Tài liệu học mô phỏng Hspice

HSPICE® User Guide:
Simulation and Analysis
Version B-2008.09, September 2008


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All other product or company names may be trademarks of their respective owners.

ii

HSPICE® User Guide: Simulation and Analysis
B-2008.09


Contents

Part I:

1.

2.

Inside this Guide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

xxxiii

The HSPICE Documentation Set. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

xxxvi

Conventions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

xxxviii

Customer Support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

xxxix

Introduction to HSPICE

Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

HSPICE Varieties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

Features. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

HSPICE Features for Running Higher-Level Simulations . . . . . . . . . . . . . . . .

7

Simulation Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

Experimental Methods Supported by HSPICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

Simulation Process Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

Setting Environment Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

License Variable. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Temporary Directory Variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
License Queuing Variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Windows Variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11
12
12
13

Standard Input Files. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

Design and File Naming Conventions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

Output Configuration File (meta.cfg) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

Initialization File (hspice.ini) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

DC Operating Point Initial Conditions File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

Input Netlist File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

Library Input File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

Analog Transition Data File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

Standard Output Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

iii


Contents

AC Analysis Results File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.

iv

17

AC Analysis Measurement Results File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

DC Analysis Results File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

DC Analysis Measurement Results File. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

Digital Output File. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

FFT Analysis Graph Data File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

Hardcopy Graph Data File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

Operating Point Information File. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

Operating Point Node Voltages File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

Output Listing File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

Output Status File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

Output Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

Subcircuit Cross-Listing File. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

Transient Analysis Measurement Results File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

Transient Analysis Results File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

Waveform Viewing File. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

Working Directory Path Character Limit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

Startup and Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

Running HSPICE Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

Running HSPICE Simulations on Windows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

Running HSPICE RF Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

Running HSPICE Interactively . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

Starting Interactive Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

Running a Command File in Interactive Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

Quitting Interactive Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

Running Multithreading or Multiprocessing HSPICE Simulations . . . . . . . . . .

28

To Run Multithreading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Performance Improvement Estimations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28
29

Multiprocessing .ALTER Cases, Transient Sweeps, Monte Carlo . . . . . .
.ALTER Cases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Transient Sweeps and Monte Carlo Trials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Multiprocessing Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30
30
31
31

Using HSPICE in Client/Server Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

To Start Client/Server Mode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Server. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Client . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32
32
32


Contents

To Simulate a Netlist in Client/Server Mode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.

33

To Quit Client/Server Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

Launching the Advanced Client/Server (C/S) Mode . . . . . . . . . . . . . . . .
Command Syntax. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34
34

Application Instances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

Running HSPICE to Calculate New Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

To Calculate New Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

Input Netlist and Data Entry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

Input Netlist File Guidelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

Input Line Format . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40

Special Characters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

First Character . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

Delimiters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46

Instance Names . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46

Hierarchy Paths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

Numbers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

Parameters and Expressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

Input Netlist File Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

51

Schematic Netlists . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

51

Input Netlist File Composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

53

HSPICE Topology Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

54

Title of Simulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55

Comments and Line Continuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55

Element and Source Statements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

57

Defining Subcircuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

59

Node Name (or Node Identifier) Conventions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Using Wildcards on Node Names . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

59
61

Element, Instance, and Subcircuit Naming Conventions . . . . . . . . . . . . .

63

Subcircuit Node Names . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

63

Path Names of Subcircuit Nodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

63

Abbreviated Subcircuit Node Names . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

64

Automatic Node Name Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

65

Global Node Names. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

65

Circuit Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

66

Data-Driven Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

66

Library Calls and Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Library Building Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

66
67

v


Contents

5.

vi

Automatic Library Selection (HSPICE). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

67

Defining Parameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Predefined Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Measurement Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Outputting Pass/Fail Measure Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

68
68
68
68

Altering Design Variables and Subcircuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Using Multiple .ALTER Blocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

69
69

Connecting Nodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

70

Deleting a Library . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

70

Ending a Netlist . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

70

Condition-Controlled Netlists (IF-ELSE). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

71

Using Subcircuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

73

Hierarchical Parameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
M (Multiply) Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
S (Scale) Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Using Hierarchical Parameters to Simplify Simulation . . . . . . . . . . .

74
74
75
76

Undefined Subcircuit Search (HSPICE). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

77

Troubleshooting Subcircuit Node Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

78

Subcircuit Call Statement Discrete Device Libraries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

79

DDL Library Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

79

Vendor Libraries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

80

Subcircuit Library Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

81

Post-Layout Back-Annotation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

82

Invoking Post-Layout Back-Annotation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
DSPF and SPEF File Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

82
84

Using Interactive Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

87

Invoking Interactive Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

87

Quitting Interactive Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

87

Executing an Interactive Script. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

87

Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

88

Getting Help . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

88

Creating a Netlist . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

88

Specifying an Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

89

Running an Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

89

Viewing a Netlist. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

89

Loading and Running an Existing Netlist . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

89

Using Environment Commands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

90


Contents

Recording and Saving Interactive Commands to a File . . . . . . . . . . . . . .

6.

7.

91

Printing a Voltage Value During Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

92

Using a Command File to Run HSPICE in Interactive Mode . . . . . . . . . .

93

Running Multiple Testcases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

94

HSPICE GUI for Windows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

95

Working with Designs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

95

Configuring the HSPICE GUI for Windows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

97

Launching Waveview in HSPUI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

98

Setting up Windows for Verilog-A. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

100

Running Multiple Simulations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

100

Building the Batch Job List. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

101

Simulating a Batch Job . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sample Batch Work-Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

102
102

Running Multi-Threading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

103

Metaencrypt and Converter Utilities, Client/Server Operation . . . . . . . . . . . . .

104

CMI Directory Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

104

Troubleshooting Guide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

104

Setting the hspui.cfg File Values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

104

Text Editor Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

105

Simulating a UNIX Netlist File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

106

Library and Data Encryption. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

107

Organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

107

Library Encryption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

107

Encrypting a Model Library Using the metaencrypt Utility . . . . . . . . . . . .

108

Three Encryption Methods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

109

Installing and Running metaencrypt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

109

Installing metaencrypt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

109

Running metaencrypt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

110

Encryption Guidelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

111

General Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

112

Traditional Library Encryption. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

114

Creating Files Using Traditional Encryption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Non-Library Encrypted Portions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
*.lib File Encryption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

115
115
115

vii


Contents

Example: Traditional (freelib) Encryption in an HSPICE Netlist . . . . . . . . . . . .

Part II:

8.

viii

116

8-Byte Key Encryption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

118

Creating 8-byte key Encryption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

119

Placing an 8-byte key Encrypted File into a HSPICE Netlist . . . . . . . . . .

119

Triple DES Public and Random Keys. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

120

Creating 3DES Encrypted Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

121

Placing 3DES Encryption Files into a HSPICE Netlist . . . . . . . . . . . . . . .

122

Troubleshooting Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

123

‘Bad encryption format’ or ‘version check failed’ error . . . . . . . . . . . . . . .

123

**warning** parameters... as an expression containing output signals . .

124

Elements and Devices

Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

127

Passive Elements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

127

Values for Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

128

Resistor Elements in a HSPICE or HSPICE RF Netlist . . . . . . . . . . . . . .
Linear Resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Behavioral Resistors in HSPICE or HSPICE RF . . . . . . . . . . . . . . .
Frequency-Dependent Resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Skin Effect Resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

128
131
132
132
133

Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Linear Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Frequency-Dependent Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Behavioral Capacitors in HSPICE or HSPICE RF . . . . . . . . . . . . . .

DC Block Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Charge-Conserved Capacitors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

134
136
138
139
139
139

Inductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Mutual Inductors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ideal Transformer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Linear Inductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Frequency-Dependent Inductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
AC Choke Inductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Reluctors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

141
144
146
148
149
150
150

Multi-Terminal Linear Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

153

W-element (Distributed Transmission Lines) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
W-element Statement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

154
154

U-element (Lumped Transmission Lines). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

158


Contents

9.

S-element (Generic Multiport). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Group Delay Handler in Time Domain Analysis . . . . . . . . . . . . . . . .
Preconditioning S-parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

160
160
161

Active Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

162

Diode Element . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

162

Bipolar Junction Transistor (BJT) Element . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

164

JFETs and MESFETs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

167

MOSFETs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

169

Extended MOSFET Element Support Using .OPTION MACMOD . . . . .
Direct X-Element Mapping to a MOSFET Model Card. . . . . . . . . . .

171
175

IBIS Buffers (HSPICE Only). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

176

Sources and Stimuli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

179

Independent Source Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

179

Source Element Conventions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

180

Independent Source Element Syntax. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

180

DC Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

183

AC Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

183

Transient Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

183

Mixed Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

184

Port Element . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

184

Independent Source Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

188

Trapezoidal Pulse Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

188

Sinusoidal Source Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

192

Exponential Source Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

196

Piecewise Linear Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
General Form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
MSINC and ASPEC Form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Data-Driven Piecewise Linear Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

199
199
199
201

Single-Frequency FM Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

202

Single-Frequency AM Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Pattern Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

204
207

Pseudo Random-Bit Generator Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Linear Feedback Shift Register . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Conventions for Feedback Tap Specification . . . . . . . . . . . . . . . . . .

211
213
214

Voltage and Current Controlled Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

215

Polynomial Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
One-Dimensional Function. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

216
217

ix


Contents

x

Two-Dimensional Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Three-Dimensional Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
N-Dimensional Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

218
219
220

Piecewise Linear Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

221

Power Sources. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

221

Independent Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Using the Keyword POWER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Power Calculation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Subcircuit Power Calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

222
222
224
224

Controlled Sources. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

225

Voltage-Dependent Voltage Sources — E-elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

225

Voltage-Controlled Voltage Source (VCVS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Linear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Polynomial (POLY) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Piecewise Linear (PWL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Multi-Input Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Delay Element . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Laplace Transform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Pole-Zero Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Frequency Response Table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Foster Pole-Residue Form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Behavioral Voltage Source (Noise Model) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ideal Op-Amp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ideal Transformer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
E-element Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

226
226
226
226
226
227
227
228
229
230
231

232
232
233

E-element Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ideal OpAmp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Voltage Summer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Polynomial Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zero-Delay Inverter Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Delayed and Inverted Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Differential Amplifiers and Opamp Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ideal Transformer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Voltage-Controlled Oscillator (VCO). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

235
235
236
236
236
236
237
237
237

Using the E-element for AC Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

239

Current-Dependent Current Sources — F-elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

240

Current-Controlled Current Source (CCCS) Syntax. . . . . . . . . . . . . . . . .
Linear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Polynomial (POLY) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Piecewise Linear (PWL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Multi-Input Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Delay Element . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

240
240
241
241
241
241


Contents

F-element Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
F-element Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

241
243

Voltage-Dependent Current Sources — G-elements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

244

Voltage-Controlled Current Source (VCCS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Linear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Polynomial (POLY) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Piecewise Linear (PWL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Multi-Input Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Delay Element . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Laplace Transform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Pole-Zero Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Frequency Response Table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Foster Pole-Residue Form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

245
245
245
245
246
246
246
246
246
246

Behavioral Current Source (Noise Model) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

246

Voltage-Controlled Resistor (VCR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Linear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Polynomial (POLY) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Piecewise Linear (PWL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Multi-Input Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

248
248
248
248
249

Voltage-Controlled Capacitor (VCCAP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
NPWL Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
PPWL Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
G-element Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

249
249
250
250

G-element Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Modeling Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Switch-Level MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Runtime Current Source with Equation Containing Output Variable
Voltage-Controlled Capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zero-Delay Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Delay Element . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Diode Equation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Diode Breakdown . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Triodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Behavioral Noise Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

253

253
254
254
255
255
255
255
256
256
256

Current-Dependent Voltage Sources — H-elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

256

Current-Controlled Voltage Source (CCVS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Linear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Polynomial (POLY) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Piecewise Linear (PWL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Multi-Input Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Delay Element . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

257
257
257
257
257
257

Specifying a Digital Vector File and Mixed Mode Stimuli . . . . . . . . . . . . . . . . .

261

xi


Contents

Commands in a Digital Vector File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

xii

261

Vector Patterns. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

261

Defining Tabular Data. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Input Stimuli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Expected Output. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Verilog Value Format . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Periodic Tabular Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

262
263
263
264
265

Waveform Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

266

Modifying Waveform Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

266

Using the Context-Based Control Option . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

267

Comment Lines and Line Continuations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

268

Parameter Usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
First Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Second Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Third Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

268
269
269
270

Digital Vector File Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

271

10. Parameters and Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

273

Using Parameters in Simulation (.PARAM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

273

Defining Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

273

Assigning Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Example: Modeling an eFuse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Inline Parameter Assignments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Parameters in Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

275
276
276
276

User-Defined Function Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

276

Predefined Analysis Function. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

277

Measurement Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

277

.PRINT and .PROBE Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

278

Multiply Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

278

Using Algebraic Expressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

278

Built-In Functions and Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

279

Parameter Scoping and Passing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

283

Library Integrity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

284

Reusing Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

285

Creating Parameters in a Library . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

285

String Parameter (HSPICE Only) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

287

String Parameters in Passive and Active Component Keywords . . . . . . .

288

Parameter Defaults and Inheritance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Parameter Passing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

289
291


Contents

Parameter Passing Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

292

11. Simulation Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

293

Overview of Output Statements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

294

Output Commands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

294

Output Variables. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

295

Displaying Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

296

.PRINT Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Statement Order. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

296
296

.PROBE Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

296

Using Wildcards in PRINT and PROBE Statements . . . . . . . . . . . . . . . .
Supported Wildcard Templates (HSPICE only) . . . . . . . . . . . . . . . .

297
297

Print Control Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Changing the File Descriptor Limit (HSPICE Only) . . . . . . . . . . . . .

298
298

Printing the Subcircuit Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

299

Selecting Simulation Output Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

300

DC and Transient Output Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Nodal Capacitance Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Nodal Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Current: Independent Voltage Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Current: Element Branches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Current: Subcircuit Pin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Power Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Wildcard Support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Print Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Diode Power Dissipation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
BJT Power Dissipation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
JFET Power Dissipation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
MOSFET Power Dissipation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

301
301
302
302
302
306
306
306
307
307
308
309
309

AC Analysis Output Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Nodal Capacitance Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Nodal Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Current: Independent Voltage Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Current: Element Branches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Current: Subcircuit Pin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Group Time Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Noise and Distortion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

310
311
311
313
313

314
314
315
315

Element Template Output (HSPICE Only) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

316

Specifying User-Defined Analysis (.MEASURE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

317

xiii


Contents

.MEASURE Statement Order. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

318

.MEASURE Parameter Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

318

FIND and WHEN Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

319

Equation Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

320

Average, EM_AVG, RMS, MIN, MAX, INTEG, and PP . . . . . . . . . . . . . .
Measuring Recovered Electromigration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

320
321

INTEGRAL Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

322

DERIVATIVE Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

322

ERROR Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Error Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

322
322

Expected State of Digital Output Signal (.DOUT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

324

Reusing Simulation Output as Input Stimuli (HSPICE Only) . . . . . . . . . . . . . .

326

Reusing the PAR(...) output as input to other elements . . . . . . . . . . . . . .

326

Output Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

328

Element Template Listings (HSPICE Only) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

329

Redirecting the Simulation Output Results Files to a Different Directory. . . . .

336

Using the HSPICE Output Converter Utility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

337

Converter Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

337

PSF Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

337

PWL/DATA/VEC Converter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Input Line Dependencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

338
341

Running the Converter Utility in Batch Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

341

Troubleshooting Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

342

Resolving Inductor/Voltage Source Loop Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

342

Voltage Source Missing Rising and Falling Edges . . . . . . . . . . . . . . . . .

343

Part III: Analyses

xiv

12. Initializing DC/Operating Point Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

347

Simulation Flow—Initialization and Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

347

DC Initialization and Operating Point Calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

350

.OP Statement — Operating Point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Output. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

351
352

Element Statement IC Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

352

Initial Conditions and UIC Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

353

.SAVE and .LOAD Statements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

354


Contents

.DC Statement—DC Sweeps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

354

Other DC Analysis Statements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

355

DC Initialization Control Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

356

Accuracy and Convergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

356

Accuracy Tolerances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

357

Accuracy Control Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

359

Autoconverge Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
DCON and GMINDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

359
360

Reducing DC Errors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

364

Shorted Element Nodes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

365

Inserting Conductance, Using DCSTEP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

365

Floating-Point Overflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

366

Diagnosing Convergence Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

367

Non-Convergence Diagnostic Table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

367

Traceback of Non-Convergence Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

369

Solutions for Non-Convergent Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Poor Initial Conditions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Inappropriate Model Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

PN Junctions (Diodes, MOSFETs, BJTs). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Convergence Failure: Too Many Current Probes in Netlist. . . . . . . .

369
369
370
372
374

13. Pole/Zero Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

375

Overview of Pole/Zero Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

375

Using Pole/Zero Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

376

Matrix Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

376

Muller Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

377

How HSPICE Calculates Poles and Zeros. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

377

Pole/Zero Analysis Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

378

Example 1 – Low-Pass Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

378

Example 2 – Kerwin’s Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

381

Example 3 – High-Pass Butterworth Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

382

Example 4 – CMOS Differential Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

383

Example 5 – Simple Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

386

Example 6— Active Low-Pass Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

387

References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

394

xv


Contents

xvi

14. Transient Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

395

Simulation Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

395

Overview of Transient Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

396

Data-Driven vs. Outer Parameter Sweeps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Data-Driven Sweep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Parameter Sweep. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sweeping Multiple Parameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Specifying Data Driven Timesteps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

397
397
397
398
399

Transient Analysis Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

399

Transient Analysis of an RC Network. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

400

Transient Analysis of an Inverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

402

Transient Control Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

403

Simulation Speed and Accuracy Using the RUNLVL Option . . . . . . . . . . . . . .

404

RUNLVL Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Interactions Between .OPTION RUNLVL and Other Options . . . . . .

405

406

Numerical Integration Algorithm Controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

408

Dynamic Check Using the .BIASCHK Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

410

Troubleshooting: Internal Timestep, Measurement Errors . . . . . . . . . . . . . . . .

412

Troubleshooting ‘Time step Too Small’ Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

413

Troubleshooting .MEASUREMENT Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

414

15. Spectrum Analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

417

Spectrum Analysis (Fourier Transform) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

417

Using the Fourier-Related Statements and Options . . . . . . . . . . . . . . . .

419

Fourier Accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

419

Fourier Equation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

419

.FFT Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

421

Using Windows in FFT Analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

422

Examining the FFT Output. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

426

Measuring FFT Output Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

428

AM Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

429

Graphical Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

430

Balanced Modulator and Demodulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

432

Signal Detection Test Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

437

Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

437


Contents

References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

443

16. AC Small-Signal and Noise Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

445

Using the .AC Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

445

.AC Control Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.AC Command Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

446
446

AC Small Signal Analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

447

AC Analysis of an RC Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

449

Using .NOISE for Small-Signal Noise Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

452

Other AC Analysis Statements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

455

Using .DISTO for Small-Signal Distortion Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . .

456

Using .SAMPLE for Noise Folding Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

456

17. Linear Network Parameter Analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

457

.LIN Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

457

Identifying Ports with the P-element. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

458

Using the P-element for Mixed-Mode Measurement . . . . . . . . . . . . . . . .

458

.LIN Input Syntax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

459

.LIN Output Syntax. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.PRINT and .PROBE Statements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Hybrid Parameter Calculations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

459
460
462

Multi-Port Scattering (S) Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

463

Two-Port Transfer and Noise Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Equivalent Input Noise Voltage and Current. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Equivalent Noise Resistance and Conductance . . . . . . . . . . . . . . .
Noise Correlation Impedance and Admittance. . . . . . . . . . . . . . . . .
Optimum Matching for Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Noise Figure and Minimum Noise Figure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Associated Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Output Format for Group Delay in .sc* Files. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Output Format for Two-Port Noise Parameters in .sc* Files . . . . . . .

464
464
465
465
465
465
466
466
466

Noise Parameters in 2-Port and N-Port Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . .

467

Hybrid (H) Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

468

Group Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

469

Additional Measurements From .LIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

470

Impedance Characterizations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

470

Stability Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

471

xvii


Contents

Gain Measurements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

xviii

471

Matching for Optimal Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

471

Noise Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

471

Two-Port Transfer and Noise Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

472

Output Format for Two-Port Noise Parameters in .sc* Files. . . . . . . . . . .
VSWR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ZIN(i) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
YIN(i) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
K_STABILITY_FACTOR (Rollett Stability Factor) . . . . . . . . . . . . . . .
MU_STABILITY_FACTOR (Edwards-Sinsky Stability Factor) . . . . .
Maximum Available Power Gain—G_MAX. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Maximum Stable Gain - G_MSG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Maximum Unilateral Transducer Power Gain —G_TUMAX . . . . . . .
Unilateral Power Gain—GU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Simultaneous Conjugate Match for G_MAX. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Equivalent Input Noise Voltage and Current—IN2, VN2, RHON . . .
Equivalent Noise Resistance and Conductance—RN, GN . . . . . . .
Noise Correlation Impedance and Admittance—ZCOR, YCOR. . . .
ZOPT, YOPT, GAMMA_OPT – Optimum Matching for Noise. . . . . .
Noise Figure and Noise Figure Minimum—NF, NFMIN . . . . . . . . . .
Associated Gain—G_As. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

472
473
473
473
474
474
474
475
475
475
476
477
477
478
478
478
479

Extracting Mixed-Mode Scattering (S) Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

480

Defaults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

481

Output File Formats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

481

Two-Port Parameter Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

482

Output Format and Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

483

Features Supported . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

483

Prerequisites and Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

484

Reported Statistics for the Performance Log (HSPICE RF Only) . . . . . .

484

Errors and Warnings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Via Modeling for PCBs in HSPICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

485
485

References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

487

18. Statistical Eye Analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

489

Statistical Eye Analysis Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

489

Input Syntax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

490

.Print and .Probe Syntax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

491

.Measure Syntax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

492

Output Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Probing Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

493
493


Contents

Printing Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Measurement Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

493
494

Examples, Statistical Analysis Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

494

Known Limitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

494

19. Timing Analysis Using Bisection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

495

Overview of Bisection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

495

Bisection Methodology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

498

Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

498

Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

498

Using Bisection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

498

Examining the Command Syntax. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Performing Transient Analyses with Bisections . . . . . . . . . . . . . . . .

500
501

Setup Time Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

502

Input Listing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

502

Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

505

Minimum Pulse Width Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

506

Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

507

Pushout Bisection Methodology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

507

20. Analyzing Variability and Using the Variation Block . . . . . . . . . . . . . . . . .

511

Overview of Variation on Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

511

Defining Variability in HSPICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

513

Overview of the Variation Block . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

514

Variation Block Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

515

General Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

516

Subblocks for Global, Local and Spatial Variations . . . . . . . . . . . . . . . . .
Independent Random Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Dependent Random Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Absolute Versus Relative Variation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Variations on Model Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Variations on Subcircuit Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Variations of Element Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Access Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Spatial Variation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

517
517
518
519
520
521
524
527
528

Special Rules Regarding Variation Block Usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

529

xix


Contents

xx

Variation Block Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

529

Group Operator {...} and Subexpressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

531

Syntax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Syntax Extension with Bins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Rules for Using the Group Operator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

531
531
532
532

Interconnect Variation in Star-RCXT with the HSPICE Flow . . . . . . . . . . . . . .

533

Variation Block and Statistical Sensitivity Coefficients . . . . . . . . . . . . . . .

534

Usage Example and Input Syntax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1: Interconnect Variation Block. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2: Model Card in the Header Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3: Parasitic Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

535
535
537
537

Control Options and Syntax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

538

References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

540

21. Monte Carlo Analysis Using the Variation Block Flow . . . . . . . . . . . . . . . .

541

Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

541

Monte Carlo Analysis in HSPICE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

543

Input Syntax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

544

Monte Carlo-Specific Variation Block Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

546

Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

547

Sampling Options. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

551

Factorial Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

551

One-Factor-at-a-Time Sampling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

552

Latin Hypercube Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

553

External Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Usage Model for External Sampling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Syntax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

554
554
555

Application Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

555

Known Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

556

One Dimensional Monte Carlo Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

556

Troubleshooting Monte Carlo Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

556

Independent Random Variable Assignments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

556

References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

559


Contents

22. Mismatch Analyses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

561

Mismatch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

561

DCMatch Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

562

Input Syntax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

563

DCMatch Table Output. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

564

Output Using .PROBE and .MEASURE Commands . . . . . . . . . . . . . . . .
Syntax for .PROBE Command for DCMatch . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Syntax for .MEASURE Command . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

566
566
567

DCMatch Example Netlist . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

568

ACMatch Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

569

Input Syntax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

570

ACMatch Table Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Output from .PROBE and .MEASURE Commands for ACMatch . . .

571
572

Application Considerations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

574

Mismatch Compared to Monte Carlo Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

575

References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

576

23. Exploration Block . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

577

Exploration Block Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

577

Usage Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

578

Multiple Instantiations of the Same Cell or Subcircuit . . . . . . . . . . . . . . .

578

Specifying Relationships between Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

579

Specifying Relationships between Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Subcircuits and Elements Supported for Exploration . . . . . . . . . . . .

579
580

Flow Using an External Exploration Tool . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

581

Export Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

581

Definition Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

582

Exploration Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

582

Netlist Export . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

583

Exploration Block Syntax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

584

Syntax Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Exploration Block Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Parameters Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Device Relationships . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Secondary Element Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Secondary Device Parameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Same-Circuit Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

584
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587
588
588

xxi


Contents

Derived Device Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Parameters Defined Outside the Exploration Block . . . . . . . . . . . .

589
589

Area Measurement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Rules for Area Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

589
590

Processing Netlist Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

591

Export File Syntax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

592

Syntax Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

592

Executing Exploration in HSPICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

593

EXCommand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Option:
Export . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Data
Block. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Action
594

xxii

Exploration Data Block Syntax. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

594

Exploration Block Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

595

Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

595

Netlist Export . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

595

24. Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

597

Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

597

Optimization Control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

598

Simulation Accuracy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

598

Curve Fit Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

599

Goal Optimization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

599

Timing Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

600

Optimization Statements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

600

Optimizing Analysis (.DC, .TRAN, .AC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

601

Optimization Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

602

MOS Level 3 Model DC Optimization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Input Netlist File for Level 3 Model DC Optimization . . . . . . . . . . . .

602
603

MOS Level 13 Model DC Optimization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
DC Optimization Input Netlist File for Level 13 Model . . . . . . . . . . .

605
605

RC Network Optimization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Optimization Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Optimized Parameters OPTRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

606
606
608

Optimizing CMOS Tristate Buffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Input Netlist File to Optimize a CMOS Tristate Buffer. . . . . . . . . . . .

609
610

BJT S-parameters Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

612

BJT Model DC Optimization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

614


Contents

Optimizing GaAsFET Model DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

616

Optimizing MOS Op-amp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

617

25. RC Reduction and Post-Layout Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

621

Linear Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

621

PACT Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

623

PI Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

623

Linear Acceleration Control Options Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

624

Supporting Parasitic L- and K-elements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

625

26. MOSFET Model Reliability Analysis (MOSRA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

627

Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

627

Usage Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Example Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

627
628

.MOSRA, .MOSRAPRINT, .MODEL, and .APPENDMODEL Commands . . . .

629

.MOSRA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

629

.MOSRAPRINT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

634

.MODEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Synopsys LEVEL1 mosra model, NBTI for PMOS . . . . . . . . . . . . .
Synopsys LEVEL1 mosra model, HCI for NMOS and PMOS . . . . .

634
636
640

.APPENDMODEL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.OPTION APPENDALL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

641
642

Simulation Output File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

643

RADEG Output Sorting (.OPTION MOSRASORT) . . . . . . . . . . . . . . . . .

644

Known Limitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

644

Part IV: Simulation Applications

27. Performing Digital Cell Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

647

Performing Basic Cell Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

648

Rise, Fall, and Delay Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

648

Delay versus Fanout. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

651

Pin Capacitance Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

652

Op-amp Characterization of LM124 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

653

Performing Advanced Cell Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

654

xxiii


Contents

xxiv

Cell Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

656

28. Behavioral Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

661

Behavioral Design Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

662

Using Behavioral Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

662

Controlled Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

664

Libraries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

664

Voltage and Current Controlled Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

664

Modeling with Digital Behavioral Components. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

665

Behavioral AND and NAND Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

665

Behavioral D-Latch. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

665

Behavioral Double-Edge Triggered Flip-Flop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

667

Calibrating Digital Behavioral Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

669

Building Behavioral Lookup Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Subcircuit Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Behavioral N-Channel MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Creating a Behavioral Inverter Lookup Table . . . . . . . . . . . . . . . . . .

669
670
670
671

Optimizing Behavioral CMOS Inverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

673

Optimizing Behavioral Ring Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Example Five-Stage Ring Oscillator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

675
675

Analog Behavioral Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

675

Behavioral Differentiator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

677

Ideal Transformer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

678

Behavioral Amplitude Modulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

679

Behavioral Data Sampler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

680

Op-Amps, Comparators, and Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

680

741 Op-Amp from Controlled Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

680

Inverting Comparator with Hysteresis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

683

Voltage-Controlled Oscillator (VCO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

684

LC Oscillator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

686

Phase-Locked Loops (PLL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

689

Phase Detector, with Multi-Input NAND Gates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

689

Phase Locked Loop Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

690

References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

694


Contents

29. Modeling Filters and Networks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

695

Transient Modeling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

695

Using G- and E-elements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

696

Laplace Transform Function Call . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

696

Element Statement Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

699

Z Transform Function Call . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

700

G- and E-element Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

701

Laplace Band-Reject Filter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

701

Laplace Low-Pass Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

703

Circular Convolution Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30-Degree Phase Shift Circuit File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

705
706
706

Laplace and Pole-Zero Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

707

Laplace Transform (LAPLACE) Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
General Form of the Transfer Function. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Finding the Transfer Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Determining the Laplace Coefficients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

707
707
708
711

Laplace Transform POLE (Pole/Zero) Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
POLE Function Call . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
General Form of the Transfer Function. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Reduced Form of the Transfer Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
RC Line Modeling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

715
715
715
716
719

AWE Transfer Function Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

721

Y-parameter Line Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

723

Comparison of Circuit and Pole/Zero Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Simulation Time Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

726
726

Modeling Switched Capacitor Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

729

Switched Capacitor Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

729

Switched Capacitor Filter Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

730

Input File for Switched Capacitor Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

732

References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

734

30. Simulation of Random Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

735

Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

735

Characteristics of Random Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

736

Probability Distribution Function versus Power Spectral Density . . . . . . .

736

Multiple Noise Sources in a Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

739

xxv