3.1 Video在线视频

同学们大家好

我是清华大学电机系老师段玉生

电工技术这门课由我来主讲

第3讲是电路仿真软件SPICE

在这讲里我们将向大家介绍

SPICE电路文件的组成

SPICE中的元件语句的表示方法

直流分析语句与输出语句

子电路与模型语句

以及Aim-SPICE软件的使用方法

好 下边介绍知识点3.1 SPICE电路文件

首先给大家介绍这个SPICE软件是什么

这个SPICE实际上是一个缩写

那么它的英文的全称是

simulation program for integrated circuits emphasis

翻译过来就是针对IC设计的仿真程序

IC么就是集成电路

所以说SPICE是针对集成电路设计的一个仿真程序

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

但经过不断发展及应用

SPICE已经成为成为功能强大的通用的模拟电路仿真器

也就是说它不仅仅是针对IC设计的

它变成了一个通用的模拟电路仿真器

可以用来验证电路设计和预测电路行为

其实SPICE这个内核它所计算的是电路的结果

也就是说你电路的结构和所有的参数都给定以后

那么它可以计算电路的一个运行的结果而不是反推

这一点大家要特别注意

这个SPICE是由Donald Pederson教授负责来设计的

其实它的雏形是从上个世纪六十年代初就开始设计了

这个是一个非常具有开创性的工作

如果当时没有SPICE电子技术不可能发展到现在这种程度

所以呢Pederson教授1998年获得了IEEE荣誉金奖

SPICE能够对电路进行的分析包括这么几种

第一是直流工作点的分析

第二个是直流扫描分析

第三个是传输函数分析

第四个是瞬态分析

第五是交流分析

第六是傅立叶分析

第七是灵敏度分析

第八是失真分析

第九是极点零点分析

第十是噪声分析

那么也就是SPICE能够对电路进行这么十种分析

其实有这十种分析对于设计电路来讲已经足够了

另外SPICE还可以设定分析的温度

可以对温度进行扫描分析

它默认的温度是300K实际上就是室温了

前六种分析是我们这个课程要掌握的

也就是直流工作点的分析

直流扫描分析

传输函数分析

瞬态分析

交流分析

和傅立叶分析

是我们学电工技术这个课要掌握的

也是我们要使用到的

后四种我们暂时还是用不到

所以我们在这个课里面就不讲了

在用SPICE分析电路的时候

并不是说任何一个元件放在电路里它都能够分析

只有在SPICE内核内部能够计算的器件它才能够分析

所以说它只有某些特定的元件才能分析

在用SPICE分析电路的时候

电路中可以包含的元件包括如下这一系列的元件

大家看首先第一个是电源

这个电源包括独立源包括受控源

还有电阻 电容 电感

还有互感 传输线 运算放大器

还有开关 二极管 双极型三极管

还有MOS场效应管 结型场效应管

还有MESFET叫做金属-半导体场效应晶体管

基本上就是一个模拟电路的器件

当然你有其他器件不包含在这个器件列表里面

这种电路是没有办法分析的

SPICE它的最新版本是SPICE 3F5

它只能进行模拟电路仿真

它的扩充版本叫做XSPICE/SPICE 3F5

这个扩充版本是可以进行数模混合仿真的

几乎所有的电路仿真软件都是

以XSPICE/SPICE 3F5为基础的扩充

大家看基本的结构是这样的

最基础的内核是SPICE 3F5

为了分析数字电路所以进行了扩充

那么就成了XSPICE/SPICE 3F5

那么以这个内核为基础

可以做成应用软件比如说Multisim

这就是以XSPICE/SPICE 3F5为内核进行扩充

所编写的应用软件

比如说PSPICE这个软件来中国比较早

在高校里面上个世纪八九十年代应用的比较多

当然现在Multisim可能用的比较多

还有TINA这个TINA软件它的特点是它有中文版

比如说还有PROTEL等等

基本上几乎所有的电路仿真软件

都是以XSPICE/SPICE为基础进行扩充

然后进行重新编写所得到的

当然这个应用软件这叫应用软件

那么应用软件和我们的内核就不一样了

应用软件用起来它的界面就比较友好

比如说你在输入电路的时候可以用图形化输入

如果你用内核必须用行编辑的方式去输入

这样的话用应用软件分析电路当然就要方便的多

那么你要仿真一个电路首先你要编写一个电路文件

这叫SPICE电路文件

一个标准的SPICE电路文件包含六个部分

大家看一下

第一叫Title这叫标题

标题永远是一个文件的第一行

所以说第一行是我们自己为了容易理解这个电路

起的一个名字

在仿真的时候实际上这一行是会被忽略的

那么如果你电路中没有刻意的去写标题这一行

那么它就会把第一行给你忽略

这样的话你这个电路就是错误的了

然后再往后大家看第二行是数据语句

这个实际上是描写这个电路的元件参数和结构

第三行是叫做控制语句

它是指明要做何种分析的

其实也就是分析语句

第四个是输出语句

就是要说明分析完以后你数据怎么输出

你是输出一个表格还是要画个曲线

最后一行永远是.end叫做结束语句

另外呢在这个文件里面如果哪一行以星号开头

那么这行也是被忽略的

所以以星号开头的行都是注释

大家看实际上一个SPICE电路文件它是比较简单的

它包含了三个主要部分

一个是数据语句

那么这个数据语句就是描述了整个电路的结构和参数

另外这个是它的控制语句

实际上也就是分析语句

那么也告诉文件它要做哪种分析

它的输出语句实际上也并不多比较简单

所以主要是数据语句和控制语句

这是一个具体结构

大家看这是利用行编辑的方式编的

也就是一行一行的

第一行这是个标题

尖括号里面是我们自己加的“标题”

如果某一行是以星号开头那么这一行是被忽略的

当然星号后面你可以写上一些我们比较容易辨识的

比如说一些句子呀名字呀

后面是元件语句

如果一行它的第一个字符是个加号

那么这一行就是它前一行的续行

也就是说实际上和它的上一行是一行

大家看这个是控制语句也就是分析语句

然后可能我为了把各行想把它分的开一点看得清楚一点

那么我可能在中间也加了一个星号

那么这个后面也写了一些东西为了辨认它

那么这个都是被忽略的

然后还有输出语句

最后一个是.end

所以说它整个文件是按照一行一行编辑的

那么它的第一行是标题最后一行是.end

那么其他所有的语句都写到了标题和结束行之间

那么下边给大家举个例子

首先给出这么一个电路

在这个电路里面有电源有电阻有电容还有受控源

首先你要编写这个电路的SPICE文件

你首先在电路上要标上节点号

元件的端口都是节点在这一点我们注意

与第一章介绍的不一样

在第一章我们说什么是节点呢

节点是三个或三个以上支路的交汇点

但是在这我们就不这么定义了

只要是元件那么它的端口都是节点

那么在这个电路里面有这么几个节点

一个是INPUT这是一个节点

我这是用一个字符串表示一个节点

这是节点的名字

还有一个节点是AMP_IN这是另外一个节点

还有一个节点是AMP_OUT这是第三个节点

另外还有一个节点我使用0来表示的

那么这个电路也就是一共四个节点

我们的节点是可以用字符串表示的

但是有的时候为了简洁往往是用数字

比如123用这种数字去表示节点也可以

SPICE用的是节点电位法求解电路

因此你必须在电路里选择一个参考点

而这个参考点的节点号必须是0

参考点不能够用其它的字符串去表示只能是0

所以节点号永远有一个是0

那么它就是参考点

每种元件都有特定的标识

比如说电阻它的第一个字母就是它的标识符是R

也是是电阻的标识符是R

后面跟的这些字符串就是它的名字了

这是用来区分不同电阻的一个符号

比如说电容这个电容C1电容的标识就是C

1是给它起的名字

比如说这个电压源它的标识是V

in就是给它起的名字

在电路文件里面要用到数值当然数值还有单位

文件中的数值可以是整数和浮点数

默认单位是V A Ω H F 伏 安 欧姆 亨和法

那么数后面可以加后缀

后缀可以是单位后缀也可以是比率后缀

大家看这个例子

Rin这个电阻它的两个端点是1和0

这个电阻的大小是3500后面没有单位就是欧姆

你可以写成Rin 1 0 3.5E3

E3就是10的3次方

E3实际上就是一个比率后缀

比如说另外一个电阻Rout它是在1和0这两个节点之间

它的阻值是3.5k

k就是一个单位后缀表示千欧姆

单位后缀和比率后缀和我们通常所用的单位是差不多的

比如说T就是E12这个E12是比率后缀

实际上表示10的12次方

G是10的9次方

还有MEG是兆是E6就是10的6次方

K是千就是10的3次方E3

M毫是10的负3次方是E-3

U呢是10的负6次方是E-6

N就是纳是10的负9次方是E-9

P是E-12就是10的负12次方

F是10的负15次方

这这里面要注意两点

一个是如果要表示兆我们要用MEG

如果光写一个M无论是大小写它都认为是毫10的负3次方

另外还有一点μ是微

但是因为我们这个文件里面只能容纳字符

那些特殊的字符没法去接受

所以在SPICE文件里面用U去表示μ

那么我们下面给出来一个电路的电路文件

首先看第一行是一个小信号放大器

这是我们给这个电路起的一个名字

这是个标题行

这一行在分析电路的时候是会忽略的

第二行是有一个星号那么这行是个注释

当然第三行就一个星号后面啥也没有这也是个注释

红色的这一部分它所表示的就是

这个电路的元件及其连接关系

这块确定了这个电路的结构和参数

然后我要进行分析

什么分析呢.tran 1.0u0.005这是一个分析语句

然后.plot V(AMP_OUT)这是一个输出语句

最后是.end

大家看出来这个结构了

标题 注释 数据语句 然后分析语句 输出语句 .end

所以说SPICE文件并不是一个程序

它就是很简单的一个文件结构

把这个电路的结构表现出来

然后你指明要进行什么分析

然后怎么输出

很简单所以大家千万不要去觉着这是一个程序

编起来很困难其实不是这样的

其实SPICE文件编写起来是比较简单的

当然你要是想编写SPICE文件你要知道你的元件怎么写

你得知道它的分析语句都有哪些怎么去写

输出是哪些怎么去写

那么这个文件编写完以后呢

我们把它输入到软件里面

我们使用的软件是叫做AIM-SPICE

基本上是一个SPICE内核

它可以运行标准的SPICE文件

现在我把电路文件输入到它的编辑窗口

然后我去运行这个Analysis里面的

Run Standard Spice File结果就出来了

这就是分析结果

当然我是为了画一个波形