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:
+NSUB=5.37E+15GAMMA=0.54PHI=0.6U0=656UEXP=0.157UCRIT=31444
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
RB137100K
RB23020K
Q1435MQ
RE501K
CE5050U
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“”
.globalvdd
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。
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.
——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
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
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>
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...)
.MODELMDD(IS=100E-15RS=6CJ0=2PFTT=12NSBV=100)
双极型晶体管语句格式:
QXXXXXXXNCNBNE
+
模型语句:
.MODELMNAMENPN(ORPNP)(PNAME=PVAL1
+PNAME="PVAL2"...)
例句:
Q5245MQ1.5
.MODELMQPNP(IS=9.913E-15EG=1.11VAF=90.7BF=197.8)
结型场效应管语句格式:
JXXXXXXXNDNGNSMNAME
模型语句:
.MODELMNAMENJF(ORPJF)(PNAME="PVAL1"PNAME="PVAL2"...)
例句:
JQ159JMOD
.MODELJMODPJF(IS=100E-14RD=10RS=10BETA=1E-3
+CGD=5PFCGS=1PFVTO=5)
MOS场效应管语句格式:
MXXXXXXXNDNGNSNBMNAME
+
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- 关 键 词:
- 第7章 SPICE语言及电路仿真 SPICE 语言 电路 仿真