第7章SPICE语言及电路仿真.docx

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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、SPICE

2.商用的SPICE软件主要有________、________、________、________与________等。

答案：

Hspice、Pspice、SBTspice、SmartSPICE、Tspice

3.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、100MHz

4.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：

M1outin00nmosW=1.2uL=1.2uM=2

模型输入格式：

.Model<模型名称><模型类型><模型参数>……

例如：

.MODELNMOSNMOSLEVEL=2LD=0.15UTOX=200.0E-10VTO=0.74KP=8.0E-05

+NSUB=5.37E+15GAMMA=0.54PHI=0.6U0=656UEXP=0.157UCRIT=31444

+DELTA=2.34VMAX=55261XJ=0.25ULAMBDA=0.037NFS=1E+12NEFF=1.001

+NSS=1E+11TPG=1.0RSH=70.00PB=0.58

+CGDO=4.3E-10CGSO=4.3E-10CJ=0.0003MJ=0.66CJSW=8.0E-10MJSW=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：

*Amplifyingcircuit

VS10AC1

RS12200

C1233.3U

RB137100K

RB23020K

Q1435MQ

RC743.3K

RE501K

CE5050U

C2463.3U

RL605.1K

VCC7012

.MODELMQNPN（IS=1E-16BF=100RB=100）

.OP

.ACLIN101K10K

.PLOTACV（6）/V

（2）V

（2）/I（RS）V（6）/I（RL）

.END

六、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：

*Macromodelofsimplifiedopamp*

Vp10sin（0160）

R1121K

R220100K

E130205

R3341K

R4401K

C1401U

.tran1m20m

.PLOTTRANv

（1）V

（2）V（3）

.OPTIONSPOST

.END

3、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4V1的波形图

图5V2的波形图

图6V3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。

七、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：

.titleCH6-4

.include“models.sp”

.globalvdd

M1outin00nmosw=5ul=1.0u

M2outinvddvddpmosw=5ul=1.0u

Vccvdd05

Vinin0sin（0110G1ps0）

.trans0.01u4u

.printtransv（out）

.end

八、案例

Gilbertcell电路设计与仿真

1、电路原理图

Gilbertcell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1Gilbertcell电路

2、HSPICE编程

*HSPICESIMULATIONFILEEX5-14

*GILBERT

.op

.OPTIONSPOST=1LISTNUMDGT=8LIST

.LIB`.\Mm0355v.l`TT

.LIB`.\Mm0355v.l`BIP

M11370NCHW=2UL=2U

M22470NCHW=2UL=2U

M32380NCHW=2UL=2U

M41480NCHW=2UL=2U

M57590NCHW=2UL=2U

M68690NCHW=2UL=2U

RD1VDD170K

RD2VDD270K

ISS90100UA

VIN130SIN（2.50.251000K）

VIN240SIN（2.5-0.251000K）

VC150SIN（1.50.2510000K）

VC260SIN（1.5-0.2510000K）

VDDVDD0DC5

.TRAN5N5U010NS

.PROBETRANV（1,2）V（3,4）V（5,6）

.END

3、仿真结果

Gilebertcell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2V（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、SPICE

2.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、．END

3.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“M14270MMOD”中，管子各极的节点号为_____________________________________。

答案：

G：

2、D：

4、S：

7、B：

0

九、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。

一十、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]StevenMSandler,CharlesHymowitz苏蕾译,安源校.spice电路分析.北京:

科学出版社,2007.7.

5.DavidA.Johns，KenMartin，11AnalogIntegratedCircuitDesign，北京：

科学出版社，2005

6.synopsys.HSPICE®ReferenceManual:

CommandsandControlOptionsVersionB-2008.09,September2008

7.synopsys.HSPICE®SimulationandAnalysisUserGuideVersionY-2006.03,March2006

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。

SPICE（SimulationProgramwithICEmphasis），是一种通用电路分析程序，能够分析和模拟一般条件下的各种电路特性。

SPICE是加州大学Berkeley分校开发，其第一版本于1972年由其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。

SPICE在1988年被定为美国国家标准。

比较著名软件有：

Hspice、Pspice、TSPICE、Spectre、Smartspice等。

SPICE作为一个通用电路模拟程序，包括输入数据、运行程序和输出数据三个基本阶段。

输入数据包括电路元件及连接的拓扑信息、电路元件性质、参数、初始条件、要分析功能及输出形式等输入到程序中。

输入的数据必须符合SPICE程序规定的格式。

SPICE的电路设计流程：

输入语句的结构

标题语句：

网表文件的第一行为标题语句，由任意字符串和字母组成，通常用*引导标题行。

软件并不把标题行作为电路进行分析，而是直接在输出文件中作为第一行打印出来，这一行必须设置。

注释语句：

由*开头的字符串，作为文件的说明部分，不参与电路的模拟仿真，为方便阅读而在自动产生的，在SPICE网表文件中大量存在。

电路元器件描述语句：

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。

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。

结束语句：

即.END，标志电路描述语句的结束，在文件最后一行。

输入语句的规定

名称：

元器件名称为字符串，只有前8个字符有效，其中第一个字符必须为A--Z字符，且有固定含义——即一般为元器件英文单词的首字母。

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，不区分大小写。

分隔符：

有空格、逗号、等号、左括号、右括号等。

续行号：

“+”，一行最多只能有80个字符，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。

单位：

使用国际标准单位制，语句中缺省。

方向：

规定支路电流的正方向和支路电压的正方向一致。

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，即每个节点相对0节点都必须有直流通路。

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）。

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。

一个简单实例

共栅极放大器（Common-GateAmplifier）又称为电流跟随器，其电流增益近似为1，但比1小，同时亦含有衬底效应，会使得电流增益下降至大约0.4倍，但电压增益比共源极放大器大，试求其电压增益、电流增益和频宽。

SPICE网表和电路图

*commongateampilifier

.OPTIONSPOST=2LIS

.lib'.\Mm0355V.l'tt

M1123GNDNCHW=60UL=2U

RG2GND100K

RDVDD14K

RS4VI100

RLVO04K

CC134100U

CC21VO100U

CG2GND100U

IQ3GND1M

vddvddgnddc3.3v

vivigndAC1sin（0.5100M1k）

.tran10u2m

.probetranI（RS）I（RL）

.ACDEC101001G

.end

仿真结果

电压v（vo）、v（vin）及电流i（rs）、i（rl）波形如下图所示，由图可得电压增益为3.845倍，电流增益为0.381倍，如下图所示。

由vin（vo）的波形（以LOG为刻度的增益图形）可得频宽为168MHz，如下图所示。

二、教学录像

三、学习指导

了解著名的商用SPICE软件，如：

HSpice、PSpice、TSpice、SBTSpice、SmartSpice等，重点熟悉学生能接触到的软件，如：

HSpice、PSpice、Tspice；理解地掌握输入语句的结构和规定，尤其要注意常用比例因子的特殊用法，节点编号的原则。

四、练习

1．填空题

（1）Spice是一种通用____________程序，能够_______________________________。

（2）电路输入文件的格式可以分为5个部分：

标题行、_______________________、________________________、__________________________和结束标志。

（3）*符号是_______________符，+符号是_____________符。

（4）给电路编节点号，可以使用_______，也可以使用____________。

（5）在输入文件中应正确使用比例因子，如：

R=2MΩ，应写成R=______________；C=6µF，应写成C=__________。

答案：

（1）电路分析、分析和模拟一般条件下的各种电路特性

（2）电路描述、分析和控制指令、输出指令

（3）说明符（注释行）、续行号

（4）数字、字母

（5）2MEG、6UF

2．某二极管电路的SPICE程序如下，试更正其中错误。

*DiodeCircuit

VS10DC10V

VIN21AC10MVSIN（010M10KHZ）

R12350Ω

R240500

C14510µF

RL501M

D134DIN914

MODELDIN914D（IS=100E-15RS=16CJO=2PF

+TT=12NSBV=100IBV=100E-15）

.OP

.TRAN2µS200µS

.ACDEC101HZ1KHZ

.PLOTV（5）V（2,1）

.END

答案：

VS改为VS，50Ω改为50OHM，10µF改为10UF，

RL改为RL，1M改为1MEG，MODEL改为.MODEL

IBV改为+IBV，2µS改为2US，200µS改为200US

.PLOTV（5）V（2,1）改为.PLOTTRANV（5）V（2,1）

五、测验

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、SPICE

3.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

2.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、．END

1、电路的________语句是输入文件的第一行，也称为标题行，必须设置。

它是由任意字母和字符串组成的_________语句，其内容作为_______________的最先一部分被打印出来。

2、Spice输入文件中，除第一行和最后一行外，其余各行的顺序是___________的，对___________________没有影响。

3、对电路元器件描述时，没有脚标，例如在电路输入文件中VCC应写成_____________。

4、电路元器件名称的第一个字母为关键字，例如双极型三极管为______，传输为______。

5、在spice输入语句中，通常用以_______开头的语句描述__________________、电路元器件模型和一些控制指令。

答案：

1、标题、说明、输出文件

2、任意、分析结果

3、VCC

4、Q、T

5、.开头、电路分析指令

六、案例

七、资源列表

八、扩展学习

知识点2：

一、内容

无源器件描述语句

无源器件包括：

电阻R

电容C

电感L

互感K

无损耗传输线T

电压控制开关S

电流控制开关W

无源器件描述语句由元件名、件连接的节点号、元件的参数值组成。

电阻语句格式：

RXXXXXXXN+N-<（MODEL）NAME>VALUE>

模型语句：

.MODELMNAMERESR="PVAL1"

+

例句：

R403RMOD100

.MODELRMODRES（R=2TC1=0.1TC2=0.01）

电容、电感语句格式：

CXXXXXXXN+N-<（MODEL）NAME>VALUE

LXXXXXXXN+N-<（MODEL）NAME>VALUE

电容、电感模型语句：

.MODELMNAMECAP（C=PVAL1VC1=PVAL2VC2=PVAL3TC1=PVAL4

+TC2=PVAL5）

.MODELMNAMEIND（L=PVAL1IL1=PVAL2IL2=PVAL3TC1=PVAL4

+TC2=PVAL5）

例句：

C110115PFIC=1V，L3121MHIC=1MA

互感语句格式：

KXXXXXXXLYYYYYYYLZZZZZZZ...VALUE<（MODEL）NAME>

+<（SIZE）VALUE>

例句：

K43L3L40.82

无损传输线语句格式：

TXXXXXXXN1N2N3N4Z0-VALUE

+>

例句：

T11234Z0=50TD=10NS

T24567Z0=50F=2MH

电压控制开关语句格式：

SXXXXXXXN+N-NC+NC-<（MODEL）NAME）>

.MODELNAMEVSWITCHRON="PVAL1"ROFF="PVAL2“

+VON="PVAL3"VOFF="PVAL4"

例句：

S16540SMOD

.MODELSMODVSWITCHRON=0.5ROFF=10E+6

+VON=0.7VOFF=0

电流控制开关语句格式：

WXXXXXXXN+N-VNAME<（MODEL）NAME）>

.MODELNAMEISWITCHRON="PVAL1"ROFF="PVAL2“

+ION="PVAL3"IOFF="PVAL4"

例句：

W165VNWMOD

.MODELWMODISWITCHRON=0.5ROFF=10E+6

+ION=0.07IOFF=0

有源器件描述语句

有源器件包括：

二极管

双极晶体管

结型场效应管（JFET）

MOS场效应管（MOSFET）

砷化镓场效应管（GaAs）

模型语句对无源器件是可选的，对有源器件是必须的。

二极管语句格式：

DXXXXXXXN+N-MNAME

模型语句：

.MODELMNAMED（PNAME1=PVAL1PNAME2=PVAL2...）

例句：

D135MD1.5IC=0.3

.MODELMDD（IS=100E-15RS=6CJ0=2PFTT=12NSBV=100）

双极型晶体管语句