第2讲.SPICE语言与电路仿真

1SPICESPICE语言与电路仿真语言与电路仿真北京航空航天大学电子信息工程学院信号与信息处理教研室孙进平（82317240）[e-mail]2在电路设计中，设计者总要对所设计的电路的性能进行预估、判定在电路设计中，设计者总要对所设计的电路的性能进行预估、判定和校验，和校验，数学方法数学方法是用两个基尔霍夫定律和元件特性方程将设计的是用两个基尔霍夫定律和元件特性方程将设计的电路列方程求解；电路列方程求解；物理方法物理方法是按电路图在实验板上搭成模拟电路，是按电路图在实验板上搭成模拟电路，并借助仪表测定电路的特性。当电路规模扩大时存在以下的缺点：并借助仪表测定电路的特性。当电路规模扩大时存在以下的缺点：¾¾过程过于繁琐过程过于繁琐¾¾精度降低精度降低¾¾调试困难调试困难¾¾无法进行极限状态以及最坏情况分析无法进行极限状态以及最坏情况分析¾¾容差分析以及优化设计很困难容差分析以及优化设计很困难随元件的增多，电路方程求解更困难，电路板出错率更高；3电电路路设设计计流流程程4输入电路的拓扑信息和元件特性输入电路的拓扑信息和元件特性确定器件模型并处理确定器件模型并处理建立电路方程建立电路方程解方程求数值解解方程求数值解输出结果输出结果电路模拟程序构成电路模拟程序构成5SSimulationimulationPProgramwithrogramwithIIntegratedntegratedCCircuitircuitEEmphasismphasisSPICESPICE（（侧重于集成电路的模拟程序侧重于集成电路的模拟程序））19721972年由加州大学伯克利分校开发完成（年由加州大学伯克利分校开发完成（FORTRANFORTRAN））程序代码完全开放，用户可以根据需要修改程序代码完全开放，用户可以根据需要修改19751975年正式实用版年正式实用版Spice2GSpice2G（运行环境至少为小型机）（运行环境至少为小型机）19851985年加州大学伯克利分校用年加州大学伯克利分校用CC语言进行了改写语言进行了改写19881988年年SPICESPICE成为美国国家标准成为美国国家标准19841984年年MicrosimMicrosim公司开发完成公司开发完成PSPICEPSPICE，成为第一个用于，成为第一个用于PCPC平台平台的的SPICESPICE模拟器，模拟器，19981998年被年被OrCADOrCAD合并，现为合并，现为CadenceCadence产品产品SPCIESPCIE和和PSPICEPSPICE6常见的常见的SPICESPICE仿真软件有仿真软件有HSPICEHSPICE、、PSPICEPSPICE、、SpectraSpectra、、TSPICETSPICE、、SmartSPICESmartSPICE、、IsSPICEIsSPICE等，核心算法雷同，但仿真速度、精度和等，核心算法雷同，但仿真速度、精度和收敛性却不一样，其中以收敛性却不一样，其中以SynopsysSynopsys公司的公司的HSPICEHSPICE和和CadenceCadence公司公司的的PSPICEPSPICE昀为著名。昀为著名。HSPICEHSPICE是事实上的是事实上的SPICESPICE工业标准仿真软工业标准仿真软件，在业内应用昀为广泛，它具有精度高、仿真功能强大等特件，在业内应用昀为广泛，它具有精度高、仿真功能强大等特点，但无前端输入环境，需要事前准备好网表文件，不适合初级点，但无前端输入环境，需要事前准备好网表文件，不适合初级用户，主要应用于集成电路设计；用户，主要应用于集成电路设计；PSPICEPSPICE具有图形化的前端输入具有图形化的前端输入环境，用户界面友好，主要应用于环境，用户界面友好，主要应用于PCBPCB板和系统级的设计。板和系统级的设计。SPICESPICE仿真软件仿真软件7Example1:SimpleAmplifier.LIBBIPOLAR.LIBV110AC1SIN(010M1K)R1121KC12310UR24350KR33010KR7453K*IncludedABipolarQ1536Q2N2222AR8601KC260100UC35710UR6701KV240DC12V.TRAN1US10MS.PROBE.ENDExample1:SimpleAmplifier.LIBBIPOLAR.LIBV110AC1SIN(010M1K)R1121KC12310UR24350KR33010KR7453K*IncludedABipolarQ1536Q2N2222AR8601KC260100UC35710UR6701KV240DC12V.TRAN1US10MS.PROBE.ENDSPICESPICE语言示例语言示例spice_ex02.cir节点节点8SPICESPICE基本语句基本语句SPICESPICE文件是由一系列文件是由一系列电路描述行和控制行电路描述行和控制行组成的。组成的。其描述功能如下：其描述功能如下：‡‡主要针对由元件、半导体器件、电源等组成的电路作分析；主要针对由元件、半导体器件、电源等组成的电路作分析；‡‡可以用于电路的直流分析；可以用于电路的直流分析；——如静态工作点、非线性电路、小信号传输函数等‡‡可以用于交流小信号分析；可以用于交流小信号分析；——如频域分析、噪声分析等‡可用来进行瞬态分析、温度特性分析等。9SPICESPICE基本语句基本语句SPICESPICE输入描述语句的构成输入描述语句的构成标题语句标题语句描述文件的第一行。SPICE将第一行作为标题行打印而不作为电路的一部分进行分析。注释语句注释语句一般形式是“*”后加字符串。注释语句不参与电路的模拟仿真。可以存在于输入文件除第一行和昀后一行之间的任何位置。10电路的描述语句电路的描述语句定义电路拓扑结构和元件类型及其数值，半导体器件，电路描述语句等。可以出现在文件的第二行到末行结束语句之间的任何地方。结束语句结束语句标志着电路描述语句的结束。格式：“.END”，位于描述语句文件的昀后一行。电路特性分析和控制语句电路特性分析和控制语句可以对对电路的特性进行选择分析，如分析频率特性等，以及对输出等要求的控制语句。SPICESPICE基本语句基本语句11SPICESPICE基本语句基本语句输入描述语句的规定输入描述语句的规定名称名称¾第一个字符必须是A到Z的某一个字符，其它位字符没有限制。¾前8个字符有效。¾在描述元件时第一个字符必须是规定的元件类型字母。节点编号节点编号¾电路的节点编号一般采用正整数，可以不连续。也可以用字符串代替节点编号。¾接地点必须规定为0节点。12SPICESPICE基本语句基本语句元件参数值元件参数值¾¾元件参数值写在与该元件相连的节点后面，其值可用整数、浮点数书写，元件参数值写在与该元件相连的节点后面，其值可用整数、浮点数书写，后面可跟比例因子和单位后缀。后面可跟比例因子和单位后缀。¾¾比例因子后缀比例因子后缀有：有：FF＝＝1E1E--1515；；P=1EP=1E--1212；；N=1EN=1E--99；；U=1EU=1E--66；；MIL=25.4EMIL=25.4E--66；；M=1EM=1E--33；；K=1E3K=1E3；；MEGMEG＝＝1E61E6；；GG＝＝lE9lE9；；T=1E12T=1E12。。¾¾比例因子后缀与它前面的数相乘后即得到该语句所描述的元件的参数值。比例因子后缀与它前面的数相乘后即得到该语句所描述的元件的参数值。¾¾单位后缀单位后缀有：有：V=V=伏；伏；AA＝安；＝安；HZHZ＝赫；＝赫；OHMOHM＝欧（＝欧（ΩΩ）；）；H=H=亨；亨；F=F=法；法；DEG=DEG=度。度。¾¾元件值的第一个后缀总是比例因子后缀，然后是单位后缀。元件值的第一个后缀总是比例因子后缀，然后是单位后缀。¾¾如果没有比例因子后缀，那么头一个后缀就可能是单位后缀，如果没有比例因子后缀，那么头一个后缀就可能是单位后缀，SPICESPICE总是总是忽略单位后缀。忽略单位后缀。¾¾没有比例后缀和单位后缀的情况下，没有比例后缀和单位后缀的情况下，SPICESPICE将电压、电流、频率、电感、将电压、电流、频率、电感、电容和角度的量纲分别电容和角度的量纲分别默认默认为伏、安、赫、亨、法和度。为伏、安、赫、亨、法和度。13SPICESPICE基本语句基本语句分隔符分隔符¾用以区分一行语句的不同部分。¾空格、逗号、等号、左括号、右括号等都可以作为分隔符，多余的分隔符是无效的。方向方向¾规定支路电路的正方向和支路电压的正方向一致。续行号续行号¾一般一行昀多有80个字符。¾第二行的开始加上“＋”号，表示是第一行的继续14元元件件线性元件:电阻、电容、电感、恒流（压）源等非线性元件：二极管、三极管、MOS管等元件模型物理模型:分析元件内部物理特性上构造模型,电阻、电容等宏模型:元件的输入/输出外特性参数来构造模型，运放等‡‡选取不同模型分析的精度不同选取不同模型分析的精度不同‡‡不同模型的模型参数不同，模型越复杂，参数越多不同模型的模型参数不同，模型越复杂，参数越多‡‡描述模型用等效电路描述模型用等效电路SPICESPICE基本语句基本语句元器件描述语句元器件描述语句15电路中每个元器件需要器件语句描述。句中的第一个字母是电路中每个元器件需要器件语句描述。句中的第一个字母是关键字关键字，由，由它确定该器件类型。它确定该器件类型。SPICESPICE中元器件名称的首字母如下：中元器件名称的首字母如下：SPICESPICE基本语句基本语句16SPICESPICE基本语句基本语句语句格式语句格式R(name)NR(name)N++NN--＜＜ModNameModName＞＞ValueValue例例::R112100R112100RF45RMOD12KRF45RMOD12K.MODELRMODRES(R=1TC1=0.02TC2=0..MODELRMODRES(R=1TC1=0.02TC2=0.005)005)N+N+和和NN--是电阻所连接的正、负两个节点号。当电阻上为正电压时，是电阻所连接的正、负两个节点号。当电阻上为正电压时，电流从电流从NN++节点流出通过电阻流入节点流出通过电阻流入NN--节点。节点。＜＜ModNameModName＞为模型名，其内容由＞为模型名，其内容由..MODELMODEL语句给出。语句给出。ValueValue是电阻值，单位为欧姆，可正可负，但不能为零。是电阻值，单位为欧姆，可正可负，但不能为零。电阻电阻RES＝VALUE*R*[1+TC1*(T-T0)+TC2*(T-T0)2]R电阻倍数，TC1线性温度系数，TC2二次温度系数17SPICESPICE基本语句基本语句电容电容语句格式语句格式C(name)NC(name)N++NN--＜＜ModNameModName＞＞ValueIC=V0ValueIC=V0例例::C11210UC11210UCloadCload45CMOD10P45CMOD10P.MODELCMODCAP(C=1VC1=0.1VC2=0.002TC1=0.02.MODELCMODCAP(C=1VC1=0.1VC2=0.002TC1=0.02+TC2=0.005)+TC2=0.005)ValueValue是电容值，单位法拉，可正可负，但不能为零。是电容值，单位法拉，可正可负，但不能为零。ICIC定义了电容的初始（时间为定义了电容的初始（时间为00）电压）电压V0V0。。注意只有在瞬态分析语注意只有在瞬态分析语句句.TRAN.TRAN中的任选项关键字中的任选项关键字UICUIC规定时，初始条件才起作用。规定时，初始条件才起作用。CAPCAP＝＝VALUE*C[1+VC1*V+VC2*VVALUE*C[1+VC1*V+VC2*V22][1+TC1(T][1+TC1(T--T0)+TC2(TT0)+TC2(T--T0)T0)22]]]]C电容器倍