EDA TOOLS — SIMULATION

SPICE Simulation:
SPICE Simulation สำหรับวงจร IC

SIMULATION

01 บทนำ: SPICE คืออะไร

SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) คือซอฟต์แวร์จำลองวงจรไฟฟ้าที่เป็นมาตรฐานอุตสาหกรรม ถูกพัฒนาครั้งแรกที่ UC Berkeley ในปี 1973

SPICE ใช้ Modified Nodal Analysis (MNA) ในการสร้าง matrix equation ของวงจร แล้ว solve ด้วย Newton-Raphson iteration

เครื่องมือ SPICE ที่นิยม
Cadence Spectre, Synopsys HSPICE, Mentor Eldo, LTspice (free), ngspice (open-source)

📍 CAREER ROADMAP CONTEXT

STAGE 01 — FOUNDATION: Semiconductor & Circuit Fundamentals
เข้าใจ band theory, PN junction, MOSFET I-V characteristics, threshold voltage, carrier transport — พื้นฐานที่ทุก IC designer ต้องรู้
Tools: LTspice / Cadence Spectre (SPICE simulation)
Related: Device Physics · MOSFET Fundamentals · CMOS Logic Basics
Path: IC Design Engineer

02 DC Analysis

DC Analysis หา operating point ของวงจรโดยแก้ nonlinear KCL equations ที่ steady state — ใช้ Newton-Raphson convergence

DC Sweep: กวาด input voltage/current แล้วพล็อต output — ได้ VTC curve ของ inverter, I-V ของ MOSFET

Operating Point (.op): คำนวณ DC bias ทุก node ในวงจร — จำเป็นก่อน AC analysis

03 AC Analysis

AC Analysis linearize วงจรรอบ operating point แล้วหา frequency response — ได้ Bode plot (gain & phase vs frequency)

TRANSFER FUNCTION

$$ H(j\omega) = \frac{V_{out}(j\omega)}{V_{in}(j\omega)} $$

ใช้วิเคราะห์ bandwidth, gain margin, phase margin ของ amplifier/filter

04 Transient Analysis

Transient Analysis จำลองวงจรในโดเมนเวลา — solve differential equations ด้วย numerical integration (Backward Euler, Trapezoidal)

ใช้ดู: switching waveform, propagation delay, rise/fall time, overshoot, settling time, eye diagram

Timestep Control: adaptive timestep สำคัญมาก — timestep เล็กเกินช้า ใหญ่เกินไม่แม่น

05 Monte Carlo & Corner Analysis

Monte Carlo: สุ่ม parameter (V_T, t_ox, W, L) ตาม distribution แล้วรัน simulation หลายร้อย-พันรอบ — ดู yield distribution

Process Corner: TT (typical), FF (fast-fast), SS (slow-slow), FS, SF — จำลอง worst-case ของ fabrication variation

BSIM Model: industry-standard MOSFET model (BSIM4, BSIM-CMG สำหรับ FinFET) — มี parameter หลายร้อยตัวที่ foundry จัดให้ใน PDK

06 SPICE Netlist & Syntax

* CMOS Inverter SPICE Netlist
.include "ptm_45nm.lib"

M1 out in vdd vdd PMOS W=200n L=45n
M2 out in gnd gnd NMOS W=100n L=45n

Vdd vdd 0 DC 1.0
Vin in 0 PULSE(0 1.0 0 10p 10p 500p 1n)

.tran 10p 2n
.measure tran tpd TRIG v(in) VAL=0.5 RISE=1
+                  TARG v(out) VAL=0.5 FALL=1
.end

องค์ประกอบหลัก: instance name, nodes, model, parameters — .measure ใช้วัด delay/slew อัตโนมัติ