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、SPICE2. 商用的SPICE软件主要有________、________、________、________与________等。

答案：Hspice、Pspice、SBTspice、SmartSPICE、Tspice3. 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、100MHz4.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：M1 out in 0 0 nmos W=1.2u L=1.2u M=2模型输入格式：.Model <模型名称> <模型类型> <模型参数>……例如：.MODEL NMOS NMOS LEVEL=2 LD=0.15U TOX=200.0E-10 VTO=0.74 KP=8.0E-05 +NSUB=5.37E+15 GAMMA=0.54 PHI=0.6 U0=656 UEXP=0.157 UCRIT=31444+DELTA=2.34 VMAX=55261 XJ=0.25U LAMBDA=0.037 NFS=1E+12 NEFF=1.001+NSS=1E+11 TPG=1.0 RSH=70.00 PB=0.58+CGDO=4.3E-10 CGSO=4.3E-10 CJ=0.0003 MJ=0.66 CJSW=8.0E-10 MJSW=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：*Amplifying circuitVS 1 0 AC 1RS 1 2 200C1 2 3 3.3URB1 3 7 100KRB2 3 0 20KQ1 4 3 5 MQRC 7 4 3.3KRE 5 0 1KCE 5 0 50UC2 4 6 3.3URL 6 0 5.1KVCC 7 0 12.MODEL MQ NPN(IS=1E-16 BF=100 RB=100).OP.AC LIN 10 1K 10K.PLOT AC V(6)/V(2) V(2)/I(RS) V(6)/I(RL).END五、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：* Macro model of simplified op amp *Vp 1 0 sin(0 1 60)R1 1 2 1KR2 2 0 100KE1 3 0 2 0 5R3 3 4 1KR4 4 0 1KC1 4 0 1U.tran 1m 20m.PLOT TRAN v(1) V(2) V(3).OPTIONS POST.END3、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4 V1的波形图图5 V2的波形图图6 V3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。

六、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：.title CH6-4.include ―models.sp‖.global vddM1 out in 0 0 nmos w=5u l=1.0uM2 out in vdd vdd pmos w=5u l=1.0uVcc vdd 0 5Vin in 0 sin(0 1 10G 1ps 0).trans 0.01u 4u.print trans v(out).end七、案例Gilbert cell电路设计与仿真1、电路原理图Gilbert cell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1 Gilbert cell 电路2、HSPICE编程*HSPICE SIMULATION FILE EX5-14*GILBERT.op.OPTIONS POST=1 LIST NUMDGT=8 LIST.LIB `.\Mm0355v.l` TT.LIB `.\Mm0355v.l` BIPM1 1 3 7 0 NCH W=2U L=2UM2 2 4 7 0 NCH W=2U L=2UM3 2 3 8 0 NCH W=2U L=2UM4 1 4 8 0 NCH W=2U L=2UM5 7 5 9 0 NCH W=2U L=2UM6 8 6 9 0 NCH W=2U L=2URD1 VDD 1 70KRD2 VDD 2 70KISS 9 0 100UAVIN1 3 0 SIN(2.5 0.25 1000K)VIN2 4 0 SIN(2.5 -0.25 1000K)VC1 5 0 SIN(1.5 0.25 10000K)VC2 6 0 SIN(1.5 -0.25 10000K)VDD VDD 0 DC 5.TRAN 5N 5U 0 10NS.PROBE TRAN V(1,2) V(3,4) V(5,6).END3、仿真结果Gilebert cell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2 V（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、SPICE2. 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、．END3. 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“M1 4 2 7 0 MMOD”中，管子各极的节点号为_____________________________________。

答案：G：2、D：4、S：7、B：0八、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。

九、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]Steven M Sandler,Charles Hymowitz苏蕾译,安源校.spice电路分析.北京:科学出版社,2007.7.5. David A. Johns，Ken Martin，11 Analog Integrated Circuit Design，北京：科学出版社，20056. synopsys.HSPICE® Reference Manual: Commands and Control Options VersionB-2008.09, September 20087. synopsys.HSPICE® Simulation and Analysis User Guide Version Y-2006.03, March 2006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。