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：RXXXXXXXN+N-(MODEL)NAMEVALUETC=TC1TC2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=TC1TC2可选的温度系数，TC1TC2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：.MODELMNAMERESR=PVAL1TC1=PVAL2TC2=PVAL3TCE=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：R403RMOD100.MODELRMODRES(R=2TC1=0.1TC2=0.01)1.2电容电感描述语句：CXXXXXXXN+N-(MODEL)NAMEVALUEIC=INCONDLXXXXXXXN+N-(MODEL)NAMEVALUEIC=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：.MODELMNAMECAP(C=PVAL1VC1=PVAL2VC2=PVAL3TC1=PVAL4TC2=PVAL5).MODELMNAMEIND(L=PVAL1IL1=PVAL2IL2=PVAL3TC1=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：KXXXXXXXLYYYYYYYLZZZZZZZ...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0VALUE1，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：.MODELMNAMECOREAREA=PVAL1PATH=PVAL2GAP=PVAL3PACK=PVAL4MS=...1.4无损传输线描述语句：TXXXXXXXN1N2N3N4Z0-VALUETD=VALUEF=FREQNL=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：SXXXXXXXN+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：.MODELNAMEVSWITCHRON=PVAL1ROFF=PVAL2VON=PVAL3VOFF=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：WXXXXXXXN+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：.MODELISMODISWITCHRON=PVAL1ROFF=PVAL2ION=PVAL3IOFF=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：DXXXXXXXN+N-MNAMEAREAOFFIC=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：.MODELMNAMED(PNAME1=PVAL1PNAME2=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：QXXXXXXXNCNBNENSMNAMEAREAOFFIC=VBE,VCE其中：NCNBNENS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：.MODELMNAMENPN(ORPNP)(PNAME=PVAL1PNAME=PVAL2...)双极型晶体管模型有两种类型，NPNPNP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)：2.3MOS场效应晶体管描述语句：MXXXXXXXNDNGNSNBMNAMEL=VALW=VALAD=VALAS=VALPD=VALPS=VAL+NRD=VALNRS=VALOFFIC=VDS,VGS,VBS其中：NDNGNSNB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LW分别是MOS场效应晶体管沟道的长、宽ADAS为漏极和源极的扩散区的面积PDPS为漏极和源极的周长NRDNRS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2.3.1MOS场效应晶体管模型语句：.MODELMNAMENMOS(ORPMOS)(PNAME=PVAL1PNAME=PVAL2...)MOS场效应晶体管模型有两种类型，NMOSPMOS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=1Shichman-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：JXXXXXXXNDNGNSMNAMEAREAOFFIC=VDS,VGS其中：NDNGNS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：.MODELMNAMENJF(ORPJF)(PNAME=PVAL1PNAME=PVAL2...)结型场效应晶体管模型有两种类型，NJFPJF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2.5GaAs场效应晶体管描述语句：BXXXXXXXNDNGNSMNAMEAREAOFFIC=VDS,VGS,VBS其中：NDNGNS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2.5.1GaAs场效应晶体管模型语句：.MODELMNAMEGASFET(PNAME=PVAL1PNAME=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=1Curtice模型LEVEL=2St