電路仿真程序spice入門

第二章電路仿真程序spice入門1內(nèi)容提要1、Spice簡介2、IsSpice43、PSpice4、Multisim(EWB)

2SPICE簡介1.功能強大的通用電路仿真程序2.發(fā)展歷史3.SPICE的語言基礎4.分析功能

2-13SPICE（SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis）是由美國加州大學推出的電路分析仿真軟件，是20世紀80年代世界上應用最廣的電路設計軟件，1998年被定為美國國家標準。1984年，美國MicroSim公司推出了基于SPICE的微機版PSPICE（Personal—SPICE）?，F(xiàn)在用得較多的是PSPICE6.2，可以說在同類產(chǎn)品中，它是功能最為強大的模擬和數(shù)字電路混合仿真EDA軟件，在國內(nèi)普遍使用。最新推出了PSPICE9.1版本。它可以進行各種各樣的電路仿真、激勵建立、溫度與噪聲分析、模擬控制、波形輸出、數(shù)據(jù)輸出、并在同一窗口內(nèi)同時顯示模擬與數(shù)字的仿真結果。無論對哪種器件哪些電路進行仿真，都可以得到精確的仿真結果，并可以自行建立元器件及元器件庫。

4SPICE出生于加州大學伯克利分校(UCB)EECS系，是預測集成電路電器特性的軟件。事實上，SPICE這個名字是從"SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis"來的。(重點應用于集成電路的仿真程序)

23年前，1973年4月12日，在加拿大滑鐵盧舉行的第十六屆中西部電路理論研討會上，SPICE面世了。提供論文的是UCB的DonaldO.Pederson教授。我相信并不是每個人對這篇論文或者它所描述的程序都有清晰的認識。

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當所有人對SPICE不抱大的希望時，所發(fā)生的事情卻是非常顯著的。短短幾年內(nèi)，SPICE被幾乎所有的電子工程學院接受，工業(yè)的發(fā)展支持SPICE的發(fā)展，很快擴展至集成電路工業(yè)。到二十五年后的今天，所有的電子工程學院的學生都在學習如何使用SPICE及其派生物。事實上，每一個處理電路網(wǎng)表的CAD軟件都精確的使用最初的SPICE2G6同樣的網(wǎng)表描述。一句話，SPICE成了各種標準組織，委員會，會議，定位論文和機構等等的工業(yè)標準。

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為什么SPICE有這么廣泛的應用，最大的原因是SPICE產(chǎn)生于公眾大學，從開始就是在公開的領域中。這一點直接歸功于DonPedeson。因為最初是作為一種教學工具，幫助學生理解集成電路的績效，迅速流傳到世界上很多工程大學。當學生們進入集成電路工業(yè)時，總是從Berkeley取得一份SPICE的拷貝用于他們的工作。SPICE這樣增生擴散，應用自然廣泛。

SPICE是UCB開發(fā)的最新電路仿真程序，和其它較次要的知名程序一樣，經(jīng)歷了BIAS，SLIC，TIME，CANCER幾個階段。事實上，SPICE很大程度上派生于早兩年的CANCER程序，CANCER由RonaldA.Rohrer教授在1971費城召開的ISSCC上發(fā)表公布。

7TypesofcircuitanalysisNon-linearDCanalysiscalculatestheDCtransfercurveNon-lineartransientanalysisCalculatesthevoltageandcurrentasafunctionoftimewhenalargesignalisappliedLinearACanalysisCalculatestheoutputasafunctionoffrequency.AbodeplotisgeneratedNoiseanalysisMonteCarlo(Randomsweep)analysisSensitivityanalysisFourieranalysisCalculatesandplotsthefrequencyspectrum81.直流分析：

包括電路的靜態(tài)工作點分析；直流小信號傳遞函數(shù)值分析；直流掃描分析；直流小信號靈敏度分析。在進行靜態(tài)工作點分析時，電路中的電感全部短路，電容全部開路，分析結果包括電路每一節(jié)點的電壓值和在此工作點下的有源器件模型參數(shù)值。這些結果以文本文件方式輸出。

直流小信號傳遞函數(shù)值是電路在直流小信號下的輸出變量與輸入變量的比值，輸入電阻和輸出電阻也作為直流解析的一部分被計算出來。進行此項分析時電路中不能有隔直電容。分析結果以文本方式輸出。

直流掃描分析可作出各種直流轉移特性曲線。輸出變量可以是某節(jié)點電壓或某節(jié)點電流，輸入變量可以是獨立電壓源、獨立電流源、溫度、元器件模型參數(shù)和通用（Global）參數(shù)（在電路中用戶可以自定義的參數(shù)）。

直流小信號靈敏度分析是分析電路各元器件參數(shù)變化時，對電路特性的影響程度。靈敏度分析結果以歸一化的靈敏度值和相對靈敏度形式給出，并以文本方式輸出。

92.交流小信號分析：

包括頻率響應分析和噪聲分析。PSPICE進行交流分析前，先計算電路的靜態(tài)工作點，決定電路中所有非線性器件的交流小信號模型參數(shù)，然后在用戶所指定的頻率范圍內(nèi)對電路進行仿真分析。

頻率響應分析能夠分析傳遞函數(shù)的幅頻響應和相頻響應，亦即，可以得到電壓增益、電流增益、互阻增益、互導增益、輸入阻抗、輸出阻抗的頻率響應。分析結果均以曲線方式輸出。

PSPICE用于噪聲分析時，可計算出每個頻率點上的輸出噪聲電平以及等效的輸入噪聲電平。噪聲電平都以噪聲帶寬的平方根進行歸一化。它們的單位是V/Hz1/2。

103.瞬態(tài)分析：

即時域分析，包括電路對不同信號的瞬態(tài)響應，時域波形經(jīng)過快速傅里葉變換（FFT）后，可得到頻譜圖。通過瞬態(tài)分析，也可以得到數(shù)字電路時序波形。

另外，PSPICE可以對電路的輸出進行傅里葉分析，得到時域響應的傅里葉分量（直流分量、各次諧波分量、非線性諧波失真系數(shù)等）。這些結果以文本方式輸出。

4.蒙特卡羅（MonteCarlo）分析和最壞情況（WorstCase）分析：

蒙特卡羅分析是分析電路元器件參數(shù)在它們各自的容差（容許誤差）范圍內(nèi)，以某種分布規(guī)律隨機變化時電路特性的變化情況，這些特性包括直流、交流或瞬態(tài)特性。

最壞情況分析與蒙特卡羅分析都屬于統(tǒng)計分析，所不同的是，蒙特卡羅分析是在同一次仿真分析中，參數(shù)按指定的統(tǒng)計規(guī)律同時發(fā)生隨機變化；而最壞情況分析則是在最后一次分析時，使各個參數(shù)同時按容差范圍內(nèi)各自的最大變化量改變，以得到最壞情況下的電路特性。11SPICEComponentsIndependentordependentvoltageandcurrentsourceRegistersInductorsCapacitorsMutualInductors(互感器)Transmissionsline(傳輸線)OperationalAmplifierSwitchesDiodesBipolar/MOStransistorJFET/MESFET(金屬半導體場效應晶體管

)Digitalgates12BasicFlowforSPICE基本電路結構設定工作條件觀察輸出及測量參數(shù)選擇分析種類及輸入信號建立模擬電路組態(tài)執(zhí)行模擬程序滿足要求其他改變電路元件參數(shù)結束NYYN工作條件,電壓,溫度負載OP/DC/TRAN/AC.probe/measurement13PSPICE.CIR;spicebasicinputfile.OUT;outputfile(includingerror,simulationdata).DAT;simulationdatafile(binaryformat).INC;sub-circuit..LIB;simulationlibraryetc..SCH;schematicfile.NET;netconnection14HSPICE.sp;inputnetlist.cfg;designconfigurationhspice.ini;hspiceinitializationfile.st0;runtimestatus.lis;outputlisting.tr#;transientanalysisdata.sw#;dcanalysisdata.ac#;acanalysisdata.mt#;measureoutput15IndependentSourceDCACTransient(Timevarying)PulseSinPwlMixedDigitalinputelement16SPICE電路文件1.描述方法

（1）電路數(shù)據(jù)語句

（2）分析語句

（3）輸出語句2.元件值的寫法

比率后綴：T、G、MEG、K等單位的寫法：V、A、ohm（歐姆）等2-217UnitsR–ohmC–FaradL–HenryScalefactorNumber

Prefix

CommonName

1012

=

1E12-

"T"or"t"

tera

109

=

1E9

-

"G"or"g"

giga

106

=

1E6-

"MEG"or"meg"

mega

103

=

1E3

-

"K"or"k"

kilo

10-3

=

1E-3

-

"M"or"m"

milli

10-6

=

1E-6

-

"U"or"u"

micro

10-9

=

1E-9

-

"N"or"n"

nano

10-12=

1E-12-

"P"or"p"

pico

10-15

=

1E-15-

"F"or"f"

femto

18元件語句1.電阻、電容、電感的描述

R<name>N1N2Value↑↑↑↑↑

電阻

電阻名連接節(jié)點1、2阻值電容、電感與電阻類似

C<name>N1N2ValueL<name>N1N2Value2-3192.電源（1）獨立恒壓源和恒流源恒壓源：

V<name>N1N2TypeValue↑↑↑↑↑↑恒壓源電源名正端節(jié)點負端節(jié)點

電源形式

電壓值

恒流源：

I<name>N1N2TypeValue↑↑↑↑↑↑恒流源電源名流入端節(jié)點流出端節(jié)點

電源形式

電流值20（2）線性受控源壓控電壓源E<name>N1N2NC1NC2Value壓控電流源G<name>N1N2NC1NC2Value流控電壓源H<name>N1N2VcontrolValue流控電流源F<name>N1N2VcontrolValue21直流分析語句1..OP分析語句（1）各節(jié)點電壓（2）流過獨立恒壓源的電流（3）每個元件的靜態(tài)工作點2..DC分析語句對獨立電源的參數(shù)進行掃描2-422.DCSRCnameSTARTSTOPSTEP↑↑↑↑↑DC命令被掃描電源起始值終止值步長例：.DCV11100.5表示分析恒壓源V1電壓從1v到10v變化時電路狀態(tài)的變化，每隔0.5v分析一次。.TF語句用于分析電路小信號情況下的傳輸函數(shù)23輸出語句1.輸出列表.PRINTTYPEOV1OV2…↑↑↑↑…PRINT命令掃描類型待輸出的變量名2.繪圖.PLOTTYPEOV1OV2…↑↑↑↑…PLOT命令掃描類型待輸出的變量名2-524子電路的定義和調(diào)用1.子電路的定義語句.SUBCKTSUBNAMEN1N2….ENDSUBNAME2.子電路調(diào)用語句.X<name>N1N2…SUBNAME2-625PSpice7.1SPICE是一種通用電路分析程序，能對電路結構、參數(shù)以及電路性能進行描述，并能方便地得到各種分析結果。最早的SPICE版本是由UCBerkeley于1972年開發(fā)出來的。目前，計算機輔助電路分析程序都基本上以SPICE作為標準。PSpice即SPICE的PC版。以下我們將介紹MacroSim公司的PSpice7.1。它可以對電路進行不同輸入狀態(tài)的時間響應、頻率響應、噪聲和其它有關信息的模擬分析和優(yōu)化，以保證所設計的電路達到性能指標最優(yōu)。26IsSpice4由美國Intusoft

公司所發(fā)展，是一套以柏克萊SPICE3F.5版為基礎之商業(yè)化軟件。另外，Intusoft

公司還開發(fā)很多的人機接口軟件，讓使用者容易操作與應用。這些軟件統(tǒng)稱為ICAP/4系統(tǒng)。1997年正式發(fā)表第8版(Version8)，標榜使用者不需要強記SPICE的指令語法，只需依照交談模式輸入資料或選擇項目，即可以完成電路仿真與分析工作。第8版最主要是更新SpiceNet

電路圖輸入軟件的功能。新增的功能相當多，例如執(zhí)行仿真后將系統(tǒng)切換回SpiceNet

窗口畫面，可以直接在電路圖上顯示測試波形。亦可立即修改元件值或溫度值，并立即顯示修改電路后的測試波形。還可將元件值或溫度值設定為一連續(xù)變動數(shù)值，再把所有對應變動值的波形顯示出來。27電路輸入28電路仿真293031PSpice7.1的組成MacroSimPSpice7.1是一個綜合性軟件包，其中包含多個實用軟件，每一軟件可單獨運行，亦可由Schematics軟件統(tǒng)一調(diào)度。Schematics：是與PSpice其它部分直接相連的圖形化前端程序，可編輯電路圖形文件，并調(diào)用其它程序進行各項模擬分析；PSpice：整個MicroSim

PSpice的核心，用于對輸入電路進行模擬分析；Probe：信號波形處理程序；StimulusEditor：信號源（激勵源）編輯器；Parts：元件參數(shù)提取程序；PSpiceOptimizer：優(yōu)化電路程序；PCBoards：印刷電路板布局程序；Specctra：自動布線程序。32PSpice7.1Schematics的主界面Schematics是PSpice的圖形前端程序，起統(tǒng)一調(diào)度作用33新建打開存盤打印Schematics的工具條剪切復制粘帖取消操作重復操作重畫放大縮小局部放大全局視圖畫線畫總線建立模塊引入文本獲取元件最近訪問之元件元件屬性修改元件符號分析設置模擬分析34用Schematics畫的電路圖35由

Probe顯示的模擬分析結果36PSpice操作實例第一步放置元件動態(tài)演示37連線第二步動態(tài)演示38模擬選項設置第三步動態(tài)演示39第四步模擬動態(tài)演示40PSpice實驗舉例（直流傳輸函數(shù)和輸入輸出電阻計算）一個單管放大電路如下圖所示，設晶體管參數(shù)為Is=5×10-15A，F(xiàn)=100，RBB’=100，VA=50V。要求：調(diào)節(jié)VBB使ICQ1=2mA，計算電路的直流工作點，計算電路的電壓增益和輸入輸出電阻。41電路圖

VCC(+10V)

RC(2K)

RB(10K)+Q1

Vs

VBBVo_