2.7
高阶仿真功能与实例

Spectre可以进行FFT分析与蒙特卡洛分析等高阶仿真，这些仿真功能在分析信号的频谱与偏差中具有很好的应用，本书对这两种功能的使用方法进行介绍。

2.7.1 FFT仿真

对于一些特定的电路来说，无法仅通过静态仿真来判断其功能是否达标，因此还需要进行动态仿真，通过FFT分析信号的频谱能很好地反映信号的特点，对信号功率进行清晰的表示。本节以栅压自举开关的仿真来举例说明，以FFT的结果来分析栅压自举开关的动态特性，栅压自举开关电路图如图2.44所示，开关符号图如图2.45所示。

1）首先，我们需要为栅压自举开关建立一个仿真电路，在命令行窗口工具栏选择File→New→Cellview命令，弹出“Creat New File”对话框，输入“switch_fft_test”，单击“OK”按钮，此时原理图设计窗口自动打开。按键盘上的“I”键弹出对话框，单击“Browse”按钮调入栅压自举开关的符号图，调入analogLib的理想电压源vdc、vsin、vpulse、电容cap（3p）以及vdd和gnd，连接成如图2.46所示的FFT仿真电路图，单击调入的器件，按“Q”键可以调节器件的参数，由Fin=（M/N）·Fs，选取1024个点做FFT，即N=1024，为防止重复采样，选择质数M=17，经验证M与N互质，满足FFT算法，Fs为1MHz，输入信号频率Fin=16.601kHz，仿真时间设置1100μs。所以如图所示设置vdc为1.2V。设置vsin参数如图2.47所示，设置频率为16.601kHz。设置vpulse参数如图2.48所示，设置频率为1MHz，占空比为90%。

2）在完成仿真电路设计以后，在电路图工具栏中选择“Check and Save”对电路进行检查和保存，再选择Launce→ADE L命令，弹出窗口。在工具栏中选择Setup→Model Libraries命令，设置工艺库模型信息和工艺角（一般来说工艺库自动添加，需要打开确认），如图2.49所示。

3）对电路进行瞬态仿真。选择Analyses→Choose命令，弹出对话框，选择“tran”进行瞬态仿真。设置Stop Time为1.1m，单击“OK”按钮，完成设置（见图2.50）。选择Outputs→To Be Plotted→Select On Design命令，弹出电路图，在电路图中选择需要的导线。如图2.51所示，完成设置。

4）选择Simulation→Netlist and Run命令，进行仿真，得到仿真结果如图2.52所示。选择vout曲线，选择Measurements→Spectrum命令，弹出对话框。如图2.53所示，设置取点的起始和结束时间，设置取点数量，选择“Hanning”，单击“S”按钮确定Star/End Freq，单击“Plot”按钮就可以得到仿真结果。图2.53显示ENOB为12.664892，SNR为78.00，SFDR为80.34。图2.54为FFT仿真结果。

2.7.2 Monte Carlo仿真

Monte Carlo分析是一种器件参数变化分析，使用随机抽样统计来估算数学函数的计算方法。它需要一个良好的随机数源。这种方法往往包含一些误差，但是随着随机抽取样本数量的增加，结果也会越来越准确。

如图2.55所示，矩形框四个角和中心表示5个不同工艺角的覆盖范围，而灰色填充表示用Monte Carlo分析得到的实际电路工艺偏差（一般满足高斯分布）。从图2.55中可以看出，满足工艺角变化的范围不一定能完全满足覆盖实际工艺角变化范围，因此要用Monte Carlo分析得到工艺角变化的概率，以得到电路的良率。

Monte Carlo分析是基于统计分析，需要Foundry提供关于工艺变化分布概率，因此首先需要检查工艺文件是否支持Monte Carlo分析。仿真前，更改对应的器件模型section。如SMIC 55nm下的MOS管为mis_ckt。

进行Monte Carlo分析首先需要搭建基本仿真电路，如tran仿真，这里以比较器为例。

1）仿真电路搭建。与前面类似，在Cadence中建立Schematic电路图（应用mis_ckt型号的MOS管），并搭建仿真电路，如图2.56所示。

2）建立瞬态仿真。与前面介绍瞬态仿真一样，这里打开ADE窗口设置200μs的瞬态仿真时间，如图2.57所示。需要注意的是，由于Monte Carlo仿真与普通仿真用到的Model Libraries的Section不一致，需要将其改为带_mc结尾的Section，如图2.58所示。

3）打开ADE XL设置Mento Carlo仿真。如图2.59所示，打开ADE XL，打开之后如图2.60所示，单击箭头所指处选择Monte Carlo Sampling。

单击图2.61中箭头处带齿轮图标调出Monte Carlo设置界面。

Monte Carlo设置界面如图2.62所示，Statistical Variation可选择随机误差来源，Number of Points是随机抽取样本数量，Results Database Save Options根据Statistical Variation来选择，选择哪种就保存哪种。Monte Carlo Seed是随机数种子，这保证了仿真可重复，相同的Seed可以保证每次生成的随机是相同的。最下面的Specify Instances/Devices（Not Specified）可以设置对特定器件的Monte Carlo仿真。

4）仿真。仿真设置好之后单击图2.63中圆形图标开始仿真，需要注意的是对仿真结果需要选择Save，仅仅选择Plot，仿真结束会出现不出波形的情况。

仿真开始后，会自动跳到Results界面，单击图2.64中的Yield，选择Detail，得到如图2.65所示的界面，表明仿真在进行中，待仿真结束之后单击Replace左边的图形，可以将仿真结果Plot出来，这里得到的结果是所设置的失配总数所对应的仿真结果，能够直观地看出不同失配条件对应的不同的电路表现结果，如要对仿真数据进行系统的分析，则需要将仿真文件夹中的psf文件导出，应用MATLAB等工具处理数据。