原创 SPICE电路仿真软件介绍

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。