摘 要：提出一種基于HSpice的器件內(nèi)部參數(shù)蒙特卡羅統(tǒng)計分析方法對電子電路進(jìn)行仿真設(shè)計。針對PSpice軟件只能采用特定庫元件進(jìn)行統(tǒng)計分析的局限性，研究HSpice蒙特卡羅分析的技巧、程序語句參數(shù)的設(shè)置、輸出結(jié)果的判讀等，解決基于高精度內(nèi)部參數(shù)器件模型的電路性能仿真，給出應(yīng)用該方法實現(xiàn)電路內(nèi)部參數(shù)蒙特卡羅統(tǒng)計分析的仿真過程?？梢杂行У靥岣唠娐吩O(shè)計的準(zhǔn)確性、可靠性和電子產(chǎn)品生產(chǎn)的合格率。實驗表明這種方法可以對組成電路器件的任意參數(shù)進(jìn)行蒙特卡羅統(tǒng)計分析，包括MOS管、運放等的模型內(nèi)部參數(shù)，在優(yōu)化電路設(shè)計中具有很高的實用性。

關(guān)鍵詞：HSpice;蒙特卡羅;參數(shù)分布；優(yōu)化電路

中圖分類號：TN710 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1801304

Statistical Tolerance Analysis of Interior Parameters of HSpice

TIAN Wuping，GUO Jierong

(Institute of Information Technology，Hunan University of Arts and Science，Changde，415000，China)

Abstract：An effective method is proposed by concatenating interior parametric statistical analysis of devices，with MonteCarlo analysis based on HSpice.Aiming at the limitations of using specific components for statistical analysis，the technique procedure statement set of parameters and interpretation of output results about HSpice MonteCarlo are researched.The circuit performance simulation based on high precision interior parameter device model，and the simulation process is given by this method to achieve interiorparameter MonteCarlo statistical analysis.It can enhance accuracy，reliability and eligibility.The simulation results show the proposed scheme can meet the design target specifications completely.The method is very effective and valuable for optimizing electronic circuit design.

Keywords：HSpice;MonteCarlo;parameter distribution;optimized circuit

1 引 言

在對電路進(jìn)行容差分析時，一般采用2種方法：一是最壞情況分析，即當(dāng)電路中所有元件參數(shù)都取其最壞的極端，分析其綜合結(jié)果使電路特性指標(biāo)能夠達(dá)到的最壞偏差；二是蒙托卡諾分析，即在指定的容差分析范圍內(nèi)，隨機(jī)地選取電路參數(shù)，再分析和計算電路特性指標(biāo)的偏移范圍。目前最為通用的仿真軟件是PSpice，它具有參數(shù)掃描分析、優(yōu)化分析和蒙特卡羅統(tǒng)計分析等最優(yōu)化設(shè)計功能，可以有效地提高設(shè)計的準(zhǔn)確性和可靠性，提高電子產(chǎn)品的合格率^{［1，2］}。但是PSpice在進(jìn)行上述統(tǒng)計分析功能時有2個主要的局限性：一是運行蒙托卡諾分析的前提條件是必須有元器件含有偏差屬性，只能使用PSpice中專門提供的統(tǒng)計分析用的元器件BREAKOUT符號庫。在進(jìn)行統(tǒng)計分析時，要考慮其參數(shù)變化的那些元器件必須改用BREAKOUT庫中的符號。二是對于集成電路廣泛使用的MOS管，PSpice只能支持level1~5級的模型，對于實際工藝的level 28，49及以上模型均不能進(jìn)行仿真^［3］。

HSpice是MetaSoftware 公司為集成電路設(shè)計中的穩(wěn)態(tài)分析、瞬態(tài)分析和頻域分析等電路性能的模擬分析而開發(fā)的一個商業(yè)化通用電路模擬程序。它在其他電路分析軟件的基礎(chǔ)上，又加入了一些新的功能，經(jīng)過不斷的改進(jìn)，目前已被許多公司、大學(xué)和研究開發(fā)機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用^［4］。HSpice軟件提供了基于Windows平臺的集成設(shè)計環(huán)境，沒有上述局限性，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行電路容差分析技術(shù)研究更具有實用意義。

2 HSpice新功能

2.1 HSpice 特殊性能

HSpice不但具備了絕大多數(shù)Spice具有功能外，還具有許多新的特點^［5］，如下所述：

（1） 優(yōu)越的收斂性 。Synopsys公司借著修正元件模型，方程式及演算法（algorithm）改善電腦程式求解時的收斂性。在早期的Spice模型中，由于實際元件的特性是連續(xù)的，而很多電路的飽和區(qū)與線性區(qū)的工作點在兩區(qū)交界點處并不連續(xù)，故造成不收斂情況。而在HSpice中有多項設(shè)定選擇，所以有極好的收斂性。

（2） 精確的模型參數(shù)，包括許多Foundry模型參數(shù)。由于VISI制作過程的進(jìn)步，使得元件進(jìn)入次微米或毫微米時代。所以，在電路模擬上對元件模型的精確性與應(yīng)用有更嚴(yán)格的要求。

（3） 層次式節(jié)點命名和參考。

（4） 基于模型和庫單元的電路優(yōu)化，逐項或同時進(jìn)行AC，DC和瞬態(tài)分析中的優(yōu)化。

(5)具備蒙特卡羅（Monte Carlo）和最壞情況（worstcase）分析。集成電路產(chǎn)品的性能好壞，除了設(shè)計及制作過程外，在產(chǎn)品的使用或可靠性的測試等都可以反應(yīng)出產(chǎn)品的品質(zhì)及合格率。在HSpice中，可用蒙特卡羅統(tǒng)計分析，用測試的結(jié)果修正原來的設(shè)計規(guī)則；同時還可以進(jìn)行最壞情況分析（worstcase）模擬，以便提供產(chǎn)品性能的評估與合格率的分析。

（6） 參數(shù)化單元的輸入、輸出和行為代數(shù)化。在HSpice中對于任何元件或電路單元都可以參數(shù)化，其輸出、輸入都可以用代數(shù)式來描述，并做運算。

（7）有較高級邏輯模擬標(biāo)準(zhǔn)庫的單元特性描述工具。

（8）能對PCB、多芯片系統(tǒng)、封裝以及IC技術(shù)中連線間的幾何損耗加以模擬。

（9）圖形化處理。在HSpice中，對于輸出資料的圖形處理器（post proessing），可用AvanWaves處理器及.GRAPH等功能，而AvanWaves是屬于視窗處理及交談的方法，并可以做各種代數(shù)運算，其中還包括節(jié)點電壓、元件電流、及電路效能的分析等。

（10） 極/零點分析。此分析是HSpice中特有的功能之一，特別是對于網(wǎng)路分析與類比電路如放大器、濾波器等設(shè)計尤為重要。通過分析極點、零點的分布，可以分析系統(tǒng)的穩(wěn)定度。在電路性能分析中，一般都要在不同應(yīng)用條件下，根據(jù)需要加入各種容差和限制進(jìn)行直流分析（.DC）、交流分析（.AC）和瞬態(tài)分析（.TRAN）。HSpice能夠通過不同的源文件去訪問各種輸入和模擬控制信息，并繪制和輸出有關(guān)節(jié)點的分析曲線和結(jié)果。

2.2 HSpice蒙特卡羅分析

在HSpice中，蒙特卡羅分析利用隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器的方式^［6］，依照使用者給予之設(shè)定產(chǎn)生以下任一種的統(tǒng)計函數(shù)：

(1) 高斯參數(shù)分布（Gaussian Parameter Distribution），如圖1 所示。

各項定義如下：

相對變化（Relative Variation ）：絕對變化（Abs_variation)/常值（Nom_valus），其變化為平均值的比值（ratio）。

絕對變化（Absolute Variation）：其變化是加到平均值上。

Bimodal：此分布具2個不同的統(tǒng)計數(shù)（statistical modes），其常態(tài)參數(shù)值會隨分 布的乘機(jī)在統(tǒng)計上呈減少的結(jié)果。

(2) 均勻參數(shù)分布（Uniform Parameter Distribution）：如圖2所示。此類分布亦有相對變化，絕對變化及Bimldal等三種情況。

(3) 隨機(jī)數(shù)極限參數(shù)分布（Random Limit Parameter Distribution）。絕對變化（absolute variation），其變化是加到平均值上。最小及最大的變化是隨機(jī)選擇的。

2.3 HSpice 蒙特卡羅分析設(shè)定

在HSpice中，設(shè)定蒙特卡羅分析涵蓋下列的敘述^{［5，7］}：

（1） 蒙特卡羅應(yīng)用在直流操作點計算、直流掃描、交流掃描及暫態(tài)分析的次數(shù)是決定在分析的關(guān)鍵字MONTE 的數(shù)值，如下例：

.DC vin 1 5 0.25 SWEEP MONTE=10

上述設(shè)定描述直流掃描，蒙特卡羅分析10次。

（2） .PARAM敘述——其目的是設(shè)定一適合的分布函數(shù)（高斯、均勻或隨機(jī)極限分布）給一模型或元件參數(shù)，此功能允許參數(shù)化的電路原理圖，不需額外的修正，即可做蒙特卡羅分析，其基本格式如下：

.PARAM XX=UNIF(Nom_value，Rel_variation，multiplier)

或

.PARAM X=AUNIF(Nom_value，Abs_variation，multiplier)

或

.PARAM XX=GAUSS(Nom_value，Rel_variation，Sigm，multiplier)

或

.PARAM XX=AGAUSS(Nom_value，Abs_variation，Sigm，multiplier)

或

.PARAM XX=LIMIT(Nom_value，Abs_variation)

其說明如下：

xx：所分析的參數(shù)；

UNIF：用于相對變化的均勻分布函數(shù)；

AUNIF：用于絕對變化的均勻分布函數(shù)；

GAUSS：用于相對變化的高斯分布函數(shù)；

AGAUSS：用于絕對變化的高斯分布函數(shù)；

LIMIT：用于絕對變化的隨機(jī)數(shù)極限函數(shù)；

Nom_value：用于MC分析或著其他分析的定義常值；

Abs_variation：絕對變化；

Rel_variation：相對變化；

Sigma：標(biāo)準(zhǔn)差。

（3） .DC，.AC或.TRAN分析—用來啟動MONTE。

（4） .MEASURE 敘述用來技術(shù)輸出的平均值、變易數(shù)、方差及平均差等統(tǒng)計參數(shù)。

其輸出指令如下：

① .MEASURE 敘述是最方便的指令，可用來評估結(jié)果；

② .PRINT 用來產(chǎn)生表格化的結(jié)果；

③ .GRAPH產(chǎn)生每一返回后高解析度的輸出圖形，并將所有返回運算的結(jié)果疊在1張圖上。

3 元件內(nèi)部參數(shù)統(tǒng)計分析實例

3.1 晶體管模型內(nèi)部參數(shù)的統(tǒng)計分析

以1個共射極放大電路為例，電路及元件參數(shù)如圖3所示。

此電路采用Q2N2222晶體管模型，其模型參數(shù)如下：

.model Q2N2222 NPN(Is=14.34f Xti=3 Eg=1.11 Vaf=74.03 Bf=bb Ne=1.307 Ise=14.34f Ikf=.2847 Xtb=1.5 Br=6.092 Nc=2 Isc=0 Ikr=0 Rc=1 Cjc=7.306p Mjc=.3416 Vjc=.75 Fc=.5 Cje=22.01p Mje=.377 Vje=.75 Tr=46.91n Tf=411.1p Itf=.6 Vtf=1.7 Xtf=3 Rb=10)

采用HSpice對晶體管模型內(nèi)部參數(shù)bf進(jìn)行蒙特卡羅分析，命令如下：

.options post probe

.ac dec 101 1khz 100meghz sweep monte=20

.probe ac v(VO)

.param bf=gauss(50 1)

.meas ac bbb param=′bf′

仿真結(jié)果如圖4，5所示：

由命令語句及圖4可知，隨機(jī)參數(shù)選擇了一個較大的范圍，在標(biāo)稱值50左右選取隨機(jī)數(shù)進(jìn)行蒙特卡羅分析。圖5是AC掃描結(jié)果，不同bf參數(shù)對電路性能的影響明確地顯示了出來。

3.2 運放模型內(nèi)部參數(shù)統(tǒng)計分析

以一個3階低通Butterworth電路為例，電路及元件參數(shù)如圖6所示。

此電路采用ALM2902運放模型^{［7，8］}，其模型共29個參數(shù)，以其內(nèi)部電源偏置電阻為例進(jìn)行蒙特卡羅分析，仿真結(jié)果如圖7，8所示。由圖7可知，隨機(jī)參數(shù)選擇一個較小的范圍，在標(biāo)稱值5.3 k左右選取隨機(jī)數(shù)進(jìn)行蒙特卡羅分析。圖8是瞬態(tài)掃描結(jié)果，不同電阻參數(shù)對電路性能的影響明確地顯示出來。

4 結(jié) 語

本文采用HSpice對仿真模型內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行蒙特卡羅分析的方法對電路進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計、節(jié)省設(shè)計時間和設(shè)計費用都有幫助，還可以對實際生產(chǎn)中器件性能的分散性進(jìn)行模擬統(tǒng)計分析，提高設(shè)計電子產(chǎn)品的可靠性和合格率。該方法在電子電路的最優(yōu)化設(shè)計中具有很高的實用性。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］李永平，董欣.PSpice 電路優(yōu)化程序設(shè)計［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2004.

［2］賈新章，郝躍.OrCAD/PSpice9 實用教程［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1999.

［3］孫時生.PSpice用于開關(guān)電源最壞情況分析和蒙地卡羅分析［J］.電力電子技術(shù)，2000(4):4143.

［4］陳苑鋒，曾曉萌，何禮熊.HSpice和PSpice應(yīng)用中的幾個問題［J］.福建電腦，2002(4):1314.

［5］汪漢新，朱翠濤，陳亞光.PSpice在電子電路優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用［J］.微計算機(jī)信息，2006，22(10):111113.

［6］李慧貞.基于蒙特卡羅法的電子電路統(tǒng)計分析仿真［J］.航空電子技術(shù)，2005，36(2):3337.

［7］李紅，付興武.基于容差分析的電路參數(shù)中心值設(shè)計研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2005，28(23):8890.

［8］Synop Sys Inc.Star HSpice User Guide ［R］.Fremont，

US，2002.

［9］范愛平.電路容差分析的計算機(jī)仿真方法電測與儀［J］.電測與儀表，2001(10):2629.

［10］Synop Sys Inc.True HSpiceTM Device Models Reference Manual［R ］.Fremont，US，2002.

［11］Synop Sys Inc.A vanWaves Manual［R ］.Fremont，US，

2002.

作者簡介 田武平 男，1986年出生，湖南漢壽人。主要從事電子電路仿真設(shè)計的研究工作。

郭杰榮 男，1973年出生，湖南漢壽人，副教授。主要從事模擬集成電路設(shè)計與測試信號處理的研究工作。