基于SPICE、SPECTRE与Fast-SPICE的电路及显示面板快速仿真原理

本书是基于作者多年的电路和显示面板仿真设计经验编写而成的。本书详细阐述了以SPICE为代表的电路仿真器的发展过程，以及仿真原理和技术。全书共6章。第1章阐述了电路仿真器SPICE的发展历程，及其在电路和面板仿真领域的应用情况。第2章分析并阐述了SPICE在进行电路仿真过程中所要经历的流程，以及需要建立并求解的方程组，包括针对电路连接特性所建立的方程组，以及用于描述器件电学特性的模型方程组。第3章主要阐述了SPICE在进行电路的直流、交流或瞬态分析的时候，所采用的数值计算方法。第4章主要阐述了SPICE仿真的收敛性、精度和速度。第5章专门针对目前电路仿真领域发展比较快的Fast-SPICE的快速仿真原理进行了较为深入的介绍。第6章对目前常用的SPICE及SPECTRE电路仿真的语法进行了较为详细的说明。本书适合显示面板设计及电路设计的相关从业人员阅读，也可以作为微电子相关专业的学生或研究人员的学习参考书。

雷东，内蒙古包头市人，毕业于浙江大学材料系硅材料国家重点实验室，研究领域为半导体硅材料。

第1章 SPICE的发展及其在显示面板设计中的应用 1
1.1 SPICE的发展 1
1.2 SPICE在显示面板设计中的应用 3
参考文献 7
第2章 电路的SPICE仿真流程与方程的建立 8
2.1 电路的SPICE仿真流程 8
2.2 节点分析法 10
2.2.1 线性电阻 11
2.2.2 电容 11
2.2.3 电感 12
2.2.4 独立的电流源 12
2.3 改进的节点分析法 15
2.3.1 独立电压源 16
2.3.2 压控电压源（VCVS） 17
2.3.3 压控电流源（VCCS） 18
2.3.4 流控电压源（CCVS） 19
2.3.5 流控电流源（CCCS） 19
2.4 器件模型与模型方程 20
2.4.1 线性电阻 21
2.4.2 电容 22
2.4.3 电感 23
2.4.4 独立电流源 24
2.4.5 独立电压源 25
2.4.6 压控电流源 25
2.4.7 二极管 26
2.4.8 场效应晶体管（MOSFET） 32
2.4.9 薄膜晶体管（TFT）的SPICE模型 38
参考文献 39
第3章 电路的SPICE分析 41
3.1 直流（DC）分析 41
3.1.1 线性电路的直流分析 42
3.1.2 非线性电路的直流分析 44
3.2 交流（AC）分析 51
3.3 瞬态（Tran）分析 52
3.3.1 欧拉法 52
3.3.2 欧拉法的截断误差 54
3.3.3 欧拉法的稳定性 55
3.3.4 梯形法及其稳定性 56
3.3.5 Gear法及其稳定性 58
3.3.6 对储能元件的分析 59
参考文献 60
第4章 SPICE仿真的收敛性、精度、速度与Fast-SPICE 61
4.1 SPICE仿真的收敛性 61
4.1.1 直流仿真的收敛性 62
4.1.2 交流仿真的收敛性 70
4.1.3 瞬态仿真的收敛性 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 瞬态仿真的精度 75
4.3 SPICE仿真的速度与Fast-SPICE 80
4.3.1 稀疏矩阵技术 80
4.3.2 器件模型的处理 82
4.3.3 计算方法 84
4.3.4 快速仿真器Fast-SPICE 86
参考文献 88
第5章 Fast-SPICE仿真原理 89
5.1 电路分割（Circuit Partition） 89
5.1.1 电路分割的原则 89
5.1.2 对功率网络的划分 90
5.1.3 对晶体管栅极连接点的划分 92
5.1.4 对理想电压源的划分 92
5.2 Fast-SPICE中电路的层次仿真（Hierarchical Simulation） 94
5.2.1 层次仿真的基本概念 94
5.2.2 层次仿真中的节点 98
5.2.3 层次仿真中电路的存储方式 98
5.2.4 等效阻抗分割法 99
5.2.5 基于分割电路的层次仿真 103
5.3 寄生RC网络的压缩 118
参考文献 122
第6章 SPICE及SPECTRE电路仿真的语法 123
6.1 SPICE及SPECTRE电路仿真网表的结构 123
6.2 控制语句 127
6.2.1 电路初始条件控制 128
6.2.2 选项设置（OPTIONS） 128
6.3 器件（元件）及器件模型的SPICE语法 129
6.3.1 电源 129
6.3.2 器件 140
6.3.3 器件模型 150
6.4 参数与表达式 153
6.5 宏模型与子电路 154
6.6 电路分析的SPICE语法 156
6.7 仿真结果输出的SPICE语法 158
参考文献 162

半导体制造领域的成本投入是十分可观的。不论是制造设备的成本，还是原材料的成本，或是人力成本的投入，都是巨大的。因此，对利润的把控，就不能仅仅局限在终的产品质量上，而是应该关注产品制造的每一个环节。集成电路或显示面板的设计，通常会存在一些不确定因素，使得设计出来的产品和制造出来的产品之间，总是存在着或大或小的差异。这种差异，有时候可能是正面的，更多时候，制造出来的产品会相对设计时要求的性能变差，导致产品优良率下降。如果在这个时候才发现了问题并进行修正，会延长产品的生产周期，并会造成生产资源的极大浪费，终导致生产成本增加。因此，在产品设计的阶段，就要尽可能地减少由于设计所引入的不确定因素。而这种“减少”，一方面需要相关的设计人员具有较好的专业训练；另一方面，需要有力的验证手段来验证设计结果，SPICE仿真便是其中之一。

对于集成电路和显示面板的设计来说，在正式生产之前，把相关的电路及器件的电学特性，通过SPICE在计算机中进行仿真，可以根据仿真结果，验证所设计的电路功能或逻辑是否能够通过现有的产品实现。此外，通过仿真不同工艺条件下的器件特性，也可以在一定程度上反映工艺变化对产品功能的影响。然后，设计人员可以根据这些结果，逐步修正产品设计。笼统地讲，通过SPICE进行的器件和电路仿真，是将产品的设计结果在计算机中，以“虚拟”的方式仿真一遍，并根据仿真结果，验证电路或显示面板设计的合理性。对于大规模的集成电路，以往的仿真是针对某些电路单元的逻辑和功能进行的。对于显示面板，同样也只是对驱动电路中的某些单元，或者像素电路中的某几行进行仿真。之所以在SPICE中，只对某些电路单元进行仿真，是因为目前的SPICE的仿真能力还不足以实现对整个电路，或者全显示面板的快速仿真。因此，Fast-SPICE技术应运而生。

本书由雷东、罗晶编著。合肥方显示技术有限公司的廖燕平先生审阅了本书的全稿，并提出了很多宝贵的意见。借此机会，作者一并向北京大学信息工程学院的张盛东教授、林信南副教授，以及香港科技大学的陈文新教授说一声谢谢。感谢他们在平时的工作中和我们进行的讨论。Cadence电子科技有限公司的陈伟先生也为本书的出版提出了很多宝贵的意见。此外，深圳市视显光电技术有限公司对本书的出版给予了很大的支持，在此一并表示感谢！

由于作者水平有限，书中若有不妥之处，还请各位同行多多批评指正。

 

编著者 

                                            
2017年7月