模拟电路仿真SPICE小记

接前面EDA小记，查查SPICE内容，胡乱整理一下。

SPICE，取自Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis（集成电路通用模拟程序）首字母缩写，是一种用于电路描述与仿真的语言和仿真器软件，用于检测电路的连接和功能的完整性，以及用于预测电路的行为。

SPICE 历史

SPICE，1975年由加利福尼亚大学伯克莱分校的Donald Pederson在电子研究实验室首先建立的。第一版和第二版都是用Fortran语言编写的，从第三版开始用C语言编写。

1973：SPICE1
1975：SPICE2，最后一个版本 SPICE2G.6(1983)，当今很多商业仿真器基于这个版本
1989：SPICE3，最后一个版本 SPICE3f.5(1993)

商业软件

HSPICE：1970年代末，由Meta-Software开发，1980年代成为集成电路行业的标准工具，1994年被收入Synopsys旗下。
PSPICE：第一个用于PC机的SPICE，1980年代初由MicroSim开发，1998年被OrCAD收购，1999年OrCAD被Cadence收购。
NI Multisim：1990年代由Interactive Image Technologies开发，最初叫做Electronics Workbench，后称为Multisim。2005被 National Instruments收购。提供直观的图形化设计环境，易于使用。
IsSPICE：1985年由Intusoft推出，用于研究或中小型项目
MICROCAP：1980年代末，由Spectrum Software开发，2019年停止开发。版本停留在 Micro-Cap 12，商业软件变为免费提供
ProSPICE：Proteus中使用的SPICE仿真器。Proteus 由 Labcenter Electronics 于1988开发。Proteus支持MCU模拟。
LTspice：1990年代末由Linear Technology发布，2017年被Analog Devices收购。免费提供。包含Analog Devices元件库。
TINA：Toolkit for Interactive Network Analysis是基于SPICE的仿真软件，由DesignSoft于1990年发布。支持模拟、数字、射频以及MCU。
TINA-TI：DesignSoft的TINA的受限版本。2004年起由Texas Instruments免费提供。包含 TI 提供的丰富元件库，便于使用 TI 产品进行设计。注意，它比TINA学生版相比，功能都受限。（另外，它和PSpice for TI无关）
PSPICE for TI：由 Texas Instruments (TI) 提供的电路仿真工具，基于 Cadence 设计系统的 PSpice 技术。此工具专为设计涉及 TI 元件的电子电路的工程师而开发。免费提供
QSPICE：qorvo公司免费提供。它是由原LTspice的作者开发的。支持C++/Verilog编译器。包含Qorvo器件库。
AIM-SPICE：1990年代由俄罗斯科学院开发，含义 Automatic Integrated Circuit Modeling Spice，旨在为学术研究和教育提供免费的电路仿真工具。免费，但是社区不大
...

还有很多

SmartSpice
HSIM
NANOSIM
ADiT
ULTRASIM

追求免费的话，LTspice似乎是社区比较大的。另外QSPICE由于是LTspice的原作者新开发的，似乎也有点意思。

开源软件

ngspice：开源软件，融合了XSPICE和CIDER等变体。它本身是一个基于命令行的电路仿真器，但是它可以与其他图形界面工具集成。比如KiCad, Qucs-S 等，另外EasyEDA、Autodesk fusion、Altium Designer等也支持ngspice。
XYCE：由美国桑迪亚国家实验室开发的，支持并行计算，适合大规模电路模型。它没有基于SPICE的代码，是重新开发的兼容SPICE的程序。
WRspice：WrSpice是JSPICE3的继任者，它使用C++进行了重写，在一些行为上（SPICE和HSPICE不一致时），向HSPICE靠拢。WRspice由 Whiteley Research Inc. (WRI) 开发和维护，2017年起已经停止维护。

XSPICE由Georgia Tech开发，添加数模混合仿真功能；CIDER（CODECS）是由U.C. Berkeley和Oregon State University合作开发，支持半导体器件的数值仿真，并利用数值仿真结果进行电路分析。

配合ngspice 的 GUI 程序

以下是一些可以与 ngspice 集成，提供图形界面的工具：

KiCad (使用 wxwidgets 这一跨平台 C++的 UI库)
Qucs-S （使用 Qt 这一跨平台 C++的 UI库）: 网址 https://ra3xdh.github.io/，派生自Qucs，但是使用Spice。
gEDA （使用GTK+ 这一个gnome的UI库）
XSchem：在Unix下使用X11和Tcl-Tk库。
EasyEDA（Web端）
...

另外，多个商业软件可以支持/使用 ngspice：

Eagle 8.4
Altium Designer 20
Autodesk fusion
...

网表文件语法

尽管现代多数仿真工具可以通过电路图输入，还是有必要先了解一下SPICE基础的语法。

SPICE语法主要涉及电路描述文件（通常为.cir或.sp文件），该文件包含了定义和分析电路所需的所有指令和元件描述。

基本组成

SPICE的输入文件主要由以下几部分组成：

标题行（Title Card/Title Line）：文件的第一行，用于描述电路或仿真的简要信息。
元件说明（Element Cards）：描述电路中的具体元件，如电阻、电容、电感、晶体管等。
控制语句（Control Statements）：指定仿真类型（如直流分析、交流分析、瞬态分析等）和输出要求。
模型描述（Model Descriptions）：定义特定元件的详细物理特性
结束行（.END）：标记文件结束。

另外，

注释行（Comment)：
子电路(Subcircuit)：
文件包含(.INCLUDE)：

SPICE在1970年代被开发时，打孔卡还是主要的数据输入手段之一，每个电路元件或控制语句通常对应一行输入，这被视为一个“card”。

数字？

SPICE大小写不敏感，数字数量级的单位：

T = 10^12
G = 10^9
Meg = 10^6
K = 10^3
mil = 25.4x10^-6
m = 10^-3
u = 10^-6
n = 10^-9
p = 10^-12
f = 10^-15

不加数量级的数字，可以表示为：

5
5.0
5E3
5.0E3

单位：V、A、HZ、OHM、H、F、DEG

注意，最好不要加单位。

标题行

标题行必须是输入文件的第一行

1	`My first circuit`

结束行

结束行，注意前面的 .。

.END

注释行

与C语言中使用 //或 /* */进行注释不同，SPICE中使用星号（*）来注释行，例如：

* 这是一个注释

行内注释，使用分号 ;，有的用SPICE支持 $。

V1 1 0 DC 10V ; 这是电源定义，电压为10V
R1 1 2 1k ; 这是一个电阻，阻值为1千欧姆

续行

在不同的 SPICE 版本中，续行符的使用有细微的差异。在多数 SPICE 方言中，使用加号（+）作为续行符。加号放在新行的行首。

元件说明

每个元件在SPICE中都用一行文本描述，格式通常为：

1	`<类型><名称> <连接节点> <参数>`

例如，电阻类型用R标识，一个电阻可以描述为：

1	`R1 1 2 100k`

这表示一个名为R1的电阻，连接在节点1和节点2之间，阻值为100千欧姆。

注意，名字和节点，不一定用数字（节点地必须是0）。所以下面也可以

1	`Rabc myin1 myin2 100000`

常用元件的类型：

R：电阻 (Resistor)
C：电容 (Capacitor)
L：电感 (Inductor)
V：独立电压源 (Independent Voltage Source)
I：独立电流源 (Independent Current Source)
E：电压控制电压源 (Voltage-Controlled Voltage Source)
G：电压控制电流源 (Voltage-Controlled Current Source)
H：电流控制电压源 (Current-Controlled Voltage Source)
F：电流控制电流源 (Current-Controlled Current Source)
D：二极管 (Diode)
Q：双极型晶体管 (Bipolar Junction Transistor)
M：MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)
J：JFET (Junction Field-Effect Transistor)

控制语句

控制语句以点（.）开始，用于定义仿真的设置和进行的分析类型。常见的控制语句包括：

.DC：直流扫描分析
.AC：交流扫描分析
.TRAN：瞬态分析
.OP：工作点分析(Operation Point Analysis)
.PRINT：定义输出变量
.PLOT：定义绘图输出

还有

.NODESET：为电路节点提供初始电压估计，有助于加速仿真收敛
.IC：Initial Condition，为某些节点设置仿真开始时的确切电压或初始条件。常用于瞬态分析。
.OPTION：设置仿真的各种参数，比如迭代步长、容差、输出格式等。

例如，进行一个瞬态分析的控制语句可能如下：

.TRAN 1us 100ms

这表示进行瞬态分析，步长为1微秒，总时长为100毫秒。

在ngspice中，支持.control 块功能。块中可以包含任何有效的 ngspice 命令，比如设定仿真选项、执行仿真和后处理数据等。

.control
    [ngspice 命令]
.endc

模型描述

设备模型对于准确模拟电子元件在各种条件下的行为至关重要。SPICE定义了多种模型类型，每种模型在 SPICE 中都有特定的参数集，这些参数可以根据实际器件的数据手册进行调整以匹配实际行为。

SPICE中的.MODEL语句允许用户定义诸如二极管、晶体管等半导体器件的特性。这些模型有助于预测器件在电路中的运行情况。

.MODEL语句在SPICE中的通用格式如下：

.MODEL MNAME TYPE(PNAME1=PVAL1 PNAME2=PVAL2 ...)

MNAME：这是模型名称，用于在仿真的其他部分中唯一标识此模型。
TYPE：指定设备的类型。常见类型包括MOSFET的NMOS和PMOS，双极结型晶体管的NPN和PNP，二极管的D等。
PNAME1, PNAME2, ...：这些是针对所建模设备类型的参数名称。
PVAL1, PVAL2, ...：每个参数的对应值。

例如：

.MODEL MYMNAME NMOS (LEVEL=1 VTO=2.0 KP=10U W=10U L=1U)

这定义了一个NMOS型号为M1的模型，指定了多个物理参数。

定义好之后，可以通过原件类型M使用它。

M1 1 2 3 4 MYMNAME

这里，M1 是NMOS晶体管的实例，1、2、3、4是连接节点（分别是栅极、漏极、源极和衬底），MNMOS是之前定义的模型。

注意：区分SPICE模型于IBIS模型。不同于 SPICE模型是一种基于文本的行为模型，SPICE仿真器使用这种模型通过数学运算预测器件在不同条件下的行为。IBIS是Input/Output Buffer Information Specification（输入/输出缓冲器信息规范）的首字母缩写。它是一种行为模型，描述器件的数字输入和输出缓冲器的模拟行为。它由表格数据组成，描述数字缓冲器内元器件的电流-电压(I-V)关系，以及输出或I/O缓冲器的电压随时间变化的(V-t)开关特性。它用于在制造之前对系统板进行信号完整性分析，并以纯ASCII文本格式的数据呈现。它不披露任何专有信息，因为IBIS模型就像一个黑盒模型，不包含可逆向工程的内部信息。

子电路

子电路在 SPICE 中是通过 .SUBCKT 语句定义的，其结构允许将一组电路元件封装成单一的实体。定义子电路的基本语法如下：

.SUBCKT 子电路名 输入端口节点 输出端口节点 [其他端口节点...]
...（电路元件描述）
.ENDS <子电路名>

.ENDS 后面的子电路名可以省略。

子电路的调用就像使用任何其他内置元件一样。调用子电路的语法通常如下：

1	`X<名称> <连接节点列表> <子电路名>`

例子：

* 定义子电路OPAMP，端口分配: 1 - 输入+, 2 - 输入-, 3 - 输出
.SUBCKT OPAMP 1 2 3
Rin 1 2 10k
G1 3 0 1 2 100k
Rout 3 0 1k
.ENDS OPAMP

* 调用子电路OPAMP
XU1 1 0 2 OPAMP
V1 1 0 DC 1
Rload 2 0 10k

OPAMP 是子电路的名称，1, 2, 3 是端口节点。内部包含了输入电阻 Rin，一个控制源 G1 和输出电阻 Rout。
XU1 表示一个子电路实例，连接到节点 1, 0, 和 2。OPAMP 是调用的子电路名称。

文件包含

.INCLUDE 语句的基本语法如下：

.INCLUDE '文件路径1'
.INCLUDE "文件路径2"

文件路径是要引入文件的完整或相对路径。使用双引号（"）或单引号（'）均可用来包围文件路径。

非标准的 .LIB，在一些SPICE中，用于导入第三方库。比如ngspice中：

1	`LIB filename libname`

函数

SPICE 提供了多种内置函数，函数可以在 SPICE 仿真中用于不同的目的，包括定义复杂的源特性、控制电路行为，以及分析和优化电路性能。

数学函数

abs(x) - 返回 x 的绝对值。
sqrt(x) - 返回 x 的平方根。
exp(x) - 计算 e 的 x 次方。
log(x) - 计算 x 的自然对数。
sin(x) - 计算 x 的正弦值。
cos(x) - 计算 x 的余弦值。
tan(x) - 计算 x 的正切值。
asin(x) - 计算 x 的反正弦值。
acos(x) - 计算 x 的反余弦值。
atan(x) - 计算 x 的反正切值。
sinh(x) - 计算 x 的双曲正弦值。
cosh(x) - 计算 x 的双曲余弦值。
tanh(x) - 计算 x 的双曲正切值。

逻辑和条件函数

if(cond, then_expr, else_expr) - 根据条件 cond 返回 then_expr 或 else_expr。
sgn(x) - 返回 x 的符号，正数为1，负数为-1，零为0。
u(x) - 单位阶跃函数，x 大于0时返回1，否则返回0。

特殊电路分析函数

limit(x, min, max) - 将 x 限制在 min 和 max 之间。
pow(x, y) - 计算 x 的 y 次幂。
min(x, y) - 返回 x 和 y 中的最小值。
max(x, y) - 返回 x 和 y 中的最大值。

在 SPICE 及其许多变体中，.func 指令用于定义用户自定义的数学函数，这些函数可以在电路描述中被重用。

.func 函数名(参数1, 参数2, ..., 参数n) = 表达式

SPICE 解算器?

SPICE使用数值积分方法来求解由网表定义的电路方程。这些方程通常是非线性微分方程。

节点分析
基于节点电压法，将电路转化为节点电压方程。利用基尔霍夫电流定律（KCL）构建方程。
稀疏矩阵技术
由于电路方程组通常是稀疏的，SPICE 使用稀疏矩阵存储和操作数据，以节省内存和提高计算速度。
牛顿-拉夫森迭代法
用于求解非线性电路方程。通过线性化非线性方程并反复迭代逼近求解。
每次迭代计算雅可比矩阵，并求解线性方程组。
瞬态分析
使用梯形积分法和向后欧拉法进行时间步进，模拟电路的动态行为。
梯形法稳定性高，适合大多数电路仿真。
直流分析
计算电路在直流稳态下的行为。通过迭代求解节点电压，确定稳态电流和电压。
交流分析
通过线性化电路，使用小信号模型进行频域分析。
计算电路的增益、相位等频率响应特性。
...

杂项

命令行

SPICE有交互式模式、批处理模式以及server模式。不过直接手动编辑spice文件的场景应该挺少了，都是通过GUI界面绘制电路图。

对于ngspice来说，其他软件还可以直接使用其动态库，比如KiCAD。

ngspice 行为

ngspice源自spice3f5，远远不像其他商业版本进化那么快。通过 ngbehavior 来模拟一些兼容行为

1	`set ngbehavior=ltpsa`

注意写法，这些都是Flag！可以多个同时使用的。

Flag	Short Description
`a`	A complete netlist transformed
`ps`	PSPICE compatibility
`hs`	HSPICE compatibility
`spe`	Spectre compatibility
`lt`	LTSPICE compatibility
`s3`	Spice3 compatibility
`ll`	All (currently not used)
`ki`	KiCad compatibility
`eg`	EAGLE compatibility
`mc`	For 'make check' (test environments)

模型导入

在实际中，由于同一个型号的半导体器件，可能由多个半导体制造商生产，尽管他们基本的电气特性可能相似，但是细节上还有差异。比如 1N4148 是一种非常普遍的开关二极管，但是各个仿真软件因为使用不同厂家的器件，造成参数不同。有时需要手动导入仿真软件没有提供的器件模型

模型可以是

通过 .MODEL 使用内置模型，只是修改一下参数
使用 .subckt 定义新的使用各个内置模型创建的子电路

直接编辑spice文件的话，使用 .include似乎就够了，但是在GUI下，需要编辑器件（对应好引脚，这样电路图和仿真模型才能对应）

对于Kicad(NGSpice)

https://docs.kicad.org/8.0/en/eeschema/eeschema.html#assigning_models
https://ngspice.sourceforge.io/ngspice-eeschema.html#OpAmp1641

对于LTSpice

LTspice: Simple Steps to Import Third-Party Models
https://ieee.li/pdf/viewgraphs/ltspice_importing_third_party_models.pdf

对于MutiSim

在线仿真网站

有一堆在线网站，后台是否和spice有关不清楚

multisim live（商业，收费）：https://www.multisim.com/
easyeda（国产，免费，后台使用ngspice）：https://easyeda.com/
circuitlab: https://www.circuitlab.com/
everycircuit： https://everycircuit.com/
circuitverse：https://circuitverse.org/simulator
falsted: https://www.falstad.com/circuit/
circuitjs：https://lushprojects.com/circuitjs/
dcalab：https://dcaclab.com/

参考

https://en.wikipedia.org/wiki/SPICE
http://www.ecircuitcenter.com/SpiceTopics/History.htm
http://www.ecircuitcenter.com/SPICEsummary.htm
https://web.archive.org/web/20090928075648/http://newton.ex.ac.uk/teaching/CDHW/Electronics2/userguide/sec2.html
https://www.altium.com/documentation/knowledge-base/altium-designer/understand-spice-models-supported-in-altium
https://ngspice.sourceforge.io/ngspice-eeschema.html
https://ngspice.sourceforge.io/resources.html
https://xyce.sandia.gov/
https://people.eecs.berkeley.edu/~boser/courses/40/software/MultiSim-Tutorial.pdf
https://www.tina.com/
https://en.wikipedia.org/wiki/TINA_(program)
https://ngspice.sourceforge.io/resources.html
https://p.qorvo.com/qspice-simulator.html
http://www.intusoft.com/icap.htm
https://ngspice.sourceforge.io/docs/ngspice-42-manual.pdf
https://m.elecfans.com/article/1925576.html
https://www.analog.com/en/resources/analog-dialogue/articles/spice-vs-ibis-choosing-the-more-appropriate-model-for-your-circuit.html
http://www.wrcad.com/manual/wrsmanual/wrsmanual.html
https://xschem.sourceforge.io/stefan/index.html

1+1=10

记记笔记，放松一下...