MOS運放的計算機SPICE通用電路模擬程序及運用

對于設計好的MOS運放，其中的元件參數、電源及交流激勵情況已經確定。為了考核設計的正確性，我們往往希望通過電路分析了解電路的一些工作特性，如直流工作點、頻率響應、瞬態響應、功耗、靈敏度等等。以前對于分立元件電路，這類分析都是通過實驗方法完成的，因為實驗的結果要比人工估算可靠得多。MOS運放的計算機。然而，在集成電路的設計與制造中，無法在投片前對電路作實際測試，相似結構的分立元件電路又不能與集成電路完全等效，因而，必須尋求新的電路分析方法。

隨著計算機應用的迅速普及，一種與集成電路相適應的新的電路分祈手段——計算機輔助電路分析（簡稱機輔分析）方法應運而生.到目前為止，各種電路分析程序已難以計數。由于每個分析程序所分析的電路規模、器件模型及計算精度各不相同，因此，它們所具有的分析功能強弱各異。這里，向讀者介紹一種近年來在機輔分析方面應用最廣的分析程序一一通用電路模擬程序SPICE的使用方法。

SPICE是一個通用電路模擬程序，可用它對電路進行非線性直流分析、非線性瞬態分析和線性交流分析。所分析的電路中，可包括電阻、電容、電感、互感、獨立電壓源和獨立電流源、四種類型的受控源、傳輸線，以及四種最通用的半導體器件；二極管、雙極型晶體管、結型場效應管和MOS場效應管。

下面結合CMOS運放的模擬，對SPICE程序的調用方法作一簡單介紹。

（一）SPICE通用電路橫擬程序及使用

SPICE程序包括以下四個部分

（1）電路結構描述

即把元件之間的連接方式告訴計算機，等于讓計算機讀通電路圖。SPICE程序有其特定的電路圖輸入方式，稱為電路描述語句。

（2）器件模型

包括各種線性和非線性元件，以及激勵源。對各種模型SPICE由模型語句予以規定。

（3）計算部分

在考慮運算速度、精度及收斂性的條件下，完成各種分析功能。

（4）輸出打印

按用戶指定的輸出語句，提供所需要的結果、曲線和表格。

（1）電路描述

實現機輔分析的首要條件是必須把電路圖告訴計算機。電路圖中只包含兩種信息：元件及它們的連接方式。給電路圖上的所有節點標上標號，將元件名、它所連接的節點、元件參數等按以格式輸入。

i、一般元器件描述語句

（i）電阻

電阻名必須以R開頭，可以有八個有效字符，然后填上它所聯節點號、元件值，格式如下：

R×××××××   N1    N2    VALUE    <溫度TC=TC1

                                                      <,TC2>>

【例】R1     3     200

          RW     1     29      2K      TC=0.007，0.2

N1和N2是電阻兩端的節點號，均為正整數。VALUE是電阻值，單位：歐姆，其值可正、也可負，但不得為零，TC1和TC2是溫度系數（可選項）。若缺省兩者均為零。電阻值作為溫度的函數由下式給出：

VALUE（T）=VALUE（To）（1+TC1（T-To）+TC2（T-TO）²）

式中

To=27℃=300K

（ii）電容

電容以字母C開頭，一般形式為

C×××××××    N+    N-    VALUE   

【例】C12        2          0         1UF

          C    CROSS     5     9      10 UF      IC=5V

N+、N-是元件的正負節點號，VALUE是電容的值，INCOND為電容上初始電壓（可選項），缺省值為零。

（iii）獨立源

電壓源以字母V開頭，電流源以字母I開頭，一般形式為

V××××××× N+    N-   

I ××××××× N+    N-   

【例】VCC    10  0   DC   7

          VIN     6    0   AC   5

            IS      7    3   AC   3

N+、N-分別是正、負節點號，電壓源的電流方向定為從正節點流出經源至負節點，電流源的電流方向定為從N+節點經源至N-節點。MOS運放的計算機。直流源加關鍵字DC，后跟電源的值，缺省值為零；交流源加關鍵字AC，后跟交流小信號的幅度值，缺省值為1.為了便于電路的瞬態分折，SPICE還引入了五種獨立源函數：脈沖源、正弦源、指數源、分段線性源和單頻頻率調制襟。這里僅介紹運放分析中常用的三種源。格式如下：

（a）脈沖源

PULSE      （V1 V2 TD TR TP PW PER）

【例】VIN 10 0 PULSE（-2  2  1NS  1NS 2NS 50NS 100NS）

其中，V1：初始值。V2：波動值。TD：延遲時間，缺省值為零。TR：上升時間。TF：下降時間。PW：脈沖寬度。PER：周期。脈沖源如圖3.11-1所示。

（b）正弦源

SIN（VO VA FREQ TD THETA）

【例】VIN 10 0 SIN（0 1 100MEG 1NS 1E10）

其中，VO：偏置。VA：幅值。FREQ：頻率。TD：延遲時間，缺省值為零。THETA；阻尼因子，缺省值為零。正弦源如圖3.11-2所示。

（c）分段線性源

PWL（T1 V1<T2  V2  T3  V3···>）

【例】VCLOCK  12  2  PWL（0  -6   5NS  -3   11NS  -6）

其中，每對（T1 , V1）值表明在時間TIME=T1 時源的值。中間時刻的源值是對輸入值進行線性插值而求得。分段線性源如圖3.11-3所示。

除了上述的元件和獨立源外，SPICE還向用戶提供了非線性電容、電感、傳輸線等元件，以及四種相關源。MOS運放的計算機。但由于在集成CMOS運放的模擬中不用或不常用，因此，這里就不再一一詳述了。有興趣的讀者可查閱SPICE程序用戶指南。

ii、半導體器件描述語句

SPICE允許有四種半導體器件：二極管，以字母D開頭；雙極型晶體管，以字母Q開頭，結型場效應晶體管，以字母J開頭；MOS場效應晶體管，以字母M開頭。一般形式如下：

（i）二極管

D××××××× N+  N-  MNAME  <IC=VD>

【例】DBRIGE 3  10  DIODE2

N+、N-分別是正負節點號，MNAME是模型名，模型參數由后面將詳述的模型語句確定。VD是初始電壓，缺省值為零。

（ii）雙極型晶體管

D×××××××  NC  NB  NE<NS）MNAME

【例】Q21  11  24  18  QMOD   IC=0.6，0.3

NC  NB  NE分別是集電極、基極和發射極節點，NS是襯底，缺省時襯底接地。MNAM是模型名，VBE、VcE分別是初始基-射電壓和集-射電壓，缺省值均為零。

（iii）結型場效應晶體管

J×××××××ND NG NS MNAME<IC=VDS、VGS）

【例】J  15  26  3  1  JM1

ND、NG、NS分別是漏、柵、源的節點號，MNAME是模型名，VDS、VGS為初始條件，缺省值為零。

（iv）MOS場效應晶體管

M×××××××ND、NG、NS NB MNAME

<L=VAL，W=VAL> <IC=VDS，VGS，VBS）

【例】M1  8  4  5  1  MOD3  L=5U   W=8U

ND、NG、NS和NB分別是漏、柵、源和襯底的節點號。MNAME是模型名，L和W分別為溝道的長和寬。VDS、VGS和VBS為初始條件，缺省值為零。

iii、模型語句

在器件描述語句中都必須包含有模型名，但并不給出器件模型參數的具體內容，這些參數還必須通過模型語句加以說明，使計算機能調用具體的模型子程序進行運算。MOS運放的計算機。多個器件可以使用同一模型。

模型語句的一般形式為：

.MODEL MNAME TYPE<模型參數>

【例】.MODEL MOD3 PMOS VTO=-1.5 NSUB=1.0E14 UO=383

其中，MNAME是與器件描述語句中一致的模型名，TYPE是模型的種類。SPICE給出了七個模型種類。其中MOS器件的符號規定為：

NMOS：N溝MOS場效應晶體管模型

PMOS：P溝MOS場效應晶體管模型

模型語句中的模型參數，是由用戶按SPICE給出的模型參數表中的符號，專門設定某些參數的值。MOS運放的計算機。對沒有設定的模型參數值，SPICE將采用其隱含值。在下面的表格里列出了MOS器件的部分常用參數的含義，表中“典型值“一欄所列的部分為復旦大學電子工程系集成電路生產線上的工藝參數。

SPICE提供三種MOS場效應晶體管模型  它們的V-I特性曲線各不相同。用表3.11-1中的變量LEVEL指定所用的模型。

LEVEL=1    SHICHMAN-HODGES   模型

LEVEL=2    MOS2 模型，計算MOS器件的二階效應

LEVEL=3    MOS3模型，即半經驗模型

在CMOS運放模擬中，常采用的是MOS2模型。

至此，利用上述介紹的各種語句，已可把待分析的電器結構告訴計算機了，但并未表達用戶需要進行模擬的要求。MOS運放的計算機。這就必須通過SPICE的每種功能調用語句一一作業控制語句來實現。

（2）作業控制語句

i、直流工作點分析

一般形式：.OP

此項分析時，電感短路、電容開路，該語句將使SPICE求出電路的直流工作點。如執行瞬態分析及交流分析，則在分析前將自動進行直流分析，此語句可省略。

ii、直流傳輸特性分析

一般形式：.DC  源名稱   起始值   終止值   步長

此語句指定直流傳輸曲線的源和掃描極限，這對得到電路的輸出特性及動態范圍很有用。

【例】.DC   VIN   0.2   5.0   0.25   <VB   0.005    0.8   0.005>

電壓源VIN從0.2伏掃描到5.0伏，每次增量0.25伏，同時作為可選項，第二個電壓源

VB從0.005伏開始每隔0.005伏遞增至0.8伏，對于每個VB值，VIN都掃描一次。

iii、傳遞函數

一般形式：   .TF   輸出量   輸入源

【例】.TF    V（6，2）VIN

此語句用以確定直流分析時，小信號輸入、輸出量的比值、輸入阻抗和輸出阻抗。例中SPICE將計算，VIN端輸入阻抗及節點6與節點2之間的輸出阻抗。

iv、交流分析

一般形式：.AC   NEC   ND   起始頻率   終止頻率

                 .AC   OTC   NO   起始頻率   終止頻率

                 .AC   LIN     N     起始頻率   終止須率

其中，DEC表示數量級變化，ND表示每十倍頻程內所需分析的頻率點數。NO是每八倍頻程內所需分析的點數。N是整個頻率范圍內等間隔地分析的點數。此語句常用于確定電路的頻率響應特性。

Ⅴ、瞬態分析

一般形式：   .TRAN   步長   終止時間    <起始時間>  <UIC>

【例】.TRAN   10NS   1   US   50NS   UIC

其中起始時間缺省值為零?？蛇x關鍵字UIC表示用戶不要求SPICE在瞬態分析開始前求解靜態工作點，而采用下述。IC語句或元件描述語句的初始條件設置值，計算器件的參數。UIC缺省時，SPICE自動先進行直流分析。

vi、初始條件

一般形式： .IC   V（節點號）= ···   V（節點號）= ···

可用此語句設置瞬態初始條件。瞬態分析時，這些電壓限制自動消失。

vii、靈敏度分析

一般形式：.SENS   輸出變量表

【例】.SENS   V（9）   V（4，3）   V（17）   I（VCC）

此語句用于確定各指定的輸出變量對每個電路參數的直流小信號靈敏度。例中I（VCC）是流過獨立源VCC的電流。

viii、噪聲分析

一般形式：.NOISE   輸出電壓號   輸出獨立源名

                               每十倍頻程內計算的點數

【例】.NOISE  V（6）VIN 10

此例表示對輸出電壓V（6）噪聲分析，并計算折合到VIN的等效輸入噪聲，每十倍頻程內計算10點。

ix、溫度設置

一般形式：.TEMP   T1  T2  ···

SPICE將在不同溫度（T1，T2，···）下進行分析。

（3）輸出控制

i、打印語句

一般形式：    .PRINT    分析類型   輸出變量表

【例】.PRINT    NOISE    INOISE

          .PRINT    TRAN      V（7）    I（VIN）

          .PRINT     AC          V（3）    VM（4，2）    VR（7）      VP（8，3）

其中，分析類型可以是DC、AC、TRAN，SENS及NOISE其中的任一個，而每條輸出語句的輸出變量表中最多包含八項。MOS運放的計算機。SPICE還允許在V或I后加上字母R、I、M、P、DB分別表示輸出電壓或電流的實部、虛部、幅度、相位和增益等。另外，噪聲分析中INOISE與ONOISE分別表示輸入噪聲和輸出噪聲。

ii、繪圖語句

一般形式：   .PLOT   分析類型   輸出變量表   <范圍>

此語句的分析類型及輸出變量的表示與.PRINT相同，只是在輸出變量后面還可加可選的作圖范圍限制，缺省時SPICE將自動換算成合適的比例作圖。

【例】.PLOT    TRAN    V（5，3）    V（4）（0，5）    V（7）（0，10）

表示在0~5伏范圍內繪制V（5）-V（3）及V（4）的波形，在0~10伏范圍內繪制V（7）的波形。

（4）SPICE調用中的幾項說明

在實際調用SPICE程序時，根據上述電路描述語句和控制語句所構成的輸入數據文件，還必須在第一行加入一句標題，在最后一行加上結束語句，END。標題的內容將作為輸出的一部分被逐行打印出來。

SPICE要求各類語句的關鍵字或參數均用空格符分割，并允許有多個空格存在。如一條語句在一行中寫不下時，可在下一行行首加“+”號表示續行。另外，SPICE還允許在輸入數據文件中有注釋行，且可出現在標題行后的任何地方，但其行首必須用“*”號標明。

各種語句中的參數均可采用浮點表示，各種符號規定為

SPICE不能輸出非獨立源支路上的電流，因而要測量連接某一元件的支路電流，可在此支路上接入一零值獨立電壓源，作“電流表”，輸出其電流值，而不影響原來電路的功能。

聯系方式：鄒先生

聯系電話：0755-83888366-8022

手機：18123972950

QQ：2880195519

聯系地址：深圳市福田區車公廟天安數碼城天吉大廈CD座5C1

請搜微信公眾號:“KIA半導體”或掃一掃下圖“關注”官方微信公眾號

請“關注”官方微信公眾號:提供  MOS管  技術幫助