第3讲-电路仿真软件spice.pptx

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第3讲电路仿真软件SPICE,知识点3.1SPICE电路文件,SPICE简介,SimulationProgramforIntegratedCircuitsEmphasis,针对IC（集成电路）设计的仿真程序,SPICE,经过不断发展及应用，SPICE已经成为功能强大的通用的模拟电路仿真器，可以用来验证电路设计，预测电路行为。

SPICE是美国伯克利大学从上世纪七十年代初开始开发的电路仿真软件内核。

SPICE项目负责人DonaldPederson教授于1998年获得IEEEMedalofHonor（IEEE荣誉金奖）,SPICE能够对电路进行的分析,直流工作点分析（.OP）直流扫描分析（.DC）传输函数分析（.TF）瞬态分析（.TRAN）交流分析（.AC）傅立叶分析（.FOURIER）灵敏度分析（.SENS）失真分析（.DISTO）极点零点分析（.PZ）噪声分析（.NOISE）,可以设定分析温度，可以进行温度扫描分析。

默认的温度是300K。

前六种分析是本课程要掌握的。

用SPICE分析电路时，电路中可以包含如下元件,Independentanddependentvoltageandcurrentsources（电源）Resistors（电阻）Capacitors（电容）Inductors（电感）Mutualinductors（互感）Transmissionlines（传输线）Operationalamplifiers（运算放大器）Switches（开关）Diodes（二极管）Bipolartransistors（双极型三极管）MOStransistors（MOS场效应管）JFET（结型场效应管）MESFET（金属-半导体接触势垒场效应晶体管）,只有电路文件中所有的元件都是SPICE可以接受的，才能进行分析。

Multisim,PSPICE,TINA,PROTEL,应用软件,SPICE的最新版本是SPICE3F5，只能进行模拟电路仿真。

其扩充版本XSPICE/SPICE3F5可以进行数模混合仿真。

几乎所有的电路仿真软件都是以XSPICE/SPICE3F5为基础扩充。

Multisim界面,一个标准的SPICE电路文件（StandardSpiceFile），由六个部分组成：

SPICE电路文件,Title（firstline）：

标题，文件的第一行Datastatements（数据语句）：

描写元件和互联关系Controlstatements（控制语句）：

指明要做何种分析Outputstatements（输出语句）：

指明如何输出.end（thelastline）：

结束语句Comments（prefixwith*）：

以注释*开头是注释,TITLESTATEMENT*-ELEMENTSTATEMENTS+COMMAND（CONTROL）STATEMENTS*-OUTPUTSTATEMENTS.END,SPICE文件的具体结构,SPICE电路文件举例,首先在电路上标上节点号，元件的端口都是节点（与第1讲节点的定义不同）。

节点号分别是：

INPUT、AMP_IN、AMP_OUT和0节点号用字符串表示，但是用数字更简洁。

SPICE用节点电位法求解电路，因此必须选择一个参考点，其节点号必须是“0”，其它节点号可以使用字符串。

每种元件都有特定的标识符，如电阻是R，电容是C。

标识符后面是用以区分元件的名字。

SPICE电路文件举例,首先在电路上标上节点号，元件的端口都是节点（与第一章节点的定义不同）。

节点号分别是：

INPUT、AMP_IN、AMP_OUT和0节点号用字符串表示，但是用数字更简洁。

SPICE用节点电位法求解电路，因此必须选择一个参考点，其节点号必须是“0”，其它节点号可以使用字符串。

每种元件都有特定的标识符，如电阻是R，电容是C。

标识符后面是用以区分元件的名字。

文件中的数值可以是整数、浮点数。

数值与单位,默认单位是：

V、A、H、F，可以加后缀（单位后缀和比率后缀）。

Rin103500或Rin103.5E3（E3是比率后缀，代表10+3）Rout103.5k（k是单位后缀，代表10+3）,单位后缀和比率后缀：

T（=E12）、G（=E9）、MEG（=E6）、K（=E3）、M（=E-3）、U（=E-6）、N（=E-9）、P（=E-12）、F（=E-15）（E12，表示10+12）（文本编辑中用u表示）,Smallsignalamplifier*Thiscircuitsimulatesasmallsignalamplifier*VinInput0sin（00.1500）R_sourceInputAmp_In100C1Amp_In01uFR_Amp_InputAmp_In01megE1（Amp_Out0）（Amp_In0）-10R_LoadAmp_Out01000*.tran1.0u0.005.plotV（AMP_OUT）.end,知识点3.2元件语句,第3讲电路仿真软件SPICE,元件语句,SPICE可以接受的元件：

电源：

电压源、电流源；独立源、受控源；直流、交流、脉冲、分段线性化电阻电容电感互感传输线二极管双极型晶体管场效应晶体管（结型、MOS、金属-半导体场效应晶体管）,1独立电源（IndependentSources）,电压源:

VnameN1N2TypeValue（N1是正端，N1是负端）电流源:

InameN1N2TypeValue（参考方向是从N1N2）,电压源必须以V开头，电流源必须以I开头。

每种元件都有自己的标识符。

Type是电源的形式：

DC（直流）或AC（交流），默认是DC。

Value是具体的值。

SPICE采用的是节点电位法，直接计算输出的结果是：

各节点的电位、电压源中的电流。

因此如果要直接输出某个不含电源的电阻支路的电流，可以在此支路中串联一个0伏的电压源。

输出电流的参考方向从此电压源的正端指向负端。

对于基于SPICE的应用软件如Multisim就没有必要了。

小技巧,串联的0V电压源不影响电路,分析结果中输出的电流的参考方向是从电压源的正端指向负端,spice文件编写规则,比如：

V1abDC10和V1baDC10是不同的,V1abDC20V1abDC20V1（ab）DC20,以下写法是相同的：

spice文件编写规则,以下写法是错误的：

R122/3V23DCE,R125kr125k是相同的,V2310即：

V23DC10,忽略了电源的类型，以及电压的单位。

分贝取默认值DC和V。

2受控源（DependentSources）,压控电压源（VCVS）:

EnameN1N2NC1NC2Value,压控电流源（VCCS）:

GnameN1N2NC1NC2Value,2受控源（DependentSources）,流控电压源（CCVS）:

HnameN1N2VcontrolValue,流控电流源（CCCS）:

FnameN1N2VcontrolValue,流控电源的控制支路必须有一个独立的电压源，这个独立的电压源中的电流控制受控源的输出。

R10.5,+,+,Vx,2Vx,2Ix,2Vy,+,Vy,Ix,E1,G1,F1,+,Vm0V,F153Vm2,G1（65）（32）2,E158102,此电路含三种受控源,例1,3电阻,RnameN1N2Value,4电容,CnameN1N2Value,LnameN1N2Value,5电感,中是可选项，默认值是0。

C53435E-125,L12736.25E-31m,写出如图电路SPICE文件的元件部分。

例2,R10.5,+,+,Vx,2Vx,2Ix,2Vy,+,Vy,Ix,E1,G1,F1,+,Vm0V,R1230.5R2101R3600.5R4341,V121DC2V261DC4V367DC2Vm08DC0,F153Vm2G165322E158102,知识点3.3直流分析与输出语句,第3讲电路仿真软件SPICE,1直流分析语句,

（1）直流工作点分析语句：

MyfirstcircuitV10DC10R1121000R2201000.op.end,无参数，计算出各节点电位和电压源的电流。

.OP,

（2）直流扫描语句：

扫描电路中的电源：

SRCname，START-开始值，STOP结束值，STEP步长。

在输出图中，横坐标是SRCname。

纵坐标由.plot指出。

.DCSRCnameSTARTSTOPSTEP,MyfirstcircuitV10DC10R1121000R2201000.DCV1101.plotDCV

（1）V

（2）.end,DrawcurveofadiodeV10DCVmeas12DC0D20mydiode.modelmydiodeD.DCV01.20.01.plotDCI（Vmeas）.end,电压源的默认值是1V，电流源的默认值是1A。

（3）直流小信号传输函数分析语句,.TFOUTIN,OUT是输出变量，IN是输入源。

TF分析输出如下结果：

输出与输入之比，即OUT/IN（放大倍数，传输增益）。

输入源后的二端网络的输入电阻。

输出端的输出电阻。

.TFV（8）Vin,计算出：

V（8）/VinV（8）即输出端的开路电压输出电阻ro从输入端看进去的输入电阻ri,因此利用.TF分析功能可以计算有源二端网络的戴维宁等效电路,FindtheoutputrV1010R1121kR2201k.TFV

（2）V.end,FindtheoutputrV1010R1121kR2201k.TFV

（2）V.end,2输出语句,

（1）.PRINT,.PRINTTYPEOV1OV2OV3.,输出一个表格，OV1、OV2、OV3是输出参数，TYPE是分析的形式,

（2）.PLOT,.PLOTTYPEOV1OV2OV3.,绘制曲线，OV1、OV2、OV3是输出参数，TYPE是分析的形式,分析类型：

DC、AC、TRAN,EXAMPLER1230.5R2101R3600.5R4341V121DC2V261DC4V367DC2Vm08DC0F153Vm2G165322E158102.OP.END,例1用.OP分析如下直流电路。

例2用.TF分析求如下有源二端网络的戴维宁电路。

电路中所有电阻均为1,ExampleofTFanalysisI101DC1R11a1R2211R32a1R4231R5131R63a1R7101G130103.TFv（a）I1.end,例2用.TF分析求如下有源二端网络的戴维南电路。

电路中所有电阻均为1,开路电压：

Vo=0.6251A=0.625V,知识点3.4子电路与模型语句,第3讲电路仿真软件SPICE,1子电路,子电路用控制语句.SUBCKT，其后是电路描述，最后以.ENDS结束。

.SUBCKTSUBNAMEN1N2N3.Elementstatements.ENDSSUBNAME,端口,电路描述,在文件中定义了的子电路可以任意调用，调用语句：

XnameK1K2K3.SUBNAME,.SUBCKTPara23R1231kR2233k.endsparaX123paraX2abparaX3efpara,2.model语句,前边讲过的电阻、电容和电感元件，其参数都比较简单，在SPICE文件中编写这些元件时只需每次输入参数就可以了。

但是有些元件的参数是很多的，如二极管，如果对于某种型号的二极管，每用到一次都输入参数是不现实的。

.model语句将具体的参数填到某种器件模型的模板中，形成一个具体的器件，使用时只需调用这个器件就可以了。

.MODELMODNameType（parametervalues）,SW压控开关CSW流控开关D二极管NPNNPN型三极管PNPPNP型三极管,具体参数，按照具体模型的规则编写,器件名称,模型的类型,压控和流控开关,元件调用压控开关：

SnameN1N2C1C2Mname流控开关:

WnameN1N2VnameMname,模型定义.MODELMnameSW（parameters）压控开关.MODELMnameCSW（parameters）流控开关,压控开关的参数包括：

RON（开关闭合时电阻，默认值是1），ROFF（断开时的电阻）,VT（使开关闭合的阈值电压，默认值是0V）,VH（迟滞电压，默认值是0V）。

.MODELswitchSW（RON=2,VT=2）,开关闭合时其电阻为2，开关动作的阈值控制电压是2V。

S112abswitchS234efswitch,.model1N4148D（IS=0.1PA,RS=16CJO=2PFTT=12NBV=100+IBV=0.1PA）*D1121N4148D20ac1N4148,调用器件,将模型填上参数，实例化为一个具体的器件,二极管,模型定义与调用,三极管,元件调用QnameCBEBJT_modelName,模型定义NPN型：

.MODELBJT_modNameNPN（parameters）,模型定义PNP型:

.MODELBJT_modNamePNP（parameters）,使用.DC语句画三极管的输出特性曲线三极管,DrawtheoutputcurveofNPNbjtI01DCVm32DC0Vc30DC.modelbjtNPNQ210bjt.DCVc0120.1I0100u10u.plotDCi（Vm）.end,.DC语句中使用了双重扫描，前一个扫面一周，都一个扫描一步。

.model语句中为定义的参数取其默认值。

三极管2N2222a的输出特性曲线,Drawtheoutputcurveof2N2222aI01DCVm32DC0Vc30DC.model2N2222aNPN（Level=1IS=3.0611e-014BF=220NF=1.00124VAF=104+IKF=0.52ISE=7.5e-015NE=1.41BR=4NR=1.005VAR=28IKR=0.24+ISC=1.06525e-011NC=1.3728RB=0.13RE=0.22RC=0.12CJE=2.701e-011+TF=3.25e-010CJC=9.12e-012VJC=0.4089MJC=0.3508TR=1e-007）Q2102N2222a.DCVc0120.1I0100u10u.ploti（Vm）.end,默认三极管的输出特性曲线,具体的元件参数参数,第3讲电路仿真软件SPICE,知识点3.5Aim-spice软件使用方法,Aim-spice,Aim-spice是基于Spice3E1的电路仿真软件。

Spice是比Spice3F5更早期的Spice版本。

具有Spice电路文件编辑窗口，可以运行标准的Spice文件，因此我们在学习Spice时选用该软件。

我们为大家提供Aim-spiceV5.6学生版软件，大家可以免费使用。

Spice电路文件编辑窗口,运行标准Spice的指令,为什么不直接使用可以用电路图输入的电路仿真软件，而是选用Aim-spice呢？

比如，使用Multisim可以用电路图输入，这样就可以不学Spice了？

使用Aim-spice的原因,1为了学习Spice，了解Spice的仿真原理。

不懂Spice的确可以使用Multisim进行电路仿真，但是不可能真正使用好像Multisim这样的电路仿真应用软件。

2电路仿真软件中的器件总是有限的，有时需要进行元件建模，不学Spice就不会器件建模。

3使用Spice内核进行电路仿真速度快，对于规模比较小的电路直接是使用内核仿真更方便。

我们使用的版本是免费版本Aim-spiceStudentVersion5.6，因此其功能做了某些限制。

比如电路元件不能太多，计算的点数有限制。

但是就我们学习Spice而言基本可以满足。

由于输出点数的限制，造成了曲线不光滑的现象,输出的曲线比较光滑,由于其基于Spice3E1版本，因此有个别Spice3F5的特性Aim-Spice不具备,Vabsin（01010000030）,正弦信号的初相，Aim-spcie不具备,有关Aim-Spice及Spice的详细介绍请参考帮助菜单。

帮助菜单,感觉Aim-spice学生版功能受限，是否有基于Spice3f5的、全功能的、免费的电路仿真软件？

有！

比如Spiceopus，基于Spice3f5/Xspice,Spiceopus的缺点是没有电路文件编辑窗口，要使用其他软件编辑电路文件，然后用Spiceopus命令行指令载入电路文件进行仿真，对于初学者来说不方便。

对于用Aim-spice不能分析的电路，我们将使用Spiceopus来分析，其使用方法将在使用时介绍。

Aim-spice使用演示,1安装软件,2设置软件,3窗口介绍,设置能够运行标准的spice文件。

文件菜单、分析菜单、帮助。

4演示一个简单的直流电路仿真,.op分析,5举例：

.DC分析,6举例：

.TF分析,+,V17V,R110,R220,2,0,V25V,+,+,V38V,1,3,4,IS2A,R35,Example1V110DC7R11210V223DC5R23020V342DC8IS402R3405.op.end,演示1,EXAMPLER1230.5R2101R3600.5R4341V121DC2V261DC4V367DC2Vm08DC0F153Vm2G165322E158102.OP.END,演示2,ExampleofTFanalysisI101DC1R11a1R2211R32a1R4231R5131R63a1R7101G130103.TFv（a）I1.end,演示3,ExampleofTFanalysisI101DC1R11a1R2211R32a1R4231R5131R63a1R7101G130103.TFv（a）I1.end,开路电压：

Vo=0.6251A=0.625V,DrawtheoutputcurveofNPNbjtI01DCVm32DC0Vc30DC.modelbjtNPNQ210bjt.DCVc0120.1I0100u10u.plotDCi（Vm）.end,演示4,Drawtheoutputcurveof2N2222aI01DCVm32DC0Vc30DC.model2N2222aNPN（Level=1IS=3.0611e-014BF=220NF=1.00124VAF=104+IKF=0.52ISE=7.5e-015NE=1.41BR=4NR=1.005VAR=28IKR=0.24+ISC=1.06525e-011NC=1.3728RB=0.13RE=0.22RC=0.12CJE=2.701e-011+TF=3.25e-010CJC=9.12e-012VJC=0.4089MJC=0.3508TR=1e-007）Q2102N2222a.DCVc0120.1I0100u10u.ploti（Vm）.end,