第7章 SPICE语言及电路仿真
spice仿真
spice仿真Spice仿真引言Spice (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) 是一种电路仿真程序，它可以模拟各种电路的性能和行为。
历经多年的发展，Spice已经成为电子设计领域中最为常用和广泛认可的仿真工具之一。
本文将介绍Spice仿真的基本原理、应用领域以及使用方法，帮助读者更好地了解和应用这一强大的工具。
一、Spice仿真的基本原理Spice仿真基于电路的数学模型和电路分析方法，通过求解一组线性或非线性的代数和微分方程来模拟电路的行为。
Spice可以对各种类型的电路进行仿真，包括模拟电路、数字电路以及混合信号电路。
它考虑了电路中各个元件的电性能，并基于电流和电压的关系对电路进行建模和分析。
Spice程序需要用户提供电路的拓扑结构以及各个元件的参数。
通过这些输入，Spice可以根据预定义的电路分析方法和解算器来计算电路中各个节点和元件上的电压、电流以及功率等参数。
通过对电路的相应参数进行实时仿真和分析，Spice可以为设计者提供准确的电路行为信息，帮助他们对电路性能进行优化和改进。
二、Spice仿真的应用领域Spice仿真在电子设计和电路分析中有广泛的应用。
以下列举了几个常见的应用领域：1.模拟电路设计：Spice可以用于模拟电路的设计和验证，帮助设计者检查电路的性能和稳定性。
通过Spice仿真，设计者可以预测电路的频率响应、幅频特性以及相位延迟等参数，从而改进电路的设计方案。
2. 数字电路分析：Spice可以模拟数字电路中的逻辑门、触发器和时序电路等元件，帮助设计者验证电路的正确性和稳定性。
通过仿真结果，设计者可以找出可能存在的逻辑错误和电路延迟，并及时进行优化和调整。
3.射频电路分析：Spice也可以用于射频电路的仿真和分析。
射频电路中经常涉及到高频信号的传输和耦合问题，通过对射频电路进行Spice仿真，设计者可以预测电路中的信号衰减、失真以及噪声等问题，从而优化电路的性能。
LTspice电子线路模拟教程
LTspice电子线路模拟教程————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：P SPICE-电子线路模拟LTspice IV 教程.16. 07 2009 郭督于德国.1目录1.简介2. 安装3. …练习例子Astable Multivibrator“ 63.1. 打开线路图3.2.信号分部3.3. Löschen von Signalverläufen im Ergebnis-Bildschirm 103.4. Andere Farbe für eine Ergebniskurve 103.5. Änderung der Simulationszeit 113.6. Änderung des dargestellten Spannungs- oder Strombereichs 133.7. Cursor-Einsatz 153.7.1. Verwendung eines Cursors 153.7.1. Verwendung eines zweiten Cursors 153.8. Differenzmessungen 163.9. Strom-Messungen 173.10. Änderung von Bauteilwerten 184. RC-Tiefpass als erstes eigenes Projekt 194.1. Zeichnen des Stromlaufplans mit dem Editor 194.2. Zuweisung neuer Bauteilwerte 204.3. Untersuchung von einmaligen Vorgängen 214.3.1. Die Sprungantwort 214.3.2. Ein- und Ausschaltvorgang 234.3.3. Die Impulsantwort 244.4. Periodische Signale am Eingang 274.4.1. Sinussignal mitf= 1591 Hz 274.4.2. Rechtecksignal mitf= 1691 Hz 284.4.3. Dreiecksignal mitf= 1691 Hz 294.5. AC-Sweep zur Ermittlung des Frequenzganges 305. FFT (= Fast Fourier Transformation) 326. Zweites Projekt: Gleichrichtung 346.1. Einpuls-Gleichrichter ohne Trafo 346.2. Eine wichtige Sache: Erstellung eines SPICE-Modells und eines Symbols für einen Transformator 356.2.1. Erstellung des SPICE-Modells für einen Transformator mit zwei 35 Wicklungen6.2.2. Erzeugung eines passenden Symbols für den Transformator 366.3. Einpuls-Gleichrichter mit Trafo 386.4. Verwendung der Diode 1N4007 in der Gleichrichterschaltung 396.5. Zweipuls-Gleichrichter mit Trafo 417. Drittes Projekt: Drehstrom 437.1. Programmierung eines Drehstromsystems 437.2. Drehstrom-Gleichrichterbrücke ( Lichtmaschine im Auto) 448. Viertes Projekt: Darstellung von Bauteil-Kennlinien 468.1. Ohm‘scher Widerstand 468.2. Diode 478.3. NPN-Transistor 488.4. N-Kanal-Sperrschicht-FET 5029. Fünftes Projekt: Schaltungen mit Transistoren 519.1. Einstufiger Verstärker 519.1.1. Ansteuerung mit einem Sinus-Signal 519.1 .2. Simulation des Frequenzganges (…AC-Sweep“) 539.2. Zweistufiger gegengekoppelter Breitbandverstärker 549.2.1. Pflichtenheff 549.2.2. Simulations-Schaltung und Simulations-Vorgaben 559.2.3. Simulation in der Time Domain (= im Zeitbereich) 559.2.4. DC-Bias (= Gleichstrom-Analyse) 569.2.5. AC-Sweep (= Frequenzgang von 1 Hz bis 200 MHz) 589.3. Der Parameter-Sweep 5910. Sechstes Projekt: OPV-Schaltungen 6110.1. Einstieg: Umkehrender Verstärker 6110.2. Einsatz eines SPICE-Modells als …Subcircuit“ aus dem Internet 63 10.2.1. Breitband-Gainblock für 1 kHz bis 30 MHz mit 0PA355 63 10.2.2. Simulation mit dem erstellten 0PA355-Subcircuit-Modell 6310.3. Verwendung von Labels 6611. Siebtes Projekt: DC-DC-Konverter 6811.1. Bereitstellung des Power-MOSFETs …IRFZ44N“ 6811.2. Der Step-Up-Konverter ( = Aufwärtswandler) 7011.3. Der Flyback-Konverter ( = Sperrwandler) 7211.4. Der Step-Down -Konverter ( = Abwärtswandler) 7412. Achtes Projekt: Phasenanschnitt-Steuerung mit Thyristor 7612.1. Das eingesetzte Thyristor-Modell 7612.2. Schalten von Ohm‘schen Lasten 7712.3. Schalten von induktiven Lasten 7812.4. Zündung des Thyristors über einen Gate-Transformator 7913. Neuntes Projekt: Echos auf Leitungen 8013.1. Leitungen -- nurzwei Drähte? 8013.2. Echos 8213.3. Simulation des vorigen Rechenbeispiels mit LTSpice 8413.4. Leerlauf oder Kurzschluss als Last am Kabelende 8713.5. Verwendung von Kabel mit Verlusten (Beispiel: RG58 1 50Q) 89 13.5.1. Wie simuliere ich RG58-Kabel? 8913.5.2. Simulation der Kabeldämpfung bei 100MHz 9013.5.3. Speisung der RG58-Leitung mit einer Pulsspannung 9313.5.4. Ein Kurzschluss am Ende der RG58-Leitung 9414. Zehntes Projekt: S-Parameter 9514.1. Jetzt nochmals Echos, aber mit System 9514.3. Praxisbeispiel: 110MHz —Tschebyschef —Tiefpassfilter (LPF) 9815. Elftes Projekt: Double Balanced Mixer (= Ringmodulator) 102 15.1. Etwas Grundlagen und Informationen 10215.2. Standardschaltung des Ringmodulators 10315.3. Die erforderlichen Übertrager 10415.4. Simulation des DBM-Verhaltens 105316. Zwölftes Projekt: Digitale Schaltungssimulation 10616.1. Was man vorher wissen sollte 10616.2. Einfacher Anfang: die Umkehrstufe ( NOT oder Inverter) 10716.3. Der AND-Baustein 10816.4. Das D-Flipflop 10916.5. Dreistufiger Frequenzteiler mit D-Flipflops 11017. Dreizehntes Projekt: Rausch-Simulation 11117.1. Etwas Grundlagen 11117.1.1. …Rauschen“ --woher kommt das? 11117.1.2. Weitere Rauschquellen 11317.1.3. Rauschtemperatur und Noise Figure eines Twoports 11417.2. Simulation der Spektralen Rauschleistungs-Dichte 11417.3. Simulation der Noise Figure in dB 11741.简介这个软件是由LINEAR公司提供的免费模拟软件,目前最新版本4,LTspice IV 操作简单,入门容易.许多设计公司都喜欢用它.凌力尔特公司 (Linear Technology Corporation) 推出LTspice IV，这是其免费SPICE电路仿真软件 LTspice/SwitcherCADIII所做的一次重大更新。
Spice仿真介绍和操作
数字逻辑基础LOGOEDA工具在数字逻辑课程中的应用--Multisim工具之Spice仿真在模拟电子课程中，我们通过使用晶体管的小信号模型，手工计算得到小规模模拟电子电路电压增益、电流增益、输入阻抗、输出阻抗、频率响应特性等。
⏹这种通过人工计算的分析方法就显得效率很低。
⏹随着计算机性能的不断提高，电子设计自动化（ElectronicDesign Automation，EDA）工具出现。
它成为电子系统设计和分析的强有力的助手。
⏹EDA工具取代了传统的手工计算方法，显著的提高了设计电路和分析电路的效率。
EDA工具在数字逻辑课程中的应用--Multisim工具之Spice仿真以集成电路为重点的仿真程序（Simulation Programwith Integrated Circuit Emphasis，SPICE），它是为了执行日益庞大而复杂的集成电路仿真工业而发展起来的，它是一个通用的、开源的模拟电子电路仿真工具。
⏹SPICE是一个程序用于集成电路和板级设计，用于检查电路设计的完整性，并且预测电路的行为。
⏹SPICE最早由加州大学伯克利分校开发，1975年改进成为SPICE2的标准，它使用FORTRAN语言开发。
在1989年，Thomas Quarles 开发出SPICE3，它使用C语言编写，并且增加了窗口系统绘图功能。
EDA 工具在数字逻辑课程中的应用--Multisim 工具之Spice 仿真在目前流行的NI 公司的Mutisim Workbench 工具、Altium 公司的Altium Designer 工具和Cadence 公司的OrCAD 工具中都嵌入了SPICE 仿真工具。
⏹在SPICE仿真工具中，包含下面的模块：☐电路原理图输入程序。
☐激励源编辑程序。
☐电路仿真程序。
☐输出结果绘图程序。
☐模型参数提取程序。
☐元器件模型参数库。
下面将通过Multisim 环境下的设计实例，演示EDA工具在数字逻辑课程中的应用--Multisim工具之Spice仿真SPICE的基本分析功能包含三大类：⏹直流分析⏹交流分析⏹时域分析EDA工具在数字逻辑课程中的应用--Multisim工具之Spice仿真注1：直流分析是所有其它分析的基础。
spice语法
spice语法
_Spice 是一种用于对电路进行仿真的软件工具。
它由一系列的参数和模型构成，包含一个完整的数学库，用于描述和计算任何电路中发现的任何元件以及电路的作用。
Spice 能够完成复杂的仿真分析，有利于缩短设计流程和改善设计。
它通过模拟数学模型，有效地模拟电路的行为，分析信号和电压的变化情况。
由于使用的参数和模型可以调整，所以可以用Spice模拟任何一个有效的电路。
一般情况下，使用 Spice 进行仿真的电路必须使用 Spice 语言来进行编程，这使得电路设计更加容易。
Spice 中使用的语言结构相对简单，分成三个部分：声明，控制仿真和数据处理。
声明部分在仿真之前，根据设计的电路模型，用户定义电路元件和参数，定义电路模型的类型，规定信号的接口，以及传输函数的参数；控制部分由用户来定义实验信号，规定仿真所使用的时间步长，以及使用仿真参数，如噪声、失败概率、变换等；当仿真完成后，数据处理便可根据用户规定的报告要求，计算当量元和成品，输出相应的结果报表，这样用户就可以从结果中提取重要信息，做出相应的分析论断。
总结来看，Spice 语法由三个部分构成，这三部分有助于用户更好地定义电路元件及参数，控制仿真，计算出电路的仿真表现，了解电路器件的行为，可以在短时间内提升设计效率，延缓焊盘及真实元件的测试时间，促进设计的提速。
SPICE仿真和模型简介
SPICE仿真和模型简介SPICE 仿真和模型简介1、SPICE仿真程序电路系统的设计人员有时需要对系统中的部分电路作电压与电流关系的详细分析，此时需要做晶体管级仿真（电路级），这种仿真算法中所使用的电路模型都是最基本的元件和单管。
仿真时按时间关系对每一个节点的I/V关系进行计算。
这种仿真方法在所有仿真手段中是最精确的，但也是最耗费时间的。
SPICE（Simulation program with integrated circuit emphasis）是最为普遍的电路级模拟程序，各软件厂家提供提供了Vspice、Hspice、Pspice等不同版本spice软件，其仿真核心大同小异，都是采用了由美国加州Berkeley大学开发的spice模拟算法。
SPICE可对电路进行非线性直流分析、非线性瞬态分析和线性交流分析。
被分析的电路中的元件可包括电阻、电容、电感、互感、独立电压源、独立电流源、各种线性受控源、传输线以及有源半导体器件。
SPICE内建半导体器件模型，用户只需选定模型级别并给出合适的参数。
2、元器件模型为了进行电路模拟，必须先建立元器件的模型，也就是对于电路模拟程序所支持的各种元器件，在模拟程序中必须有相应的数学模型来描述他们，即能用计算机进行运算的计算公式来表达他们。
一个理想的元器件模型，应该既能正确反映元器件的电学特性又适于在计算机上进行数值求解。
一般来讲，器件模型的精度越高，模型本身也就越复杂，所要求的模型参数个数也越多。
这样计算时所占内存量增大，计算时间增加。
而集成电路往往包含数量巨大的元器件，器件模型复杂度的少许增加就会使计算时间成倍延长。
反之，如果模型过于粗糙，会导致分析结果不可靠。
因此所用元器件模型的复杂程度要根据实际需要而定。
如果需要进行元器件的物理模型研究或进行单管设计，一般采用精度和复杂程度较高的模型，甚至采用以求解半导体器件基本方程为手段的器件模拟方法。
二微准静态数值模拟是这种方法的代表，通过求解泊松方程，电流连续性方程等基本方程结合精确的边界条件和几何、工艺参数，相当准确的给出器件电学特性。
SPICE电路仿真
Common emitter amplifier .model 2n3904 NPN(Is=6.734f Xti=3 Eg=1.11 Vaf=74.03 Bf=416.4 Ne=1.259 + Ise=6.734f Ikf=66.78m Xtb=1.5 Br=.7371 Nc=2 Isc=0 Ikr=0 Rc=1 + Cjc=3.638p Mjc=.3085 Vjc=.75 Fc=.5 Cje=4.493p Mje=.2593 + Vje=.75 Tr=239.5n Tf=301.2p Itf=.4 Vtf=4 Xtf=2 Rb=10) V1 Vcc 0 DC 12V Q1 vc vb ve 2n3904 Rc Vcc vc 2k Re ve 0 500 R1 vb 0 7k R2 Vcc vb 33k C1 Vin vb 0.1u C2 vc Vout 0.1u RL Vout 0 100k Vsig Vin 0 ac 10mV sin(0 10mV 1kHz) .end
SPICE 语法 SPICE 仿真 SPB, Multisim 实例
14
SPICE分析的类型
.op – Operating point，计算电路的直流偏置状态 .dc – DC sweep，当电路中某一参数在一定范围 内变化时计算相对应的电路直流偏置特性 .ac – 计算电路的交流小信号频率响应特性 .tran – Transient，瞬态分析，在给定激励信号的 作用下，计算电路输出端的瞬态响应 .noise – 噪声分析 .pz – Pole-zero analyse，零极点分析 .disto – 失真分析 .tf – Transfer function，直流小信号传递函数分析
2019年电路分析基础第7章 PROTEUS电路仿真
39 图7.2.12 元件属性对话框
40 图7.2.13 元件参数修改后界面
41 图7.2.14 元件文本信息设置
42 图7.2.15 元件文本取消后界面 Nhomakorabea43
(3)电路布线。 PROTEUSISIS连线非常方便，只需用鼠标左键单击元 件的一个引脚，拖动到另一元件的引脚，单击鼠标左键即可。 如果要删除连线，则首先用鼠标左键选中连线(连线呈红色 显示)，再点击鼠标右键，点击“DeleteWire”即可删除需修 改的连线，如图7.2.16所示。连线完成后示意图如图7.2.17所 示。
7.2.7 按照电源元件的选择方法，依次将其余元件选取到列表
框中，然后关闭选择元件对话框，全部元件选取后的列表框 如图7.2.8所示。
32 图7.2.7 PROTEUS元件选择示意图
33 图7.2.8 元件选择列表框
34
5.原理图布线 (1)在布线之前，首先要将列表框中的元件放置到图形 编辑窗口中，用鼠标单击列表框中某一元件，再把鼠标移动 到图形编辑窗口适当位置，点击鼠标左键即可。本例中需使 用1个电源、2个电阻、1个单刀双掷开关、1个电容器以及1 个发光二极管共6个元件，放置后的界面如图7.2.9所示。 小提示：在放置元器件时，有时需要改变元件的方向， 可通过图7.2.10所示的四个图标加以修改。本例中需改变单 刀双掷开关(SW SPDT)、电容(C1)和发光二极管(LED GREEN)的方向，修改后如图7.2.11
元件名 BATTERY
RES CAP SW-SPDT LED
类 Simulator Primitives
Resistors Capacitors Switches and Relays Optoelectronics
集成电路设计仿真程序SPICE
集成电路设计基础第7章集成电路设计仿真程序SPICE第7章集成电路设计仿真程序SPICEv§7.1 电路仿真与SPICEv§7.2 电路描述语句v§7.3 电路特性分析和控制语句v§7.4 基于SPICE核的工具软件§7.1 电路仿真与SPICEv在电路完成以后，设计者面临的问题是：设计电路是否能够实现预期的功能？电路中各元器件的参数值设置是否合理？这就是所谓验证问题。
对设计电路的验证v传统方法›搭实验装置。
›随着集成度的提高，电路规模的扩大，已无法在实验装置上搭接这样的电路。
›即使搭接成功的话，也与实际的集成电路差别太大，失去其物理验证的意义。
›无法进行容差分析和极限条件的验证。
对设计电路的验证v用电路模拟分析的方法在计算机上验证›借助于计算机技术和计算方法的发展。
›不需要任何实际的元器件和调试工具，可以很方便地改变各种条件进行模拟分析。
›可以进行各种破坏性的模拟。
›设计者可以在设计投入生产制造前就能预测电路的实际性能。
对设计电路的验证v最为著名和广为采用的电路模拟程序－SPICE（Simulation Program with IC Emphasis）›其第一版本于1972年由美国加利福尼亚大学伯克利分校电工和计算机科学系开发完成，常称为BSPICE。
›BSPICE是现代各种SPICE的前身，它的源代码公开。
›其版本不断更新。
SPICEv主要针对由元件、半导体器件、电源等组成的电路作分析。
v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v可以用于交流小信号分析。
›如频域分析、噪声分析等v还可用来进行瞬态分析、温度特性分析等。
§7.2 电路描述语句v SPICE文件是由一系列电路描述行和控制行组成的。
要使计算机正确识别，电路描述语句必须遵循一定的语法规定。
SPICE输入描述语句的构成v标题语句›描述文件的第一行。
第7章 SPICE模型及仿真
固定负载，扫描管子尺寸
P110
…… .param wu=1.2u .param wpt='2.5*wu' …… .data cv wpt 1.2u 2.4u 3u .enddata X1 IN 1 INV WN=wu WP=wpt X2 1 2 INV WN=wu WP=wpt X3 2 OUT INV WN=wu WP=wpt CL OUT 0 1pf …… .TRAN 1N 200N sweep data=cv .measure tran td trig v(in) val=2.5 td=8ns ＋rise=1 targ v(out) val=2.5 td=9n fall=1 .END
3 互感 M
格式: KXXXX LYYYY LZZZZ VALUE
例句:
K43 L3 L4 0.99
7.2 电路元件的SPICE输入语句
4 理想传输线
格式: TXXXX N1 N2 N3 N4 Z0=VALUE
(TD=VALUE) (F=FREQ(NL=NRMLEN)) + (IC= V1,I1,V2,I2) 例句: TIN 1 0 2 0 Z0=50 TD=100PS
设计基本反相器单元
根据模型参数、设计要求设定管子尺寸
写出反相器网单：
.TITLE 1.2UM CMOS INVERTER CHAIN .INCLUDE "models.sp" .global vdd
Hale Waihona Puke Mn out in 0 0 NMOS W=1.2u L=1.2u
Mp out in vdd vdd PMOS W=3u L=1.2u CL OUT
Spice仿真介绍和操作
数字逻辑基础LOGOEDA工具在数字逻辑课程中的应用--Multisim工具之Spice仿真在模拟电子课程中，我们通过使用晶体管的小信号模型，手工计算得到小规模模拟电子电路电压增益、电流增益、输入阻抗、输出阻抗、频率响应特性等。
⏹这种通过人工计算的分析方法就显得效率很低。
⏹随着计算机性能的不断提高，电子设计自动化（ElectronicDesign Automation，EDA）工具出现。
它成为电子系统设计和分析的强有力的助手。
⏹EDA工具取代了传统的手工计算方法，显著的提高了设计电路和分析电路的效率。
EDA工具在数字逻辑课程中的应用--Multisim工具之Spice仿真以集成电路为重点的仿真程序（Simulation Programwith Integrated Circuit Emphasis，SPICE），它是为了执行日益庞大而复杂的集成电路仿真工业而发展起来的，它是一个通用的、开源的模拟电子电路仿真工具。
⏹SPICE是一个程序用于集成电路和板级设计，用于检查电路设计的完整性，并且预测电路的行为。
⏹SPICE最早由加州大学伯克利分校开发，1975年改进成为SPICE2的标准，它使用FORTRAN语言开发。
在1989年，Thomas Quarles 开发出SPICE3，它使用C语言编写，并且增加了窗口系统绘图功能。
EDA 工具在数字逻辑课程中的应用--Multisim 工具之Spice 仿真在目前流行的NI 公司的Mutisim Workbench 工具、Altium 公司的Altium Designer 工具和Cadence 公司的OrCAD 工具中都嵌入了SPICE 仿真工具。
⏹在SPICE仿真工具中，包含下面的模块：☐电路原理图输入程序。
☐激励源编辑程序。
☐电路仿真程序。
☐输出结果绘图程序。
☐模型参数提取程序。
☐元器件模型参数库。
下面将通过Multisim 环境下的设计实例，演示EDA工具在数字逻辑课程中的应用--Multisim工具之Spice仿真SPICE的基本分析功能包含三大类：⏹直流分析⏹交流分析⏹时域分析EDA工具在数字逻辑课程中的应用--Multisim工具之Spice仿真注1：直流分析是所有其它分析的基础。
Spice仿真
（5）运行Pspice。执行Pspice/Run命令。
（6）查看分析结果。 分析计算结束后，系统自动调用Probe模块，屏幕上出现 如图所示的Probe窗口。
在Probe窗口中，执行 Trace/Add Trace命令， 出现Add Trace 对话框。
可用以下两种方法选择要显示的变量名：
① 在对话框左边的输出变量列表中用光标点中要显示的变量名， 该变量名即出现在下端的“Trace Expression”文本框中，允 许同时点选多个输出变量。 ② 在“Trace Expression”
返回
元器件属性参数编辑
Capture自动为每个元器件设置一个元件名和参数值，元 器件设置不符合要求时，可对元器件参数进行编辑
(1).元器件群的参数编辑。选中所有要编辑的元器件。然后点击鼠标右键，调 出快捷菜单，选择执行Edit Properties 命令，即可开启该元器件群的属性编辑 对话框，点击对话框左下方的Part按钮，便可更改各元器件的名称和参数。 (2).单个元件的参数编辑。双击该元件，即出现对话框。在Value文本框中键入 新值即可。同时可以修改该元件电路图中的显示格式（Display Format）、字 体（Font）、颜色（Color）和放置位置（Rotation）等。
SPICE仿真及分立元件电路实验
目的： 1. 学会仿真软件使用，熟练掌握PSPICE9.2 的基本操作 2. 学习利用仿真手段分析设计电子电路
Spice仿真
软件简介 仿真步骤 放大电路各种性能指标的仿真方法 实验内容
OrCAD/PSpice9软件组成
1、 Capture CIS 模块：电路原理图设计软件。除可生成各类 模拟电路、数字电路和数／模混合电路的电路原理图外，还配 备有元器件信息系统CIS（Component Information System）, 可以对元器件的采用实施高效管理。 2、PSpice 模块：通用电路模拟软件。除可对模拟电路、数字 电路和数／模混合电路进行模拟外，还具有优化设计的功能。 该软件中的Probe模块，不但可以在模拟结束后显示结果信号 波形，而且可以对波形进行各种运算处理，包括提取电路特性 参数，分析电路特性参数与元器件参数的关系。
第7章 SPICE语言及电路仿真
第7章 SPICE语言及电路仿真模块概要：一、学习目标1、了解SPICE的电路设计流程及HSPICE电路仿真工具。
2、掌握SPICE编程语言与编程技术。
3、能够使用HSPICE软件进行电路仿真。
二、学习指南能够读懂电路输入网表，理解地掌握SPICE语言中分析及控制语句的设置，在仿真实例中学会编程技术和仿真方法。
三、知识内容SPICE语言介绍：SPICE含义、产生、著名软件、SPICE的电路设计流程。
输入语句的结构与规定输入语句的结构、规定、一个简单实例。
电路元器件描述语句无源器件描述语句、有源器件描述语句、电源描述语句、其它语句。
电路特性分析语句直流分析、交流分析、瞬态分析、蒙特卡罗分析和灵敏度/最坏情况分析、温度分析。
电路特性控制语句初始状态设置语句、参数、函数定义语句、重置参数语句、输出控制语句。
缓冲驱动器设计实例以缓冲驱动器的设计实例，来说明电路网表的编写、直流分析、时序分析、驱动能力的设计过程。
放大器设计实例以一个常用的运算放大器设计实例，详细地说明各种指标的实现、各种仿真分析的进行过程。
设计方法与设计工具介绍—电路仿真介绍集成电路著名而常用的模拟电路仿真软件HSpice，包括HSpice简介、HSpice的特点与结构、HSpice的具体功能、HSpice的流程、HSpice的输入——网单文件、HSpice的输出等。
四、练习1.国际公认的_______________________________工具是美国加利福尼亚大学伯克利分校开发的____________程序。
答案：模拟电路通用仿真、SPICE2. 商用的SPICE软件主要有________、________、________、________与________等。
答案：Hspice、Pspice、SBTspice、SmartSPICE、Tspice3. HSPICE是____________公司开发的一个商业化通用电路模拟程序，它可以从_______到高于_______的微波频率范围内，对电路作精确的仿真、分析和优化。
spice和spectre软件使用和运放的仿真方法
【：缩小显示 】：放大显示 R：旋转 R+F3:水平或垂直镜像翻转 其它常用操作: W后按鼠标右键：改变连线方式，折线→直线 按住Ctrl左键拖动：不带连线关系拖动 按住Shift选择：同时选择
Cadence仿真
两种仿真工具：
Spectre(所用模型后缀为.scs) Hspice (所用模型后缀为.lib)
基本语法
1. 不区分大小写（case insensitive） 2. 注释：* or $ 3. 数量级表示符号:
T
E12
G
E9
MEG
E6
K
E3
M
E-3
U
E-6
N
E-9
p
E-12
F
E-15
（关键不要搞错M和MEG） 4.赋值单位可以省略
仿真网表的五个主要组成部分
1.电路网表 2.激励 3.仿真分析语句 4.输出命令 5.模型库文件
end用montecarlo仿真来分析失配导致的失调分布失调分布分析30次montecarlo仿真结果由此可见ota的失调分布可达10mv10mv可增大晶体管来减小vos但是会带来速度问题压摆率分析在输入端输入一个较大的脉冲信号以观察输出端的电压摆率在otanet中将vvac的定义换成
软件使用和运放主要 指标的仿真方法
电路网表
包含的内容有器件连接关系、模型名、参 数值、(赋值)、并联个数、(初始值） 例： R1 N1 N2 R W=10u L=1u R2 N1 N2 10K C1 N1 N2 C W=10u L=1u C2 N1 N2 10p C3 N1 N2 10p IC=1
电路网表
L1 N1 N2 1m D1 N1 N2 diode Q1 NC NB NE bjt M=8
第1-2讲 SPICE数模混合仿真程序的设计流程及方法
39
3
40
计算反相器链电路的延迟时间
.TITLE 1.2UM CMOS INVERTER CHAIN
.INCLUDE "models.sp"
……
X1 IN 1 INV WN=1.2U WP=3U
X2 1 2
.enddata
X1 IN 1 INV WN=wu WP=wpt
X2 1 2 INV WN=wu WP=wpt
X3 2 OUT INV WN=wu WP=wpt
CL OUT 0
1pf
……
.TRAN 1N 200N sweep data=cv
.measure tran td trig v(in) val=2.5 td=8ns
45
一个例子：缓冲驱动器分析
——HSPICE分析举例
46
准备模型文件
选用1.2um CMOS工艺level II模型 (Models.sp)
.MODEL NMOS NMOS LEVEL=2 LD=0.15U TOX=200.0E-10 VTO=0.74 KP=8.0E-05 +NSUB=5.37E+15 GAMMA=0.54 PHI=0.6 U0=656 UEXP=0.157 UCRIT=31444 +DELTA=2.34 VMAX=55261 XJ=0.25U LAMBDA=0.037 NFS=1E+12 NEFF=1.001 +NSS=1E+11 TPG=1.0 RSH=70.00 PB=0.58 +CGDO=4.3E-10 CGSO=4.3E-10 CJ=0.0003 MJ=0.66 CJSW=8.0E-10 MJSW=0.24
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第7章 SPICE语言及电路仿真模块概要：一、学习目标1、了解SPICE的电路设计流程及HSPICE电路仿真工具。
2、掌握SPICE编程语言与编程技术。
3、能够使用HSPICE软件进行电路仿真。
二、学习指南能够读懂电路输入网表，理解地掌握SPICE语言中分析及控制语句的设置，在仿真实例中学会编程技术和仿真方法。
三、知识内容SPICE语言介绍：SPICE含义、产生、著名软件、SPICE的电路设计流程。
输入语句的结构与规定输入语句的结构、规定、一个简单实例。
电路元器件描述语句无源器件描述语句、有源器件描述语句、电源描述语句、其它语句。
电路特性分析语句直流分析、交流分析、瞬态分析、蒙特卡罗分析和灵敏度/最坏情况分析、温度分析。
电路特性控制语句初始状态设置语句、参数、函数定义语句、重置参数语句、输出控制语句。
缓冲驱动器设计实例以缓冲驱动器的设计实例，来说明电路网表的编写、直流分析、时序分析、驱动能力的设计过程。
放大器设计实例以一个常用的运算放大器设计实例，详细地说明各种指标的实现、各种仿真分析的进行过程。
设计方法与设计工具介绍—电路仿真介绍集成电路著名而常用的模拟电路仿真软件HSpice，包括HSpice简介、HSpice的特点与结构、HSpice的具体功能、HSpice的流程、HSpice的输入——网单文件、HSpice的输出等。
四、练习1.国际公认的_______________________________工具是美国加利福尼亚大学伯克利分校开发的____________程序。
答案：模拟电路通用仿真、SPICE2. 商用的SPICE软件主要有________、________、________、________与________等。
答案：Hspice、Pspice、SBTspice、SmartSPICE、Tspice3. HSPICE是____________公司开发的一个商业化通用电路模拟程序，它可以从_______到高于_______的微波频率范围内，对电路作精确的仿真、分析和优化。
答案：Meta-Software、直流、100MHz4.写出MOS管的SPICE元件输入格式与模型输入格式。
答案：元件输入格式：M<编号> <漏极结点> <栅极结点> <源极结点> <衬底结点> <模型名称> <宽W> <长L> （<插指数M>）例如：M1 out in 0 0 nmos W=1.2u L=1.2u M=2模型输入格式：.Model <模型名称> <模型类型> <模型参数>……例如：.MODEL NMOS NMOS LEVEL=2 LD=0.15U TOX=200.0E-10 VTO=0.74 KP=8.0E-05 +NSUB=5.37E+15 GAMMA=0.54 PHI=0.6 U0=656 UEXP=0.157 UCRIT=31444+DELTA=2.34 VMAX=55261 XJ=0.25U LAMBDA=0.037 NFS=1E+12 NEFF=1.001+NSS=1E+11 TPG=1.0 RSH=70.00 PB=0.58+CGDO=4.3E-10 CGSO=4.3E-10 CJ=0.0003 MJ=0.66 CJSW=8.0E-10 MJSW=0.24其中，+为SPICE语法，表示续行。
5. 分压式共射放大电路如图所示。
三极管的模型参数为:IS=1E-16, BF=100, RB=100;输入交流信号，幅值为1。
求电路的静态工作点，电压放大倍数，输入电阻及输出电阻。
设交流分析为线性扫描，频率点数10，起始频率1KHZ，终止频率10KHZ。
根据题意编写SPICE程序。
答案：*Amplifying circuitVS 1 0 AC 1RS 1 2 200C1 2 3 3.3URB1 3 7 100KRB2 3 0 20KQ1 4 3 5 MQRC 7 4 3.3KRE 5 0 1KCE 5 0 50UC2 4 6 3.3URL 6 0 5.1KVCC 7 0 12.MODEL MQ NPN(IS=1E-16 BF=100 RB=100).OP.AC LIN 10 1K 10K.PLOT AC V(6)/V(2) V(2)/I(RS) V(6)/I(RL).END五、实践理想放大器电路设计与仿真1、电路原理图放大器: 增加信号幅度或功率的装置，它是自动化技术工具中处理信号的重要元件，其作用是用输入信号控制能源来实现的，放大所需功耗由能源提供。
对于线性放大器，输出就是输入信号的复现和增强，对于非线性放大器，输出则与输入信号成一定函数关系。
理想放大器: 实际运放的开环电压增益非常大，可以近似认为A=∞，此时，有限增益运放模型可以进一步简化为理想运放模型，简称理想运放。
电路原理图如下：图1 简化的放大器电路电路说明：用Hspice分析上图简化的放大器的暂态响应，利用电压控制电压源（E:VCVS）模拟简化放大器，其增益为5。
另外，利用一峰值为1V,60Hz的正弦输入以一观察节点3的输出波形。
2、HSPICE编程：* Macro model of simplified op amp *Vp 1 0 sin(0 1 60)R1 1 2 1KR2 2 0 100KE1 3 0 2 0 5R3 3 4 1KR4 4 0 1KC1 4 0 1U.tran 1m 20m.PLOT TRAN v(1) V(2) V(3).OPTIONS POST.END3、仿真结果简化放大器电路的波形图如下：图2 简化放大器电路的总体波形图图3 放大器波形图图4 V1的波形图图5 V2的波形图图6 V3的波形图4、结果分析HSPICE 能实现集成电路设计中的稳态分析，瞬态分析和频域分析等电路性能的模拟。
通过前期对电路的分析与后期的验证，Hspice实现了电路波形的分析，输出与预期结果相同。
六、作业1. 集成电路电路级模拟的标准工具是什么软件，能进行何种性能分析？答案：集成电路电路级模拟的标准工具是SPICE。
主要可以进行如下分析：（1）直流工作点分析（2）直流扫描分析（3）小信号传输函数（4）直流或小信号交流灵敏度分析（5）交流特性分析（6）噪声分析（7）瞬态特性分析（8）傅里叶分析（9）失真分析（10）零极点分析2.构思一个CMOS放大器，画出电路图，编写SPICE输入文件。
答案：.title CH6-4.include ―models.sp‖.global vddM1 out in 0 0 nmos w=5u l=1.0uM2 out in vdd vdd pmos w=5u l=1.0uVcc vdd 0 5Vin in 0 sin(0 1 10G 1ps 0).trans 0.01u 4u.print trans v(out).end七、案例Gilbert cell电路设计与仿真1、电路原理图Gilbert cell电路常使用于通信领域，为混波器，电路原理图如图1所示。
图1 Gilbert cell 电路2、HSPICE编程*HSPICE SIMULATION FILE EX5-14*GILBERT.op.OPTIONS POST=1 LIST NUMDGT=8 LIST.LIB `.\Mm0355v.l` TT.LIB `.\Mm0355v.l` BIPM1 1 3 7 0 NCH W=2U L=2UM2 2 4 7 0 NCH W=2U L=2UM3 2 3 8 0 NCH W=2U L=2UM4 1 4 8 0 NCH W=2U L=2UM5 7 5 9 0 NCH W=2U L=2UM6 8 6 9 0 NCH W=2U L=2URD1 VDD 1 70KRD2 VDD 2 70KISS 9 0 100UAVIN1 3 0 SIN(2.5 0.25 1000K)VIN2 4 0 SIN(2.5 -0.25 1000K)VC1 5 0 SIN(1.5 0.25 10000K)VC2 6 0 SIN(1.5 -0.25 10000K)VDD VDD 0 DC 5.TRAN 5N 5U 0 10NS.PROBE TRAN V(1,2) V(3,4) V(5,6).END3、仿真结果Gilebert cell电路仿真结果V（in）与V（cont）波形，输出电压波形如图2和3所示。
图2 V（in）与V（cont）波形图3 输出电压波形八、测验（以下删除，已插入各知识点中）1. 近几年来，虽然制程技术已进入深亚微米的新硅世纪，但是在集成电路设计上，仍以____________层次的线路模拟软件____________软件为主。
答案：晶体管、SPICE2. Spice输入文件第一行可以是______________________，但不能省略，最后一行必须是_____________命令。
答案：任意说明文本、．END3. Spice中，半导体器件是用数学模型来描述的，不同的_______________所采用的模型也不同；设计的精度主要取决于_________的精度。
答案：分析功能、模型4. 对于MOSFET管子，语句“M1 4 2 7 0 MMOD”中，管子各极的节点号为_____________________________________。
答案：G：2、D：4、S：7、B：0八、常见问题1、由于粗心，电路网表漏掉个别元器件，要提醒学生认真仔细检查。
2、电路特性分析语句的设置是难点，要有一定的电路经验，需要多练习、多实践才能掌握。
3、不会分析波形与结果，需要加强电路工作原理的理论学习。
九、知识结构十一、参考资料目录1. 钟文耀,郑美珠编著.CMOS电路模拟与设计---基于Hspice.北京:科学出版社,2007.7.2. 高燕梅,房蔓楠编著.Spice/Pspice编程技术.北京:电子工业出版社,2002.6.3. 高文焕，汪蕙编著.模拟电路的计算机分析与设计——Pspice程序应用.北京：清华大学出版社，2005.1.4. [美]Steven M Sandler,Charles Hymowitz苏蕾译,安源校.spice电路分析.北京:科学出版社,2007.7.5. David A. Johns，Ken Martin，11 Analog Integrated Circuit Design，北京：科学出版社，20056. synopsys.HSPICE® Reference Manual: Commands and Control Options VersionB-2008.09, September 20087. synopsys.HSPICE® Simulation and Analysis User Guide Version Y-2006.03, March 2006知识点1：一、内容SPICE语言介绍：SPICE含义、产生、著名软件、SPICE的电路设计流程。