独立源被视为由振幅和相位所描述的正弦小信号（频率即为交流分析频率）；
当作瞬态分析时，则用随时间变化的瞬态资料（也可能是常数）；直流和瞬态分析
可用同一值描述，如值随时间变化，则取t=0的值作直流分析。
DC为直流信号的关键词，如直流值为零也可省略不写。模拟时可用零值电压源表
电流表，因每个电压源和电流值都将被打印。
AC为交流信号的关键词，交流信号的振幅和相位的缺省值分别为“1”和“0”。
当电路中只有一个交流信号输入时，交流信号的振幅通常设为1，以便求得电路的
增益。注意，Hspice中相位的单位为度。
瞬态分析所需的信号源的值是随时间而变化的，随时间变化的关系可以是下列六
种形式之一：
⑴．脉冲信号源：PULSE（val1 val2 td tr tf pw per）
脉冲信号参数的意义及其缺省值如表1所示，表中tstep和tstop分别是瞬态分
析的时间步长和时间终值，它们均由.TRAN语句定义。
脉冲信号源一个周期内的信号值由表2决定，中间时间点上的信号值由输入
值的线性插值法求得。
参 数
描 述
缺省值
单 位
val1
初始值

V或A
val2
脉冲值

V或A
td
延迟时间
0
s
tr
上升时间
tstep
s
tf
下降时间
tstep
s
pw
脉冲宽度
tstop
s
per
周期
tstop
s

时 间
数值
0
val1
td
val1
td+ tr
Val2
td+ tr+pw
Val2
td+ tr+pw+tf
val1
td+ per
val1

表1 表2
脉冲信号源的波形如下图所示：
V
val2
0 t
val1
td tr pw tf
per
⑵．正弦信号源：SIN（off amp freq td kd ph）
正弦信号参数的意义及其缺省值如表1所示，正弦信号源的值由表2决定。
参 数
描 述
缺省值
单 位
off
直流偏置

V或A
amp
幅度

V或A
freq
频率
1/tstep
Hz
td
延迟时间
0
s
kd
阻尼因子
0
1/s
ph
相位延迟
0
°（度）

表1

时 间
数 值
0~ td
off+amp*SIN（2*∏*ph/360）
td~
off+amp*EXP（td*kd-t）*SIN{2*∏*[freq*（t-td）+ph/360]}

表2

正弦信号源的波形如下图所示：
V
amp 由kd决定的衰减包络线

off

-amp
td per per=1/freq
0 t
⑶．指数信号源：EXP（val1 val2 td1 t1 td2 t2）
指数信号参数的意义及其缺省值如表1所示，指数信号源的值由表2决定。
参 数
描 述
缺省值
单 位
val1
初始值

V或A
val2
脉冲值

V或A
td1
上升延迟时间
0
s
t1
上升延迟时间常数
tstep
s
td2
下降延迟时间
td1+tstep
s
t2
下降延迟时间常数
tstep
s

表1

时 间
数 值
0~ td1
val1
td1~ td2
val1+（val2- val1）*{1-EXP[（td1-t）/t1]}
td2~
val1+（val2- val1）*{1- EXP[（td1-td2）/t1]}*EXP[（td2-t）/t2]

表2
指数信号源的波形如下图所示：
V
val2
t1 t2
0 t
val1
td1
td2
⑷．分段线性化信号源：PWL（t1 val1 t2 val2 … tn valn）
t1，t2，…，tn为时间点，val1，val2，…，valn为对应时间点的信号源值，ti和ti+1之间的数值是由vali和vali+1用插值法求得。
分段线性化信号源的波形如下图所示：
V val3 val4

val1 val2 val5 val6

0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t
⑸．调频信号源：SFFM（off amp fcar mdind fsig）
调频信号参数的意义及其缺省值如表1所示。
参 数
描 述
缺省值
单 位
off
直流偏置

V或A
amp
载波幅度

V或A
fcar
载波频率
1/tstop
1/s
mdind
调制系数
0

fsig
信号频率
1/tstop
1/s

表1

调频信号源的值由下式决定：
value=off+amp*SIN[2*∏*fcar*t+mdind*SIN(2*∏* fsig*t)]
调频信号源的波形如下图所示：
V
amp

off

-amp
fsig fcar
0 t
⑹．调幅信号源：AM（amp off fmod fcar td）
调幅信号参数的意义及其缺省值如表1所示。
参 数
描 述
缺省值
单 位
amp
载波幅度
0
V或A
off
直流偏置
0
V或A
fmod
调制频率
1/tstop
1/s
fcar
载波频率
0
1/s
td
延迟时间
0
1/s

表1

调幅信号源的值由下式决定：
value= amp *{ off +SIN[2*∏* fmod *（t-td）]}*SIN[2*∏* fcar*（t-td）]
调幅信号源的波形如下图所示：
V
amp
fmod
fcar
0 t

-amp
td fcar
8． 二极管：Cname n+ n- modname [area] [OFF] [IC=icval]
C为关键词，n+，n-是正负节点，modname为模型名，它必须在. MODEL语句中
进行说明。area为面积因子，为一无量纲的数，表示器件面积与模型语句中定义
的“单位面积” 器件的面积比值，与面积有关的模型参数将乘以或除以这个面积
因子。OFF项可帮助实现直流收敛，其作用是将器件作截止处理，迭代收敛后再
使器件正常工作，继续迭代求得精确解。如. TRAN分析语句中有UIC项，那么IC
参数的值icval则为瞬态分析的初始条件。
9． 晶体管：Qname nc nb ne [ns] modname [area] [OFF] [IC=Vbe，Vce]
Q为关键词，nc，nb，ne分别表晶体管的集电极，基极和发射极，ns表衬底节点，
缺省时则认为它是接地的。其余modname，面积因子“area”，关键词“OFF”，
初始条件“IC=”项等的意义如前所述。
10． 结型场效应管：
Jname nd ng ns modname [area] [OFF] [IC=Vds，Vgs]
J为关键词，nd，ng，ns分别表结型场效应管的漏极，栅极和源极节点，其余
各项的意义如前所述。
11． MOS管：Mname nd ng ns nb modname [L=lval] [W=wval]
+[AD=adval] [AS=asval] [PD=pdval] [PS=psval] [NRD=nrdval]
+[NRS=nrsval] [OFF] [IC=Vds，Vgs，Vbs]
M为关键词，nd，ng，ns，nb分别表MOS管的漏极，栅极，源极和衬底节点。L和W分别为沟道长度和宽度，缺省值为100U。AD，AS分别为漏极和源极扩散区面积，缺省值为0。PD，PS分别为漏极和源极扩散区周长，缺省值为0。NRD，NRS分别为漏极和源极扩散区等效方块面积数目，缺省值为1。其中，L，W，AD，AS这四个参数均能通过. OPTIONS语句进行修改。

Hspice子电路描述语句：
在Hspice中，可以把电路中重复出现的相同单元定义为“子电路”，作为“宏模块” 重复调用，从而使Hspice的电路描述更加简洁明了。
子电路与外部电路相联系的节点称为子电路的外部节点，只在子电路内部使用的节点称为子电路的局部节点。局部节点只在子电路内部有效，因此局部节点的节点号可以与调用该子电路的主电路的节点号相同。只有接地节点例外，因其无论对于子电路还是对于主电路，它都是接地点或参考节点。
子电路的描述以子电路定义语句开头，然后是一组描述这个子电路的描述语句，最后是结束语句。子电路中可以直接调用主电路中描述的模型语句，也可以有自己的模型语句，还可以再定义和调用子电路（即“嵌套”），但不可出现其它控制语句。子电路中的模型语句和嵌套子电路都是局部的，即只在子电路内部有效，外部不能调用。
1． 子电路定义语句：．SUBCKT subname n1 [n2 n3 …]
subname是用户给予电路起的名字，n1，n2，n3…是子电路的外部节点。．SUBCKT语句后是一组描述子电路的语句，这些语句可以是基本电路器件描述语句，独立电压源和电流源语句，半导体器件描述语句以及模型语句，还可以是对其他子电路的调用语句，但不能是控制语句。子电路描述的最后一个语句是结束语句。
2． 结束语句：．ENDS subname
如给出子电路名（subname），就表示结束subname子电路的描述，否则表示结束所有子电路的描述。
3． 子电路的调用：Xname N1 [N2 N3 …] subname
子电路每次被调用时，都需给它赋一个标识符Xname，子电路的标识符必须以字
符X打头。N1，N2，N3…是主电路的节点，通过它们与子电路相连，因此N1，
N2，N3…必须与子电路的外部节点一一对应。

Hspice的控制语句：
1． 分析类型语句：
⑴．直流分析：
①．直流分析语句：．DC var1 start1 stop1 incr1 [var 2 start2 stop2 incr2]
或．DC var1 start1 stop1 incr1[SWEEP var 2 type np start2 stop2]
或．DC var1 type np start1 stop1 [SWEEP DATE=datenm]
或．DC DATE=datenm [SWEEP var2 start2 stop2]
或．DC DATE=datenm
或．DC var1 type np start1 stop1 [SWEEP MONTE=val]
或．DC MONTE=val
或．DC DATE=datenm OPTIMIZE=opt RESULTS=mea MODEL=optmod
或．DC var1 start1 stop1 SWEEP OPTIMIZE=opt RESULTS=mea
MODEL=optmod
直流分析语句将完成对一个电路和器件的直流转移特性的分析，尤其是半导
体器件的直流特性的分析。其中，
var为所要进行的扫描激励源名，它可以是电压源或电流源名，任何器件或模
型参数，或者是关键词TEMP，Hspice在进行直流分析时，允许有两个扫描
激励源，start为所要进行的扫描激励源的起始值，stop为终止值，incr为增量；
type为跟踪分析关键词，包括：
DEC – 十倍频程变化；
OCT – 倍频程变化；
LIN – 线性变化；
POI – 点数组表；
np表以十倍频程或倍频程选取的频率点数，或对应前面关键词的总分析点数
（其中，十倍频程中频率点是以对数函数等间隔选取的）；
datenm为调用的．DATE语句名；
MONTE=val是在高斯型的，均匀的或任意范围内的分布中选择一个数值val；
OPTIMIZE指在．PARAM语句中指定参数的优化；
RESULTS指在．MEASURE语句中指定参数的优化；
MODEL指在．MODEL OPT语句中指定参数的优化；
程序将针对激励源的每个扫描值，求出电路所对应的响应，包括任何参数值，
任何电源值，任何温度范围，进行直流MONTE CARLO分析（随机扫描），
进行直流电路优化，进行直流模型描述。
②．直流工作点分析语句：．OP [format1] [time1] [format2] [time2]
直流工作点分析将求解出电路的直流工作点。在作直流分析时，程序将电容
看作开路，电感看作短路。在作交流分析或瞬态分析时，程序将自动进行直
流工作点分析。当电路描述中，没有规定任何分析类型时，程序将自动进行
直流工作点分析。其中，
format表跟踪分析关键词（只有第一个字母有效，默认值为ALL），包括：
ALL – 全部工作点，包括电压，电流，电导和电容；指定时间的电压/电流的
输出。
BRIEF – 对每个组件的电压，电流和功耗生成一个线性摘要，电流单位为毫
安，功耗单位为毫瓦。
CURRENT –对电压列表，每个电流和功耗的一个简短摘要。
DEBUG – 通常只用于程序在非收敛的仿真过程中。调试打印非收敛节点的新
电压值，旧电压值和它们之间的公差（非收敛程度）。它也要打印
非收敛组件和它们的公差值。
NONE – 禁止节点和组件打印输出，但允许执行额外的指定分析。
VOLTAGE – 只有电压列表。