內容簡介

本書是基於作者多年的電路和顯示麵闆仿真設計經驗編寫而成的。本書詳細闡述瞭以SPICE為代錶的電路仿真器的發展過程，以及仿真原理和技術。全書共6章。第1章闡述瞭電路仿真器SPICE的發展曆程，及其在電路和麵闆仿真領域的應用情況。第2章分析並闡述瞭SPICE在進行電路仿真過程中所要經曆的流程，以及需要建立並求解的方程組，包括針對電路連接特性所建立的方程組，以及用於描述器件電學特性的模型方程組。第3章主要闡述瞭SPICE在進行電路的直流、交流或瞬態分析的時候，所采用的數值計算方法。第4章主要闡述瞭SPICE仿真的收斂性、精度和速度。第5章專門針對目前電路仿真領域發展比較快的Fast-SPICE的快速仿真原理進行瞭較為深入的介紹。第6章對目前常用的SPICE及SPECTRE電路仿真的語法進行瞭較為詳細的說明。本書適閤顯示麵闆設計及電路設計的相關從業人員閱讀，也可以作為微電子相關專業的學生或研究人員的學習參考書。

作者簡介

雷東，內濛古包頭市人，畢業於浙江大學材料係矽材料國傢重點實驗室，研究領域為半導體矽材料。

目錄

第1章 SPICE的發展及其在顯示麵闆設計中的應用 1
1．1 SPICE的發展 1
1．2 SPICE在顯示麵闆設計中的應用 3
參考文獻 7
第2章 電路的SPICE仿真流程與方程的建立 8
2．1 電路的SPICE仿真流程 8
2．2 節點分析法 10
2．2．1 綫性電阻 11
2．2．2 電容 11
2．2．3 電感 12
2．2．4 獨立的電流源 12
2．3 改進的節點分析法 15
2．3．1 獨立電壓源 16
2．3．2 壓控電壓源（VCVS） 17
2．3．3 壓控電流源（VCCS） 18
2．3．4 流控電壓源（CCVS） 19
2．3．5 流控電流源（CCCS） 19
2．4 器件模型與模型方程 20
2．4．1 綫性電阻 21
2．4．2 電容 22
2．4．3 電感 23
2．4．4 獨立電流源 24
2．4．5 獨立電壓源 25
2．4．6 壓控電流源 25
2．4．7 二極管 26
2．4．8 場效應晶體管（MOSFET） 32
2．4．9 薄膜晶體管（TFT）的SPICE模型 38
參考文獻 39
第3章 電路的SPICE分析 41
3．1 直流（DC）分析 41
3．1．1 綫性電路的直流分析 42
3．1．2 非綫性電路的直流分析 44
3．2 交流（AC）分析 51
3．3 瞬態（Tran）分析 52
3．3．1 歐拉法 52
3．3．2 歐拉法的截斷誤差 54
3．3．3 歐拉法的穩定性 55
3．3．4 梯形法及其穩定性 56
3．3．5 Gear法及其穩定性 58
3．3．6 對儲能元件的分析 59
參考文獻 60
第4章 SPICE仿真的收斂性、精度、速度與Fast-SPICE 61
4．1 SPICE仿真的收斂性 61
4．1．1 直流仿真的收斂性 62
4．1．2 交流仿真的收斂性 70
4．1．3 瞬態仿真的收斂性 70
4．2 SPICE仿真的精度 73
4．2．1 直流仿真的精度 73
4．2．2 交流仿真的精度 75
4．2．3 瞬態仿真的精度 75
4．3 SPICE仿真的速度與Fast-SPICE 80
4．3．1 稀疏矩陣技術 80
4．3．2 器件模型的處理 82
4．3．3 計算方法 84
4．3．4 快速仿真器Fast-SPICE 86
參考文獻 88
第5章 Fast-SPICE仿真原理 89
5．1 電路分割（Circuit Partition） 89
5．1．1 電路分割的原則 89
5．1．2 對功率網絡的劃分 90
5．1．3 對晶體管柵極連接點的劃分 92
5．1．4 對理想電壓源的劃分 92
5．2 Fast-SPICE中電路的層次仿真（Hierarchical Simulation） 94
5．2．1 層次仿真的基本概念 94
5．2．2 層次仿真中的節點 98
5．2．3 層次仿真中電路的存儲方式 98
5．2．4 等效阻抗分割法 99
5．2．5 基於分割電路的層次仿真 103
5．3 寄生RC網絡的壓縮 118
參考文獻 122
第6章 SPICE及SPECTRE電路仿真的語法 123
6．1 SPICE及SPECTRE電路仿真網錶的結構 123
6．2 控製語句 127
6．2．1 電路初始條件控製 128
6．2．2 選項設置（OPTIONS） 128
6．3 器件（元件）及器件模型的SPICE語法 129
6．3．1 電源 129
6．3．2 器件 140
6．3．3 器件模型 150
6．4 參數與錶達式 153
6．5 宏模型與子電路 154
6．6 電路分析的SPICE語法 156
6．7 仿真結果輸齣的SPICE語法 158
參考文獻 162

前言/序言

半導體製造領域的成本投入是十分可觀的。不論是製造設備的成本，還是原材料的成本，或是人力成本的投入，都是巨大的。因此，對利潤的把控，就不能僅僅局限在最終的産品質量上，而是應該關注産品製造的每一個環節。集成電路或顯示麵闆的設計，通常會存在一些不確定因素，使得設計齣來的産品和製造齣來的産品之間，總是存在著或大或小的差異。這種差異，有時候可能是正麵的，更多時候，製造齣來的産品會相對設計時要求的性能變差，導緻産品優良率下降。如果在這個時候纔發現瞭問題並進行修正，會延長産品的生産周期，並會造成生産資源的極大浪費，最終導緻生産成本增加。因此，在産品設計的階段，就要盡可能地減少由於設計所引入的不確定因素。而這種“減少”，一方麵需要相關的設計人員具有較好的專業訓練；另一方麵，需要有力的驗證手段來驗證設計結果，SPICE仿真便是其中之一。

對於集成電路和顯示麵闆的設計來說，在正式生産之前，把相關的電路及器件的電學特性，通過SPICE在計算機中進行仿真，可以根據仿真結果，驗證所設計的電路功能或邏輯是否能夠通過現有的産品實現。此外，通過仿真不同工藝條件下的器件特性，也可以在一定程度上反映工藝變化對産品功能的影響。然後，設計人員可以根據這些結果，逐步修正産品設計。籠統地講，通過SPICE進行的器件和電路仿真，是將産品的設計結果在計算機中，以“虛擬”的方式仿真一遍，並根據仿真結果，驗證電路或顯示麵闆設計的閤理性。對於大規模的集成電路，以往的仿真是針對某些電路單元的邏輯和功能進行的。對於顯示麵闆，同樣也隻是對驅動電路中的某些單元，或者像素電路中的某幾行進行仿真。之所以在SPICE中，隻對某些電路單元進行仿真，是因為目前的SPICE的仿真能力還不足以實現對整個電路，或者全顯示麵闆的快速仿真。因此，Fast-SPICE技術應運而生。

本書由雷東、羅晶編著。閤肥京東方顯示技術有限公司的廖燕平先生審閱瞭本書的全稿，並提齣瞭很多寶貴的意見。藉此機會，作者一並嚮北京大學信息工程學院的張盛東教授、林信南副教授，以及香港科技大學的陳文新教授說一聲謝謝。感謝他們在平時的工作中和我們進行的討論。Cadence電子科技有限公司的陳偉先生也為本書的齣版提齣瞭很多寶貴的意見。此外，深圳市視顯光電技術有限公司對本書的齣版給予瞭很大的支持，在此一並錶示感謝！

由於作者水平有限，書中若有不妥之處，還請各位同行多多批評指正。

編著者

2017年7月