SPICE仿真软件基础

现在常用的SPICE仿真软件为方便用户使用都提供了较好的用户界面，在用仿真库中的元器件连成原理图后就可以进行仿真（当然要设置必要的仿真参数），但实际上只是用原理图自动产生了SPICE的格式语句，还是要通过读取语句来进行仿真，这是历史的遗留问题。

在当时的技术条件下，不能用图形方式输入电路结构，只能通过文本文件来描述，也就是所谓网表。

SPICE软件的设计者规范了要进行仿真的电路对应的SPICE网表文件格式，还定义了许多仿真描述语句和分析控制语句等，使仿真软件能通过读取这些特殊信息来进行相关计算和运行，最后获得要求的结果。

因为技术的进步，虽然现在已经不需要手工书写并输入网表了，但了解一些基本语句还是很有用的，不仅可以理解仿真时要设置的那些参数的含义，而且在出错时还易于通过网表来排错。

SPICE网表文件是文本文件，默认的输入文件名为：*.cir因为目前各个版本的SPICE软件都已图形化，并增加了很多功能，所以产生的语句顺序和格式有了一些变化，但主要是以*开头的注释语句的不同变化，便于阅读和模块化，而基本的语句变化不大，包括以下几种：1) 标题语句：网表文件第一行为标题语句，由任意字符串和字母组成，软件并不处理，而是直接在输出文件中作为第一行打印出来2) 注释语句：由*开头的字符串，为文件的说明部分，为方便阅读而在自动产生的SPICE网表文件中大量存在3) 电路描述语句：定义电路拓扑结构和元器件参数的语句，由元器件描述语句、模型描述语句、电源语句等组成4) 电路特性分析和控制语句：以.开头的语句，描述要分析的电路特性及控制命令5) 结束语句：即.END ，标志电路描述语句的结束，在文件最后一行（最后将会给出SPICE网表文件的例子）一、电路描述语句：是SPICE网表文件中最多也最复杂的，有以下一些规定：1) 名称：为字符串，只有前8个字符有效，其中第一个字符必须为A--Z的字符，且有固定含义，对应不同类型的元件2) 数字：有几种形式，整数、浮点数、整数或浮点数加上整数指数、浮点数或整数后面加上比例因子常用的比例因子：有T、G、MEG、K、M、U、N、P、F、MIL等，不分大小写3) 分隔符：有空格、逗号、等号、左括号、右括号等4) 续行号：“+”，一行最多只能有80字符，如一行无法表达完全，可在第二行起始加+号，表示是前一行的继续5) 单位：使用国际标准单位制，语句中缺省6) 规定支路电流的正方向和支路电压的正方向一致7) 节点编号：可以是任意的数字或字符串，节点0规定为地，不允许有悬浮的节点，即每个节点对0节点都必须有直流的通路。

当实际电路不满足这个要求时，可在悬浮节点与地之间接一个大电阻（如1G）.8）不能分析的问题：电压源回路、电感回路、电压源和电感组成的回路、隔断的电流源和（或）电容以下分别介绍一些常见的电路描述语句：1. 无源元件描述语句：由元件名、元件连接的节点号、元件的参数值组成1.1 电阻描述语句：RXXXXXXX N+ N- <(MODEL)NAME> VALUE <TC=TC1 <TC2>>其中：RXXXXXXX 元件名称N+ N- 电阻两端的节点号，当电阻上加正电压时，电流从N+流向N- (MODEL)NAME 可选项，指出电阻将用上后面由.MODEL语句定义的模型VALUE 电阻值，单位OhmTC="TC1" <TC2> 可选的温度系数，TC1 TC2分别是一阶、二阶温度系数1.1.1 电阻的温度公式：VALUE(T)=R*R0[1+TC1*(T-T0)+TC2*(T-T0)*(T-T0)]其中：R0为电阻描述语句中的阻值，T0为常温300K1.1.2 电阻模型语句：.MODEL MNAME RES R="PVAL1" <TC1=PVAL2> <TC2=PVAL3> <TCE=PVAL4> 其中：RES为电阻模型关键字，R定义电阻倍乘系数，TCE定义指数温度系数 1.1.3 例句：R4 0 3 RMOD 100.MODEL RMOD RES(R=2 TC1=0.1 TC2=0.01)1.2 电容电感描述语句：CXXXXXXX N+ N- <(MODEL)NAME> VALUE <IC=INCOND>LXXXXXXX N+ N- <(MODEL)NAME> VALUE <IC=INCOND>其中：VALUE为电容电感的值，不能为零IC规定初始条件，仅在瞬态分析语句中设关键字UIC时赋值才有意义1.2.1 电容电感模型语句：.MODEL MNAME CAP(C=PVAL1 VC1=PVAL2 VC2=PVAL3 TC1=PVAL4TC2=PVAL5).MODEL MNAME IND(L=PVAL1 IL1=PVAL2 IL2=PVAL3 TC1=PVAL4TC2=PVAL5)其中：C、L定义电容电感的倍乘系数VC1、VC2分别是电容的一阶、二阶电压系数IL1、IL2分别是电感的一阶、二阶电流系数TC1、TC2分别是电容、电感的温度系数1.2.2 电容电感的求值公式：C(V)=C0*C(1+VC1*V+VC2*V*V)L(I)=L0*L(1+IL1*I+IL2*I*I)其中：C0、L0分别是元件描述语句中的值1.2.3 电容电感的温度公式与电阻的温度公式类似1.3 互感描述语句：KXXXXXXX LYYYYYYY LZZZZZZZ ... VALUE <(MODEL)NAME> <(SIZE)VALUE> 其中：KXXXXXXX、LYYYYYYY、LZZZZZZZ是两个耦合电感的名称，也可以将多个耦合电感按顺序写下去VALUE为耦合系数的值，且0<VALUE<1，耦合规则通常在每个电感的第一个节点上加'.', 作为同名端(MODEL)NAME为模型名，指出将用上后面由.MODEL语句定义的模型(SIZE)VALUE用来定义磁芯的截面积的大小，缺省值为11.3.1 磁芯的模型语句：.MODEL MNAME CORE AREA="PVAL1" PATH="PVAL2" GAP="PVAL3" PACK="PVAL4" MS=...1.4 无损传输线描述语句：TXXXXXXX N1 N2 N3 N4 Z0-VALUE <TD=VALUE> <F=FREQ <NL=NRMLEN>> +<IC=V1,I1,V2,I2>其中：无损传输线是二端口器件，N1、N2是端口1的正负节点，N3、N4是端口2的正负节点Z0是特性阻抗TD是传输延迟，频率F及在频率F时相对于传输波长的归一化电学长度NL可用来确定延迟，两种表示方式要选一种IC确定每个端口的电压和电流，只在瞬态分析中用到（加UIC时）1.5 电压控制开关描述语句：SXXXXXXX N+ N- NC+ NC- <(MODEL)NAME>其中：N+ N-分别是开关的正负节点NC+ NC-分别是控制端的正负节点(MODEL)NAME为模型名，指出将用上后面由.MODEL语句定义的模型1.5.1 电压控制开关模型语句：.MODEL NAME VSWITCH RON="PVAL1" ROFF="PVAL2" VON="PVAL3" VOFF="PVAL4"其中：VSWITCH为压控开关模型的关键字RON定义开关的导通电阻，缺省为1欧姆ROFF定义开关的关断电阻，缺省为1兆欧姆VON定义开关导通的阈值电压VOFF定义开关关断的阈值电压1.6 电流控制开关的描述语句：WXXXXXXX N+ N- VNAME <(MODEL)NAME>其中：N+ N-分别是开关的正负节点VNAME是控制电流流过的电压源的名称(MODEL)NAME为模型名，指出将用上后面由.MODEL语句定义的模型1.6.1 电流控制开关模型语句：.MODEL ISMOD ISWITCH RON="PVAL1" ROFF="PVAL2" ION="PVAL3" IOFF="PVAL4"其中：ISWITCH为流控开关模型的关键字ION为导通的阈值电流IOFF为关断的阈值电流2. 有源元件描述语句：2.1 二极管描述语句：DXXXXXXX N+ N- MNAME <AREA> <OFF> <IC=VD>其中：N+ N-为二极管的正负节点MNAME为二极管的模型名，为必选项AREA为面积因子OFF为直流分析时的初始条件IC="VD为瞬态分析时的初始条件"2.1.1 二极管的模型语句：.MODEL MNAME D(PNAME1=PVAL1 PNAME2=PVAL2 ...)其中：D为二极管模型的关键字，后面为二极管参数序列，一般二极管模型参数有15--25个2.1.2 半导体二极管的参数表(带*的受面积参数影响)：2.2 双极型晶体管描述语句：QXXXXXXX NC NB NE <NS> MNAME <AREA> <OFF> <IC=VBE,VCE>其中：NC NB NE NS分别是双极型晶体管的集电极、基极、发射极以及衬底所在节点，NS缺省表示衬底接地MNAME为双极型晶体管的模型名，为必选项AREA为面积因子OFF为直流分析时初始条件IC="VBE",VCE为瞬态分析时初始条件2.2.1 双极型晶体管模型语句：.MODEL MNAME NPN(OR PNP) (PNAME=PVAL1 PNAME="PVAL2" ...) 双极型晶体管模型有两种类型，NPN PNP分别为其模型关键字，后面为参数序列，一般双极型晶体管模型参数有40多个2.2.2 双极型晶体管模型的参数表(带*的受面积参数影响)：2.3 MOS场效应晶体管描述语句：MXXXXXXX ND NG NS NB MNAME <L=VAL> <W=VAL> <AD=VAL> <AS=VAL> <PD=VAL> <PS=VAL>+<NRD=VAL> <NRS=VAL> <OFF> <IC=VDS,VGS,VBS>其中：ND NG NS NB分别是MOS场效应晶体管的漏极、栅极、源极和衬底所在的节点MNAME为MOS场效应晶体管的模型名，为必选项L W分别是MOS场效应晶体管沟道的长、宽AD AS为漏极和源极的扩散区的面积PD PS为漏极和源极的周长NRD NRS为漏极和源极扩散区等效电阻的方块数OFF为直流分析时初始条件IC为瞬态分析时初始条件2.3.1 MOS场效应晶体管模型语句：.MODEL MNAME NMOS(OR PMOS) (PNAME=PVAL1PNAME="PVAL2" ...)MOS场效应晶体管模型有两种类型，NMOS PMOS分别为其模型关键字，后面为参数序列，一般模型参数有40--60个，大多为工艺参数MOS场效应晶体管模型有四个级别，用语句LEVEL来指定，缺省时LEVEL=1LEVEL="1" Shichman-Hadges模型LEVEL="2" 基于几何图形的一种二维分析模型LEVEL="3" 半经验短沟道模型LEVEL="4" 亚微米BSIM模型2.3.2 因MOS场效应晶体管模型的参数较多（40--60个）而且较复杂，很多与制造工艺有关，涉及太多微电子的知识，就不再列出了系统级使用时一般使用相关制造厂商或第三方提供的模型参数2.4 结型场效应晶体管描述语句：JXXXXXXX ND NG NS MNAME <AREA> <OFF> <IC=VDS,VGS>其中：ND NG NS分别是结型场效应晶体管的漏极、栅极、源极所在的节点MNAME为结型场效应晶体管的模型名，为必选项AREA为面积因子OFF为直流分析时初始条件IC="VDS",VGS为瞬态分析时初始条件2.4.1 结型场效应晶体管模型语句：.MODEL MNAME NJF(OR PJF) (PNAME=PVAL1 PNAME="PVAL2" ...) 结型场效应晶体管模型有两种类型，NJF PJF分别为其模型关键字，后面为参数序列，一般模型参数有20多个，结型场效应晶体管模型的参数也不再列出了，一般使用相关制造厂商或第三方提供的模型参数2.5 GaAs场效应晶体管描述语句：BXXXXXXX ND NG NS MNAME <AREA> <OFF> <IC=VDS,VGS,VBS> 其中：ND NG NS分别是GaAs场效应晶体管漏极、栅极、源极所在的节点 MNAME为结型场效应晶体管的模型名，为必选项AREA为面积因子OFF为直流分析时初始条件IC="VDS",VGS,VBS为瞬态分析时初始条件2.5.1 GaAs场效应晶体管模型语句：.MODEL MNAME GASFET (PNAME=PVAL1 PNAME="PVAL2" ...) GASFET为GaAs场效应晶体管模型的关键字，后面为参数序列，一般模型参数约30个GaAs场效应晶体管模型有三个级别，用语句LEVEL来指定，缺省时LEVEL=1LEVEL="1" Curtice模型LEVEL="2" Statz或Raytheon模型LEVEL="3" Triquint模型GaAs场效应晶体管模型的参数也不再列出了，一般使用相关制造厂商或第三方提供的模型参数2.6 数字电路器件描述语句：UXXXXXXX <NAME> <PRIMITIVE TYPE> [(<PARAMETER VALUE>*)]+<DIGITAL POWER NODE> <DIGITAL GROUND NODE> <NODE>*<TIMING MODELNAME>+<I/OMODEL NAME> [MNTYMXDLY=<DELAY SELECT VALUE>]+[I/O-LEVEL=<INTERFACE SUBKET SELECT VALUE>]UXXXXXXX <STIM (WIDTH)VALUE,(FORMAT)VALUE> <NODE>*<(I/O)MODEL NAME>+<TIMESTEP=(STEPSIZE)VALUE> <WAVEFORM DESCRIPTION>前一种表示数字电路，名称后是类型、参数值、节点、定时模型名、输入输出模型名后一种表示激励波形发生器，将规定的激励加到指定的节点上2.6.1 子电路描述语句：以.SUBCKT作为开始，以.END作为结束的一组语句，作为以X开始的元件2.6.1.1 子电路定义开始语句：.SUBCKT <SUBNAME> N1 <N2 N3 ...>其中：SUBNAME是子电路名称N1 N2 N3等是子电路外部节点号2.6.1.2 子电路结束语句：.ENDS <SUBNAME>表示结束SUBNAME子电路或结束所有子电路定义2.7 元器件库调用语句：.LIB <filename>其中：filename为库文件名，必须带扩展名.lib，缺省名为nom.lib，列出所有库文件3. 电源描述语句：3.1 独立电源描述语句：独立电压源描述语句：VXXXXXXX N+ N- <(DC)DC/TRAN VALUE> <AC (ACMAG (ACPHASE))> 独立电流源描述语句：IXXXXXXX N+ N- <(DC)DC/TRAN VALUE> <AC (ACMAG (ACPHASE))> 参数含义：N+ N-为电源的正负节点，电流源的电流正方向为使电流从N+节点流出并流入N-节点DC/TRAN VALUE指电源的直流或随时间变化的瞬时值，缺省为0独立电源按直流、交流、瞬态源等可细分为如下几种：3.1.1 直流电源：直流电压源：VXXXXXXX N+ N- [DC] VALUE直流电流源：IXXXXXXX N+ N- [DC] VALUE3.1.2 交流电源：交流电压源：VXXXXXXX N+ N- AC <ACMEG <ACPHASE>>交流电流源：IXXXXXXX N+ N- AC <ACMEG <ACPHASE>>其中：ACMEG为正弦波幅值，缺省值为1ACPHASE为正弦波的初始相位，缺省为03.1.3 瞬态电源：脉冲电压源：VXXXXXXX N+ N- PULSE (V1 V2 TR TF PW PER)脉冲电流源：IXXXXXXX N+ N- PULSE (I1 I2 TR TF PW PER)其中：V1 I1为起始值V2 I2为脉动值TD为延迟时间，缺省值为0TR为上升时间，缺省值为TSTEPTF为下降时间，缺省值为TSTEPPW为脉冲宽度，缺省值为TSTOPPER为周期，缺省值为TSTOP(TSTEP TSTOP为瞬态分析时的步长和中止时间)3.1.4 瞬态正弦电源：瞬态正弦电压源：VXXXXXXX N+ N- SIN (V0 VA F TD THETA)瞬态正弦电流源：IXXXXXXX N+ N- SIN (I0 IA F TD THETA)其中：V0 I0为偏置值VA IA为振幅F为频率，缺省值为1/TSTOPTD为延迟时间，缺省为0THETA为阻尼时间，缺省为0正弦曲线表达式：V(T)=V0+VA*SIN(2*PI*(F*(T-TD)+PHASE/360))*EXP(-(T-TD)*THETA)I(T)=I0+IA*SIN(2*PI*(F*(T-TD)+PHASE/360))*EXP(-(T-TD)*THE TA)3.1.5 瞬态指数电源：瞬态指数电压源：VXXXXXXX N+ N- EXP(V1 V2 TD1 TAU1 TD2 TAU2)瞬态指数电流源：IXXXXXXX N+ N- EXP(I1 I2 TD1 TAU1 TD2 TAU2)其中：V1 I1为初始值V2 I2为终止值TD1为上升延迟时间，缺省为0TAU1为上升时间常数，缺省为TSTEPTD2为下降延迟时间，缺省为TD1+TSTEPTAU2为下降时间常数，缺省为TSTEP3.1.6 分段线性电源：分段线性电压源：VXXXXXXX N+ N- PWL (T1 V1 <T2 V2 T3 V3 T4 V4 ...>) 分段线性电流源：IXXXXXXX N+ N- PWL (T1 I1 <T2 I2 T3 I3 T4 I4 ...>)3.1.7 瞬态单调调频电源：瞬态单调调频电压源：VXXXXXXX N+ N- SEFM (V0 VA FC MDI FS)瞬态单调调频电流源：IXXXXXXX N+ N- SEFM (I0 IA FC MDI FS)其中：V0 I0为偏置VA IA为幅度FC为载波频率，缺省值为1/TSTOPMDI为调制系数FS为信号频率，缺省值为1/TSTOP调频曲线表达式：V(T)=V0+VA*SIN[(2*PI*FC*T)+MDI*SIN(2*PI*FS*T)]3.2 线性受控源描述语句：3.2.1 压控电压源：EXXXXXXX N+ N- NC+ NC- VALUE其中：NC+ NC-为控制电压支路的正负节点3.2.2 压控电流源：GXXXXXXX N+ N- NC+ NC- VALUE3.2.3 流控电流源：HXXXXXXX N+ N- VNAME VALUE其中：VNAME为控制电流流过的电压源的名称3.2.4 流控电流源：FXXXXXXX N+ N- VNAME VALUE二、分析语句：1. 直流分析：1.1 直流工作点分析：.OP1.2 直流扫描分析：.DC <TYPE> VAR START STOP INC <VAR2 START2 STOP2>其中：TYPE为扫描类型，线性为LIN、数量级为DEC、倍频程为OCT、列表为LIST VAR为扫描变量START STOP为扫描变化范围INC是扫描步长或者点数，必须为正数VAR2是第二个扫描变量（外循环），可选项1.3 直流小信号传输函数分析：.TF OUTVAR INSRC其中：OUTVAR为输出变量INSRC为小信号输入源名称1.4 直流小信号灵敏度分析：.SENS1.5 节点电压设置：.NODESET2. 交流小信号分析：.AC TYPE Nx FSTART FSTOP2.1 主要的3种形式：线性 .AC LIN NP FSTART FSTOP数量级 .AC DEC ND FSTART FSTOP倍频程 .AC OCT NO FSTART FSTOP其中：NP为步长ND为变化点数NO为变化点数2.2 噪声分析：.NOISE OUTV INSRC NUMS其中：OUTV为某节点上总的噪声输出电压INSRC为作噪声输入基准的独立电压源或独立电流源名NUMS为频率间隔点数，在每个频率处打印出电路中每个噪声源的贡献3. 瞬态分析：3.1 时域波形分析：.TRAN TSTART TSTOP DISPSTART STEPMAX其中：TSTART为起点时间TSTOP为终点时间DISPSTART为显示起点STEPMAX为瞬态分析最大步长，可缺省而由系统选3.2 傅立叶分析：.FOUR FREQ OV1 <OV2 OV3 ...>其中：FREQ为基频OV1 OV2 OV3为要求的输出变量3.3 瞬态初始条件设置：.IC4. 综合分析：4.1 最坏情况分析：.WCASE (ANALYSIS) (OUTVAR) <FUNCTION> <OPTION>其中：ANALYSIS为DC/AC/TRAN中的一种OUTVAR为输出变量，电压、电流等FUNCTION为求值函数，有多种选择OPTION为输出形式，LIST列每次运行模型参考值，OUTPUT输出文件或图形4.2 蒙特卡罗分析：.MC (RUNSVAL) (ANALYSIS) <OUTPUTVAR> <FUNCTION> <OPTION>其中：RUNSVAL为运行次数OUTPUTVAR为输出变量，电压、电流等4.3 参数扫描分析：.STEP有3种类型：线性扫描 .STEP (LIN) VAR START STOP INC数量级倍频程扫描 .STEP <DEC> <OCT> VAR START STOP ND列表扫描 .STEP VAR LIST VAL1 <VAL2 ...>其中：INC为步长ND为变化点数4.4 温度分析：.TEMP三、控制语句：1. 常用的控制语句如下：1) 别名设置语句：.ALIASES和.ENDALIAS，中间为设置内容2) 文本输出文件中打印：.PRINT3) 文本输出文件中绘图：.PLOT4) 绘图软件包调用：.PROBE5) 参数及表达式设置：.PARAM (NAME1=VALUE1) <NAME2=VALUE2> ...其中的VALUE也可用表达式EXPR6) 选择项设置：.OPTION7) 函数定义：.FUNC2. PSPICE中的PROBE控制语句：当输入文件中加入了.PROBE控制语句后，扫描计算结果存入*.dat文件中，可直观观察扫描结果PROBE自动将横坐标设为扫描变量，纵坐标需手动添加PROBE提供Cursor工具，方便使用鼠标的左右键控制两个光标，沿选定曲线进行测量，还有小窗口显示光标对应的值还有两光标间的差值四、PSPICE中的变量扫描：对一些仿真参数，PSPICE可设置为变量，通过设置其变化范围，仿真出不同的结果，以便进行对照以选择最佳值如：可把双极型晶体管的偏置电阻设为变量，仿真出不同偏置电阻值时的放大系数及集电极电流等参数，最终可选择最佳的偏置电阻值可进行变量扫描的参数如下：1) 独立源类：任何独立电压源和独立电流源都可以作为扫描变量2) 模型参数类：任何一个.MODEL中描述的模型参数都可作为扫描变量，如温度系数、场效应管的沟道长度和宽度等3) 温度变量：以TEMP作为扫描变量，可以观察在不同温度下的电路特性4) 总体参数：对元器件值扫描，必须通过模型的设置来实现熟练使用参数的变量扫描，可大大提高仿真效率五、SPICE软件的适用范围及缺点：1) SPICE是进行元器件级的仿真，对含元器件少的功能较单一的电路进行仿真较合适和准确，比如放大器、调制器等，但对结构复杂且器件较多的电路进行分析则比较费时，结果也可能偏离较大。