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(jiǎn)介2、IsSpice43、PSpice4、Multisim(EWB)

2SPICE簡(jiǎn)介1.功能強(qiáng)大的通用電路仿真程序2.發(fā)展歷史3.SPICE的語(yǔ)言基礎(chǔ)4.分析功能

2-13SPICE（SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis）是由美國(guó)加州大學(xué)推出的電路分析仿真軟件，是20世紀(jì)80年代世界上應(yīng)用最廣的電路設(shè)計(jì)軟件，1998年被定為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。1984年，美國(guó)MicroSim公司推出了基于SPICE的微機(jī)版PSPICE（Personal—SPICE）?，F(xiàn)在用得較多的是PSPICE6.2，可以說(shuō)在同類產(chǎn)品中，它是功能最為強(qiáng)大的模擬和數(shù)字電路混合仿真EDA軟件，在國(guó)內(nèi)普遍使用。最新推出了PSPICE9.1版本。它可以進(jìn)行各種各樣的電路仿真、激勵(lì)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(shí)顯示模擬與數(shù)字的仿真結(jié)果。無(wú)論對(duì)哪種器件哪些電路進(jìn)行仿真，都可以得到精確的仿真結(jié)果，并可以自行建立元器件及元器件庫(kù)。

4SPICE出生于加州大學(xué)伯克利分校(UCB)EECS系，是預(yù)測(cè)集成電路電器特性的軟件。事實(shí)上，SPICE這個(gè)名字是從"SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis"來(lái)的。(重點(diǎn)應(yīng)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(huì)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(gè)人對(duì)這篇論文或者它所描述的程序都有清晰的認(rèn)識(shí)。

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當(dāng)所有人對(duì)SPICE不抱大的希望時(shí)，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(xué)院接受，工業(yè)的發(fā)展支持SPICE的發(fā)展，很快擴(kuò)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(xué)院的學(xué)生都在學(xué)習(xí)如何使用SPICE及其派生物。事實(shí)上，每一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)組織，委員會(huì)，會(huì)議，定位論文和機(jī)構(gòu)等等的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

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為什么SPICE有這么廣泛的應(yīng)用，最大的原因是SPICE產(chǎn)生于公眾大學(xué)，從開(kāi)始就是在公開(kāi)的領(lǐng)域中。這一點(diǎn)直接歸功于DonPedeson。因?yàn)樽畛跏亲鳛橐环N教學(xué)工具，幫助學(xué)生理解集成電路的績(jī)效，迅速流傳到世界上很多工程大學(xué)。當(dāng)學(xué)生們進(jìn)入集成電路工業(yè)時(shí)，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(kuò)散，應(yīng)用自然廣泛。

SPICE是UCB開(kāi)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(gè)階段。事實(shí)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(fèi)城召開(kāi)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(diǎn)分析；直流小信號(hào)傳遞函數(shù)值分析；直流掃描分析；直流小信號(hào)靈敏度分析。在進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)分析時(shí)，電路中的電感全部短路，電容全部開(kāi)路，分析結(jié)果包括電路每一節(jié)點(diǎn)的電壓值和在此工作點(diǎn)下的有源器件模型參數(shù)值。這些結(jié)果以文本文件方式輸出。

直流小信號(hào)傳遞函數(shù)值是電路在直流小信號(hào)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(jì)算出來(lái)。進(jìn)行此項(xiàng)分析時(shí)電路中不能有隔直電容。分析結(jié)果以文本方式輸出。

直流掃描分析可作出各種直流轉(zhuǎn)移特性曲線。輸出變量可以是某節(jié)點(diǎn)電壓或某節(jié)點(diǎn)電流，輸入變量可以是獨(dú)立電壓源、獨(dú)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(hào)靈敏度分析是分析電路各元器件參數(shù)變化時(shí)，對(duì)電路特性的影響程度。靈敏度分析結(jié)果以歸一化的靈敏度值和相對(duì)靈敏度形式給出，并以文本方式輸出。

92.交流小信號(hào)分析：

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

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

PSPICE用于噪聲分析時(shí)，可計(jì)算出每個(gè)頻率點(diǎn)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(jìn)行歸一化。它們的單位是V/Hz1/2。

103.瞬態(tài)分析：

即時(shí)域分析，包括電路對(duì)不同信號(hào)的瞬態(tài)響應(yīng)，時(shí)域波形經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換（FFT）后，可得到頻譜圖。通過(guò)瞬態(tài)分析，也可以得到數(shù)字電路時(shí)序波形。

另外，PSPICE可以對(duì)電路的輸出進(jìn)行傅里葉分析，得到時(shí)域響應(yīng)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(jié)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(jī)變化時(shí)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(jì)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(jì)規(guī)律同時(shí)發(fā)生隨機(jī)變化；而最壞情況分析則是在最后一次分析時(shí)，使各個(gè)參數(shù)同時(shí)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(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管

)Digitalgates12BasicFlowforSPICE基本電路結(jié)構(gòu)設(shè)定工作條件觀察輸出及測(cè)量參數(shù)選擇分析種類及輸入信號(hào)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(jié)束NYYN工作條件,電壓,溫度負(fù)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(yǔ)句

（2）分析語(yǔ)句

（3）輸出語(yǔ)句2.元件值的寫(xiě)法

比率后綴：T、G、MEG、K等單位的寫(xiě)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(yǔ)句1.電阻、電容、電感的描述

R<name>N1N2Value↑↑↑↑↑

電阻

電阻名連接節(jié)點(diǎn)1、2阻值電容、電感與電阻類似

C<name>N1N2ValueL<name>N1N2Value2-3192.電源（1）獨(dú)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(diǎn)負(fù)端節(jié)點(diǎn)

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(diǎn)流出端節(jié)點(diǎn)

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(yǔ)句1..OP分析語(yǔ)句（1）各節(jié)點(diǎn)電壓（2）流過(guò)獨(dú)立恒壓源的電流（3）每個(gè)元件的靜態(tài)工作點(diǎn)2..DC分析語(yǔ)句對(duì)獨(dú)立電源的參數(shù)進(jìn)行掃描2-422.DCSRCnameSTARTSTOPSTEP↑↑↑↑↑DC命令被掃描電源起始值終止值步長(zhǎng)例：.DCV11100.5表示分析恒壓源V1電壓從1v到10v變化時(shí)電路狀態(tài)的變化，每隔0.5v分析一次。.TF語(yǔ)句用于分析電路小信號(hào)情況下的傳輸函數(shù)23輸出語(yǔ)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(yǔ)句.SUBCKTSUBNAMEN1N2….ENDSUBNAME2.子電路調(diào)用語(yǔ)句.X<name>N1N2…SUBNAME2-625PSpice7.1SPICE是一種通用電路分析程序，能對(duì)電路結(jié)構(gòu)、參數(shù)以及電路性能進(jìn)行描述，并能方便地得到各種分析結(jié)果。最早的SPICE版本是由UCBerkeley于1972年開(kāi)發(fā)出來(lái)的。目前，計(jì)算機(jī)輔助電路分析程序都基本上以SPICE作為標(biāo)準(zhǔn)。PSpice即SPICE的PC版。以下我們將介紹MacroSim公司的PSpice7.1。它可以對(duì)電路進(jìn)行不同輸入狀態(tài)的時(shí)間響應(yīng)、頻率響應(yīng)、噪聲和其它有關(guān)信息的模擬分析和優(yōu)化，以保證所設(shè)計(jì)的電路達(dá)到性能指標(biāo)最優(yōu)。26IsSpice4由美國(guó)Intusoft

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

公司還開(kāi)發(fā)很多的人機(jī)接口軟件，讓使用者容易操作與應(yīng)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(biāo)榜使用者不需要強(qiáng)記SPICE的指令語(yǔ)法，只需依照交談模式輸入資料或選擇項(xiàng)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(dāng)多，例如執(zhí)行仿真后將系統(tǒng)切換回SpiceNet

窗口畫(huà)面，可以直接在電路圖上顯示測(cè)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(cè)試波形。還可將元件值或溫度值設(shè)定為一連續(xù)變動(dòng)數(shù)值，再把所有對(duì)應(yīng)變動(dòng)值的波形顯示出來(lái)。27電路輸入28電路仿真293031PSpice7.1的組成MacroSimPSpice7.1是一個(gè)綜合性軟件包，其中包含多個(gè)實(shí)用軟件，每一軟件可單獨(dú)運(yùn)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(jìn)行各項(xiàng)模擬分析；PSpice：整個(gè)MicroSim

PSpice的核心，用于對(duì)輸入電路進(jìn)行模擬分析；Probe：信號(hào)波形處理程序；StimulusEditor：信號(hào)源（激勵(lì)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(dòng)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(kāi)存盤打印Schematics的工具條剪切復(fù)制粘帖取消操作重復(fù)操作重畫(huà)放大縮小局部放大全局視圖畫(huà)線畫(huà)總線建立模塊引入文本獲取元件最近訪問(wèn)之元件元件屬性修改元件符號(hào)分析設(shè)置模擬分析34用Schematics畫(huà)的電路圖35由

Probe顯示的模擬分析結(jié)果36PSpice操作實(shí)例第一步放置元件動(dòng)態(tài)演示37連線第二步動(dòng)態(tài)演示38模擬選項(xiàng)設(shè)置第三步動(dòng)態(tài)演示39第四步模擬動(dòng)態(tài)演示40PSpice實(shí)驗(yàn)舉例（直流傳輸函數(shù)和輸入輸出電阻計(jì)算）一個(gè)單管放大電路如下圖所示，設(shè)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(jì)算電路的直流工作點(diǎn)，計(jì)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_