第6章 基于SPICE的集成电路仿真2

集成电路设计技术与工具第6章集成电路仿真软件SPICE基本要求：了解电路仿真的作用和SPICE工具软件。掌握SPICE的电路描述语句、电路特性分析语句和控制语句的语法规则。掌握利用SPICE进行直流分析、交流分析和瞬态分析的方法。内容提要6.1电路仿真与SPICE6.2电路描述语句6.3电路特性分析和控制语句6.4基于SPICE核的工具软件6.5集成电路SPICE仿真示例对设计电路的验证传统方法搭实验装置随着集成度的提高，电路规模的扩大，已无法在实验装置上搭接这样的电路即使搭接成功的话，也与实际的集成电路差别太大，失去其物理验证的意义无法进行容差分析和极限条件的验证对设计电路的验证用电路模拟分析的方法在计算机上验证计算机技术和计算方法的发展不需要任何实际的元器件和调试工具，可以很方便地改变各种条件进行模拟分析可以进行各种破坏性的模拟设计者可以在设计投入生产制造前就能预测电路的实际性能对设计电路的验证最为著名和广为采用的电路模拟程序－－SPICE（SimulationProgramwithICEmphasis）其第一版本于1972年由美国加利福尼亚大学伯克利分校电工和计算机科学系开发完成，常称为BSPICEBSPICE是现代各种SPICE的前身，它的源代码公开其版本不断更新1988年被定为美国国家标准。现在，已成为电路分析事实上的国际标准。SPICE主要针对由无源元件(R,C,L,TL等）、半导体器件（BJT,MOS等）、电源等组成的电路作分析.可以进行的电路分析：直流分析、瞬态分析、交流分析、噪声分析、温度特性分析、MonteCarlo统计分析、最坏情况（worst-case)分析等。SPICE程序最基本的数据与指令输入方式是特定格式的语句：电路描述语句+特性分析语句+特性控制语句。SPICE的输入文件SPICE网表文件是文本文件，默认的输入文件名为：*.cir因为目前各个版本的SPICE软件都已图形化，并增加了很多功能，所以产生的语句顺序和格式有了一些变化，但主要是以*开头的注释语句的不同变化，便于阅读和模块化，而基本的语句变化不大，包括以下几种：

1)标题语句：网表文件第一行为标题语句，由任意字符串和字母组成，软件并不处理，而是直接在输出文件中作为第一行打印出来

2)注释语句：由*开头的字符串，为文件的说明部分，为方便阅读而在自动产生的SPICE网表文件中大量存在;HSPICE中也可用“$”。

3)电路描述语句：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

4)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

5)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描述语句的规定

名称

第一个字符必须是A到Z的某一个字符，其它位字符没有限制，最长131个字符。前8个字符有效在描述元件时第一个字符必须是规定的元件类型字母

节点编号

电路的节点编号一般采用正整数，可以不连续，也可以用字符串代替节点编号接地点必须规定为0节点

SPICE中元器件名称的首字母

首字母电路元器件首字母电路元器件B砷化镓场效应管L电感C电容MMOS场效应晶体管D二极管Q双极型晶体管E电压控制电压源R电阻F电流控制电流源S电压控制开关G电压控制电流源T传输线H电流控制电压源V独立电压源I独立电流源W电流控制开关J结型场效应晶体管X子电路K互感（耦合系数）输入描述语句的规定元件参数值

(数值+比例因子+单位）元件参数值写在与该元件相连的节点后面，其值可用整数、浮点数书写，后面可跟比例因子和单位后缀数字比例因子后缀有（不分大小写）：

F＝1E-15；P=1E-12；N=1E-9；U=1E-6；M=1E-3；K=1E3；MEG＝1E6；G＝lE9；T=1E12；DB=20LOG10;MIL=25.4E-6；比例因子后缀与它前面的数相乘后即得到该语句所描述的元件的参数值输入描述语句的规定元件参数值单位后缀有：V=伏；A＝安；HZ＝赫；OHM＝欧（

）；H=亨；F=法；DEG=度元件值的第一个后缀总是比例因子后缀，然后是单位后缀如果没有比例因子后缀，那么头一个后缀就可能是单位后缀，SPICE总是忽略单位后缀

没有比例后缀和单位后缀的情况下，SPICE将电压、电流、频率、电感、电容和角度的量纲分别默认为伏、安、赫、亨、法和度.5千欧姆电阻：5E+3,5.0e+3,5K,5.0K,5.0KOHM等价1千赫兹：1000Hz，1000，1E+3，1k，1kHz等价100皮法电容？数字和比例因子间没有空格1.0Fvs.1.0F输入描述语句的规定分隔符

用以区分一行语句的不同部分空格、逗号、等号、左括号、右括号等都可以作为分隔符，多余的分隔符是无效的。续行号

一般一行最多有80个字符，第二行的开始加上“＋”号，表示是第一行的继续。方向

规定支路电路的正方向和支路电压的正方向一致。不能分析的问题

电路中不能包含以下部分：电压源回路、电感回路、电压源和电感组成的回路、开路的电流源和（或电容）元件描述语句基本元件基本元件（除二极管、晶体管、场效应管）包括电阻R电容C电感L互感M无耗传输线线性电压控制电流/电压源线性电流控制电流/电压源独立电源（PULSESINEXPPWLSFFM）无源元件描述语句其一般格式为：ElementName

NodeNames

ElementParametersElementName:第一个字母定义其调用的元件模型；NodeNames:元件所连接的节点号；ElementParameters:元件参数值。标准的SPICE语句左侧不留空格。电阻元件的SPICE输入语句格式格式

RXXXXX

N+N-<(MODEL)NAME>VALUE+<TC=TC1<,TC2>>Rxxxx——电阻标识，如R230、RCE等

N+、N-——电阻的两个连接结点标号

Value——电阻值，可以采用比例缩写因子

TC1、TC2——一次、二次温度系数

<(MODEL)NAME——模型名，其内容由.MODEL语句给出例

RB15181MEGTC=0.0012,0.0002

R2520233.9KTC=0.001

RS15100RF2524RMOD12K电容元件的SPICE输入语句格式格式

CxxxxN+N-Value<IC=Incond>Cxxxx——电容标识，如C230、CBE等

N+、N-——电容的正、负连接结点标号

Value——电容值，可以采用比例缩写因子

Incond——测试电压值例

CB15181UFIC=1.0V

C25202319PF非线性电容元件的SPICE输入语句格式格式

CxxxxN+N-POLYC0C1C2…<IC=Incond>Cxxxx——电容标识，如C230、CBE等

N+、N-——电容的正、负连接结点标号

C0、C1…——多项式系数

Incond——测试电压值例

CB1518POLY1P0.2P0.01PIC=10V电感元件的SPICE输入语句格式格式

LxxxxN+N-Value<IC=Incond>Lxxxx——电感标识，如L230、LCE等

N+、N-——电感的正、负连接结点标号

Value——电感值，可以采用比例缩写因子

Incond——测试电流值例

LB15181MHIC=1MA

L25202319U非线性电感元件的SPICE输入语句格式格式

Lxxxx

N+N-POLYL0L1L2…<IC=Incond>Lxxxx——电感标识，如L230、LCE等

N+、N-——电感的正、负连接结点标号

L0、L1…——多项式系数

Incond——测试电流值例

LD1518POLY10U1U2NIC=1MA互感元件的SPICE输入语句格式格式

Kxxxx

Lyyyy

Lzzzz

ValueKxxxx——互感标识，如K230、KB等

Lyyyy、Lzzzz——两个互相耦合的电感名

Value——互感值（0,1）例

K43L3L40.82

KINLSLIN0.9理想传输线的SPICE输入语句格式格式

Txxxx

N1N2N3N4Z0=Value1<TD=Value2><F=Freq<NL=Nrmlen>><IC=V1,I1,V2,I2>Txxxx——传输线标识，如T230、TCE等

N1、N2、N3、N4——两个端口结点标号

Value1——传输线特性阻抗值

Value2——传输线延迟值

Freq——频率Nrmlen——归一化电长度(对波长)例

TS1050Z0=50TD=100P控制开关元件描述语句电压控制开关语法格式为：

SXXXXXXXN+N-NC+NC- +<(MODEL)NAME)电流控制开关语法格式为：

WXXXXXXXN+N-VNAME<(MODEL)+NAME>电源描述语句由电源名称、属性、连接节点及数值组成V——独立电压源I——独立电流源H——电流控制电压源F——电流控制电流源G——电压控制电流源E——电压控制电压源线性电压控制受控源的SPICE输入语句格式格式

G/ExxxxN+N-NC+NC-VlalueG/Exxxx——受控电流/压源标识，如G30、EB等

N+、N-——受控源的正负两个输出连接结点标号

NC+、NC-——控制端口的正负连接结点标号

Value——控制系数2（跨导、电压增益）例

G1220101.8M

E33021050线性电流控制受控源的SPICE输入语句格式格式

F/HxxxxN+N-Vname

VlalueF/Hxxxx——受控电流/压源标识，如F3、H2等

N+、N-——受控源的正负两个输出结点标号

Vname——控制电流支路电压源标识

Value——控制系数（电流增益、转移电阻）例

F21518VS2

H52023VBE3.9K直流独立电压/流源的SPICE输入语句格式格式

V/IxxxxN+N-<<DC>DC/TranValue>V/Ixxxx——独立电压/流源标识，如V3、I2等

N+、N-——电源的正负两个输出结点标号

DC/TranValue——直流和瞬态值，0值可略例

VCC150DC12V

IS521M脉冲信号源的SPICE输入语句格式格式

V/IxxxxN+N-PULSE(V1V2TDTRTFPWPER)V/Ixxxx——信号电压/流源标识，如V3、I2等

N+、N-——电源的正负两个输出结点标号

V1/V2/TD/TR/TF/PW/PER——初值/幅值/延迟时间/上升时间/下降时间/脉宽/周期例

VIN50PULSE(0505N10N20N1M)脉冲源参数参数意义缺省值单位V1(I1)起始值—V/AV2(I2)脉动值—V/ATD延迟时间0STR上升时间TSTEPSTF下降时间TSTEPSPW脉冲宽度TSTOPSPER周期TSTOPS各参数和波形图之间的关系V/IxxxxN+N-PULSE(V1V2TDTRTFPWPER)分段线性源的SPICE输入语句格式格式

VXXXXXXXN+N-PWL(T1V1<T2V2T3V3T4V4…>)IXXXXXXXN+N-PWL(T1

I1<T2I2T3I3T4I4…>)瞬态指数源的SPICE输入语句格式正弦信号源的SPICE输入语句格式格式

V/IxxxxN+N-SIN(V0VAFreqTDTheta)V/Ixxxx——信号电压/流源标识，如V3、I2等

N+、N-——电源的正负两个输出结点标号

V0/VA/Freq/TD/Theta——直流分量/交流幅度/频率/延迟时间/衰减系数

例

VIN50SIN(0510MEG1P0)瞬态单调调频源的SPICE输入语句格式格式VXXXXXXXN+N-SFFM(V0VAFCMDIFS)IXXXXXXXN+N-SFFM(I0IAFCMDIFS)V=V0+VA*SIN[(2π*FC*T)+MDI*SIN(2π*FS*T)]半导体器件器件常常用一套器件模型参数来进行定义。因此，需要用一条独立的

.MODEL

语句来定义一套器件模型参数,并指定一个专用的模型名。然后，SPICE中的器件描述语句就可以引用这个模型名。

二极管D双极结型晶体管BJT 结型场效应管JFET与MESFET

MOSFETMESFET二极管的SPICE输入语句格式格式

DxxxxN+N-Mname

<Area><OFF><IC=VD)Dxxxx——二极管标识，如D3、DB等

N+、N-——二极管的正负结点标号

Mname——模型名

Area——面积因子，缺省值1

OFF——DC分析的ON/OFF起始条件，省却值为ON.

VD——AC分析的初始条件例

D101318Diode2.0IC=0.3双极性三极管的SPICE输入语句格式格式

QxxxxNCNBNEMname

<Area><OFF><IC=VBE,VCE)Qxxxx——三极管标识，如Q3、Q10等

NC、NB、NE——三极管的三个电极结点标号

Mname——模型名

Area——面积因子，缺省值1

OFF——DC分析的ON/OFF起始条件，省却值为ON.

VBE、VCE——AC分析的初始条件例

Q12121318QmodIC=0.6,3.0JFET/MESFET的SPICE输入语句格式格式

J/ZxxxxNDNGNSMname

<Area><OFF><IC=VDS,VGS)J/Zxxxx——JFET/MESFET标识，如J3、Z10等

ND、NG、NS——漏、栅、源极结点标号

Mname——模型名

Area——面积因子，缺省值1

OFF——DC分析的ON/OFF起始条件，省却值为ON.

VDS、VGS——AC分析的初始条件例

J2246JmodIC=0.6,3.0

MOSFET的SPICE输入语句格式Mxxx

nd

ngns<nb>

mname<L=val><W=val><AD=val><AS=val><PD=val><PS=val><NRD=val><NRS=val><OFF><IC=vds,vgs,vbs><TEMP=val>

<M=val><GEO=val>Mxxx——MOSFET元件名.nd,ng,ns,nb——漏,栅,源和衬底的节点名mname——模型名,必须引用一个MOSFET模型.L——沟道长度,省却值为100

W——沟道宽度,省却值为100

AD、AS——漏和源扩散结面积,省却值为0PD、PS——漏和源扩散结周长,省却值为0MOSFET的SPICE元件输入格式NRD、NRS——计算电阻用的漏和源扩散方块数,省却值为0IC——初始电压条件.TEMP——器件工作温度,单位为°C.M——乘积因子,省却值为1.例：MOS器件描述示例模型语句模型语句的通用格式为：

.MODEL

MnameTypePname1=P1,Pname2=P2,…Mname——模型名称

Type——模型类型（D、NPN、PNP、NJF、PJF、NMOS、PMOS）

Pname1、Pname2——参数名（由Spice规定）

P1、P2——参数值例句:.MODELMODE1

NPN

BF=50,IS=1E-13,VBF=50.MODELMODE2PNPBF=100,IS=1E-12,VBF=30子电路描述语句子电路的定义格式为：

.SUBCKTSubName（N1,N2,…）

<CONTENTS>.ENDSSubName子电路的调用格式为：

XCallName（N1,N2,…）SubName

注意，调用结点的对应。例句:X1241731MULTI子单元调用示例文件包含语句.LIB语句：.lib‘<filepath>filename’entryname

该语句根据文件路径和文件名来调用一个库文件，一般该文件包含器件模型中的参数值。例.lib'f:\spice\userlib\csmc.lib'bjt

csmc.lib文件中：

···.libbjt

.MODELpnp20

pnp···.INCUDE语句：引用一个文件，被引用的文件置于引用文件前。例：.include“me98xxxx/model.sp“电路特性分析语句电路特性分析语句指定分析类型均以“.”开头各语句的次序无关对同一类型只执行最后一次。分析类型：直流工作点分析（.OP）

SPICE格式格式：.OP会在输出文件中列出一些直流参数和各结点的工作点电压与支路电流、静态功耗等。

在PSPICE中，通常没必要制定.OP，因为DC节点电压会直接默认产生。而HSPICE中，除非指定了某种类型的分析如.TRAN、.AC等，否则不会自动产生。

.optime看某一时刻的各个器件和电源的状态。.opvoltime某一时刻所有节点电压，.opcurtime某一时刻所有器件和电源的电流。

直流扫描分析（.DC）

SPICE格式对参数或独立电源扫描

，格式：注意：

1）对独立源扫描时，SRCname为电源名，而非节点名

2）仿真迟滞特性要正、负双向扫描， 如：.DCVin050.1 .DCVin50-0.1 3）注意对两个量的扫描，后面的是外循环直流扫描分析（.DC）

SPICE格式4）对参数的扫描例如：vin12dcH1.param

H1=10v.dcH102015）对温度的扫描：

.dctemp-20801例：瞬态分析（.TRAN

）

SPICE格式瞬态分析（.TRAN）:.TRANtincr1tstop1<tincr2tstop2...tincrN

tstopN>+<START=val><UIC>起始时刻和步长都指的是输出打印的时刻点，计算的时间步长由hspice自己决定。UIC参数表示使用.IC语句指定的节点初始值。例：.TRAN.1NS25NS1NS40NSSTART=10NS0－25ns，步长0.1ns,25ns-40ns,步长1ns;从10ns开始输出结果。

.TRAN1NS100NS$以1ns的步长输出到100ns交流特性分析（.AC）格式交流特性分析（.AC）：.ACtypenp

fstart

fstop<SWEEPvarstartstopincr>Or.ACtypenp

fstart

fstop<SWEEPvartypenpstartstop>例：.ACDEC101K100MEG1kHz-100MHz,每10倍频10个采样点。交流特性分析（.AC）格式一共有4种

DEC–decadevariation.

OCT–octavevariation.

LIN–linearvariation.

POI–listofpoints.例如

.ACDEC101K100MEG .ACLIN1001100HZ .ACDEC10110KSWEEPcloadLIN201pf10pf .ACDEC10110KSWEEPrxPOI25k15k初始化语句初始化：.ICvar1=val1<var2=VAL2>···瞬态分析的初始化语句.NODESETvar1=val1<var2=VAL2>···直流分析的初始条件设定语句进行含有多稳态电路的模拟时往往需要给出初始化条件。.OPTIONS语句.OPTIONS:该语句允许用户重新设置程序的参数或控制程序的功能。常用的一些如下：

node:

列出个节点的元件端点，便于查错；

post:

使输出数据可以使用MetaWaves

浏览（即将数据输出到postprocessor）

list:

列出元件列表；

MEASDGT：.MEASURE语句输出的有效数字位数例：.optionpostprobe$MetaWaves只观察.probe语句输出的变量。输出语句输出语句：.PRINT:在输出的list文件中打印数字的分析结果，如果.OPTIONS中有POST则同时输出到post-processor中。.PLOT:在输出的list文件中打印低分辨率的曲线（由ASCII字符组成）,如果.OPTIONS中有POST则同时输出到post-processor中。.GRAPH：生成用于打印机或PostScript格式的高分辨率曲线。.PROBE:把数据输出到post-processor，而不输出到list文件。.MEASURE:输出用户定义的分析结果输出到.mtx文件，如果.OPTIONS中有POST则同时输出到post-processor中。.OP,.TF,.NOISE,.SENS和.FOUR都提供直接输出功能。输出语句M:MagnitudeDB:MagnitudeindB(deciBells)P:PhaseR:RealpartI:Imaginarypart

例:

.PLOTDCV(1,2)V(3).PRINTTRANV(3,1).PLOTACVM(3,0)VDB(4,2)VM(2,1)VP(3,1)IR(V2)输出某个器件的流过的电流可以直接输出也可以通过间接的方法间接的方法就是电路中串联0电阻和0