原创 SPICE电路仿真软件介绍

2008-12-25 09:17 4252 2 2 分类: 模拟

电子产品的设计一般先从功能框图开始,然后细化到原理图,还要经过很复杂和繁琐的调试验证过程,最终才能完成。为了验证原理图的正确性,都要焊接实验板(样板),或使用易于插件的“面包板”,每个节点都必须正确和可靠,连接或焊接过程都是细致而耗时的工作,在器件很多时几乎是不可能完成的任务,而每次调整都要打样,耗时长而成本高,在设计集成电路时更是如此,急需在制造之前验证集成电路的功能。这种现实需要就迫使人们想用他办法来解决。
根据电路理论,人们可以建立起节点方程和回路方程,通过解这些方程组成的方程组就可以得到结果,也就是说可以通过计算来获得电路的工作情况。但包含电感、电容等器件的电路形成的是一组微分方程组,人工计算依然是累人的活,而计算机则可以大展身手,通过其强大的存储、计算和图形显示能力就能轻松完成,很快得到结果。基于这种思想,人们开发出电路仿真软件,通过快速的仿真,代替耗时且累人的反复调测,提高设计速度和效率,也节省了时间和成本。最早、最出色的仿真软件就是SPICE。


SPICE是Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis的缩写,由美国加利福尼亚大学伯克利(Berkeley)分校的电工和计算机科学系开发,骨干是Ron Rohrer和Larry Nagel,开始是使用FORTRAN语言设计的仿真软件,用于快速可靠地验证集成电路中的电路设计以及预测电路的性能。第一个版本SPICE1于1971年推出,通过围绕晶体管建立电流和电压变量来仿真电路的行为,称为模拟仿真或电路级仿真,且只能模拟100个晶体管的电路。
1975年SPICE2发布,开始正式实用化,1983年发布的SPICE2G.6在很长时间内都是工业标准,它包含超过15000条FORTRON语句,运行于多种中小型计算机上。1985年SPICE3推出,转为用C语言开发,易于运行于UNIX工作站,还增加了图形后处理工具和原理图工具,提供了更多的器件模型和分析功能。在1988年SPICE被定为美国国家标准。


Spice仿真器采用修改的节点分析法来建立电路方程组,提供非线性直流分析,非线性瞬态分析(实域分析)和线性小信号分析(频域分析)等。其中瞬态分析是最费时的验证方法,通常是利用数值积分法把非线性微分方程变成一组代数方程组,然后用高斯消去法来求解,因为这些线性方程仅仅在积分时刻点是有效的,而随着仿真器进展到下一个积分步长,积分方法必须重复来得到新的线性方程组,如果信号变化得特别快,积分步长应该取得非常小以便积分方法能收敛到正确的解,因此瞬态分析需要大量的数学操作。


随着SPICE的发布,其他一些机构也加入研究行列,更有一些软件供应商也看中这个商机,纷纷推出基于SPICE3的各种商业软件,如XSPICE、PSPICE、ISSPICE、T-SPICE、HSPICE等等,功能更强,更方便使用,使SPICE成为电子电路仿真的主流软件,一些软件公司也是通过SPICE相关软件得到发展,并逐渐成为现在的EDA软件公司,成为知识创造财富的实例。因为SPICE仿真需要相关的元器件仿真模型库,还催生了依靠提供器件模型为生的公司和个人,但中国人都乐于奉献,没钱当然不会买,这种公司在中国是无法存在的(http://www.aeng.com/spicemodeling.asp)。
SPICE软件也有一定局限性,有些电路无法仿真或仿真时因不能收敛而失败,特别是用于数模混合电路及脉冲电路时尤其如此。就算通过仿真,最终还是要通过实际制作电路板调试和验证,仿真只是使这个过程大大缩短,次数大大减少,也就降低了成本。软件能提高效率和降低成本,所以就有相应的价值,但中国人的人工费低廉而有的是时间,干得好干得快才让人讨厌,软件在中国也就不值钱了。


目前国内常见的SPICE软件主要是PROTEL99附带的仿真模块和ORCAD附带的PSPICE模块,还有EWB(ELECTRONICS WORKBENCH)及升级版本MULTISIM,其他的一些软件如INTUSOFT、Hspice不常见,一些小的自由软件(如MicroSim)因功能有限或附带元件库太少而没有多大实用价值,只能供学习演示。其中PSPICE功能最强,附带元器件仿真库最丰富,还有自建元件仿真模型的界面,易学易用,最应被推荐,国内常见的ORCAD版本为9.2或10.0。


国外的网站可以下载到AIM-Spice Student Version、B2 Spice v5、5Spice Analysis等免费或试用软件,感兴趣的可用GOOGLE搜索并下载试用,但都是英文版本。

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