Синтаксис нетлистов SPICE: именование компонентов, пассивные и активные элементы, определение источников

Хотя это руководство охватывает основы, SPICE предлагает полный набор функций для точной симуляции. Ниже сжато изложены ключевые правила синтаксиса и примеры для написания чистых, безошибочных нетлистов.

Каждый элемент SPICE начинается с однобуквенного ключевого слова: R — резисторы, C — конденсаторы, L — катушки индуктивности, V — источники напряжения, I — источники тока, D — диоды, Q — биполярные транзисторы, M — MOSFET, J — JFET, K — трансформаторные связи. Последующие символы уникально идентифицируют каждый экземпляр данного типа. Имена могут быть любой последовательностью до восьми алфавитно-цифровых символов; регистр игнорируется, поэтому r1 и R1 обозначают один и тот же резистор. Длина более восьми символов обрезается, что может вызвать коллизии имён. Например, rpulldown интерпретируется как rpulldow, потенциально дублируя rpulldow, если оно встречается где-то ещё.

SPICE поддерживает метрические префиксы для упрощения задания значений, хотя соглашение немного отличается от стандартного из-за ограничений ASCII и нечувствительности к регистру. Распространённые префиксы:

• t — тера (10¹²)
• g — гига (10⁹)
• meg — мега (10⁶)
• k — кило (10³)
• m — милли (10^-3)
• u — микро (10^-6)
• n — нано (10^-9)
• p — пико (10^-12)
• f — фемто (10^-15)

Также поддерживается научная нотация. Типичные определения резисторов:

 R1 1 0 2t ; 2 TΩ
R2 1 0 4g ; 4 GΩ
R3 1 0 47meg ; 47 MΩ
R4 1 0 3.3k ; 3.3 kΩ
R5 1 0 55m ; 55 mΩ
R6 1 0 10u ; 10 µΩ
R7 1 0 30n ; 30 nΩ
R8 1 0 5p ; 5 pΩ
R9 1 0 250f ; 250 fΩ
R10 1 0 4.7e3 ; 4.7 kΩ
R11 1 0 1e-12 ; 1 pΩ

Пассивные компоненты

Конденсаторы

 C1 12 33 10u ; 10 µF
C1 12 33 10u IC=3.5 ; 10 µF с начальным напряжением 3.5 В

Начальное условие (IC) задаёт напряжение на конденсаторе в начале постоянного тока (DC) анализа; если опущено, по умолчанию ноль. Для переходных процессов (.tran) нужно добавить опцию UIC, чтобы учесть IC.

Катушки индуктивности

 L1 12 33 133m ; 133 mH
L1 12 33 133m IC=12.7m ; 133 mH с начальным током 12.7 мА

IC задаёт ток через катушку в амперах при старте DC. Для переходного анализа требуется карта .tran с UIC.

Трансформаторная связь (k-устройства)

 K1 L1 L2 0.999 ; 99.9 % связь между L1 и L2

Коэффициент связи должен строго лежать между 0 и 1. Порядок катушек не важен.

Резисторы

 RLOAD 23 15 3.3k ; 3.3 kΩ между узлами 23 и 15

Номинальная мощность резисторов не моделируется; все компоненты считаются идеальными, если не задано иное.

Активные компоненты

Каждое полупроводниковое устройство должно быть описано картой .MODEL, задающей его электрические характеристики. Пропущенные параметры принимают внутренние значения SPICE по умолчанию.

Диоды

 D1 1 2 MOD1 ; диод по модели MOD1

Пример модели:

 .MODEL MOD1 D ; простая модель диода
.MODEL MOD2 D VJ=0.65 RS=1.3 ; диод с контактным потенциалом и последовательным сопротивлением

Ключевые параметры: IS (ток насыщения), RS (сопротивление перехода), N (коэффициент эмиссии), VJ (контактный потенциал), BV (напряжение пробоя).

Биполярные транзисторы (BJT)

 Q1 2 3 0 MOD1 ; BJT по модели MOD1

Пример модели 2N2222 (NPN):

 .MODEL M2N2222 NPN IS=19f BF=150 VAF=100 IKR=.18
+ ISE=50p NE=2.5 BR=7.5 VAR=6.4 IKR=12m
+ ISC=8.7p NC=1.2 RB=50 RE=0.4 RC=0.4 CJE=26p
+ TF=0.5n CJC=11p TR=7n XTB=1.5 KF=0.032f AF=1

Для PNP транзистора (2N2907):

 .MODEL M2N2907 PNP IS=1.1p BF=200 NF=1.2 VAF=50
+ IKF=0.1 ISE=13p NE=1.9 BR=6 RC=0.6 CJE=23p
+ VJE=0.85 MJE=1.25 TF=0.5n CJC=19p VJC=0.5
+ MJC=0.2 TR=34n XTB=1.5

Имена моделей должны начинаться с буквы. Полные списки параметров см. в The Spice Book Андрея Владимиреску (ISBN 0‑471‑60926‑9).

Полевые транзисторы с p-n переходом (JFET)

 J1 2 3 0 MOD1 ; JFET по модели MOD1

Пример модели JFET:

 .MODEL MOD2 NJF LAMBDA=1e-5 PB=0.75

Параметры: VTO (пороговое напряжение), BETA (проводимость), LAMBDA (модуляция длины канала), ёмкости CGS, CGD.

MOSFET

 M1 2 3 0 0 MOD1 ; MOSFET по модели MOD1

Синтаксис модели:

 .MODEL MOD1 PMOS
.MODEL MOD2 NMOS LEVEL=2 PHI=0.65 RD=1.5
.MODEL MOD3 NMOS VTO=-1 ; дефицитный N-канал
.MODEL MOD4 NMOS VTO=1 ; усилённый N-канал
.MODEL MOD5 PMOS VTO=1 ; дефицитный P-канал
.MODEL MOD6 PMOS VTO=-1 ; усилённый P-канал

Параметр VTO отличает режим дефицита от режима усиления. Положительный VTO на P-канале (или отрицательный на N-канале) указывает на дефицитный режим; обратный знак — на усилённый.

Источники напряжения и тока

Синусоидальные источники переменного тока (с .AC)

 V1 1 0 AC 12 SIN
V1 1 0 AC 12 240 SIN ; 12 V при фазе 240°

Используется, когда все источники имеют одну частоту, но могут отличаться по фазе. Для нескольких частот — альтернативный синтаксис.

Синусоидальные источники переменного тока (без .AC)

 V1 1 0 SIN(0 12 60 0 0)

Параметры: offset (DC-смещение), voltage (амплитуда), freq (Гц), delay (фаза в секундах), damping (затухание).

Источники постоянного напряжения

 V1 1 0 DC ; DC источник, задаваемый картой .DC
V1 1 0 DC 12 ; явные 12 V DC

При использовании карты анализа .dc источники должны быть объявлены с ключевым словом DC. Иначе напряжение указывается напрямую.

Импульсные источники напряжения

 V1 1 0 PULSE(-3 3 0 0 0 10m 20m)

Генерирует прямоугольную волну от –3 V до +3 V с нулевыми фронтами, периодом 20 мс и коэффициентом заполнения 50 %.

Синусоидальные источники тока переменного тока (с .AC)

 I1 1 0 AC 3 SIN
I1 1 0 AC 1m 240 SIN ; 1 mA при фазе 240°

Синусоидальные источники тока (без .AC)

 I1 1 0 SIN(0 1.5 60 0 0)

Источники постоянного тока

 I1 1 0 DC ; задаётся картой .DC
I1 1 0 DC 12 ; явные 12 A DC

Примечание: в SPICE первый указанный узел считается отрицательным; ток течёт от отрицательного к положительному узлу.

Импульсные источники тока

 I1 1 0 PULSE(-3m 3m 0 0 0 17m 34m)

Прямоугольная волна между –3 мА и +3 мА, период 34 мс, коэффициент заполнения 50 %.

Зависимые источники напряжения

 E1 2 0 1 2 999k

Создаёт повторятель напряжения с высоким коэффициентом усиления 999 к. Зависимые источники не нагружают входной узел; их следует использовать с осторожностью в обратных связях.