Εισαγωγή

Το SPICE είναι ένα γενικού σκοπού πρόγραμμα εξομοίωσης κυκλώματος για μη γραμμικές dc, μη γραμμικές transient και γραμμικές ac αναλύσεις. Τα κυκλώματα μπορεί να περιλαμβάνουν αντιστάτες, πυκνωτές, πηνία, αμοιβαίους επαγωγείς, ανεξάρτητες πηγές τάσης και ρεύματος, τέσσερα είδη εξαρτώμενων πηγών, χωρίς απώλειες (lossless) και (lossy) γραμμές μεταφοράς με υψηλό βαθμό εξασθένησης των απωλειών (δύο ξεχωριστές εφαρμογές), διακόπτες, ομοιόμορφες κατανεμημένες RC γραμμές και τα πέντε πιο γνωστά ημιαγωγά στοιχεία : δίοδοι, BJTs, JFETs, MESFETs και MOSFETs.

H SPICE3 έκδοση είναι βασισμένη απολύτως στο SPICE2G.6. Καθώς το SPICE3 αναπτύσσεται για να συμπεριλάβει νέα χαρακτηριστικά, αυτό συνεχίζει να υποστηρίζει αυτές τις ικανότητες και τα μοντέλα τα οποία παραμένουν σε ευρεία χρήση στο SPICE3 πρόγραμμα.

Το SPICE3 έχει ενσωματώσει μοντέλα για τα ημιαγωγά στοιχεία και ο χρήστης μόνο να καθορίσει τις σχετικές παραμέτρους του μοντέλου. Αυτό το μοντέλο για το BJT είναι βασισμένο στο ολοκληρωμένο-φορτίο μοντέλο του Gummel and Poon : εντούτοις, αν οι Gummel and Poon παράμετροι δεν έχουν καθοριστεί, το μοντέλο μειώνεται στο απλούστερο Ebers-Moll μοντέλο. Σε κάθε περίπτωση, οι συνέπειες συσσώρευσης φορτίου, ωμικές αντιστάσεις και μια τρέχων-εξαρτώμενη εξωτερική αγωγιμότητα μπορεί να περιλαμβάνονται. Το μοντέλο της διόδου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για κάθε σύνδεση διόδων ή Schottky φράγμα διόδων. Το JFET μοντέλο είναι βασισμένο στο FET μοντέλο του Shichman and Hodges. Έξι MOSFET μοντέλα εφαρμόζονται : το MOS1 περιγράφεται με ένα I-V χαρακτηριστικό νόμου του τετραγώνου, το MOS2 [1] είναι ένα αναλυτικό μοντέλο, ενώ το MOS3 [1] εείναι ένα ημι-εμπειρικό μοντέλο, το MOS6 [2] είναι ένα απλό αναλυτικό μοντέλο ακριβής στην short-channel περιοχή, το MOS4 [3,4] και το MOS5 [5] είναι τα BSIM (Berkeley Short-channel IGFET Model) και BSIM2. Τα MOS2, MOS3 και MOS4 περιλαμβάνουν δεύτερης τάξης αποτελέσματα όπως channel-length διαμόρφωση, subthreshold διέλευση, scattering-limited ταχύτητα κορεσμού, μικρού μεγέθους επιδράσεις και ελεγχόμενο φορτίο χωρητικότητας.

ΕΙΔΗ ΑΝΑΛΥΣΗΣ

DC Ανάλυση

Το τμήμα DC ανάλυσης του SPICE προσδιορίζει το dc λειτουργικό σημείο του κυκλώματος με τα πηνία βραχυκυκλωμένα και ανοικτούς τους πυκνωτές. Οι επιλογές dc ανάλυσης ορίζονται στις γραμμές ελέγχου .DC, .TF και .OP. Η DC ανάλυση εκτελείται αυτόματα πριν την transient ανάλυση για να ορίσει της transient αρχικές συνθήκες, και πριν απ’ αυτό μια μικρού σήματος ανάλυση για να προσδιορίσει την γραμμικότητα, μικρού σήματος μοντέλα για μη γραμμικά στοιχεία. Αν ζητείται, η dc τιμή μικρού σήματος μιας λειτουργίας μεταφοράς (ο λόγος εξόδου μεταβάλλεται με την πηγή εξόδου), η αντίσταση εισόδου και η αντίσταση εξόδου επίσης υπολογίζονται ως ένα μέρος της dc επίλυσης. Η dc ανάλυση μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να παράγουμε dc καμπύλες μεταφοράς : μια καθορισμένη ανεξάτητη τάση ή μια πηγή ρεύματος βασίζονται σε μια καθορισμένη περιοχή του χρήστη και οι dc εξόδου μεταβλητές αποθηκεύονται για κάθε διαδοχική τιμή πηγής.

ΑC Μικρού-Σήματος Ανάλυση

Το τμήμα ac μικρού σήματος ανάλυσης του SPICE υπολογίζει τις ac μεταβλητές εξόδου ως μια λειτουργία συχνότητας. Το πρόγραμμα αρχικά υπολογίζει το dc λειτουργικό σημείο του κυκλώματος και προσδιορίζει την γραμμικότητα, μικρού σήματος μοντέλων για όλα τα μη γραμμικά στοιχεία του κυκλώματος. Το επακόλουθο γραμμικό κύκλωμα τότε αναλύεται πάνω από μια καθορισμένη περιοχή του χρήστη συχνοτήτων. Η επιθυμητή έξοδος μιας ac μικρού σήματος ανάλυσης είναι συνήθως μια συνάρτηση μεταφοράς (κέρδος τάσης, transimpedance, κ.τ.λ). Αν το κύκλωμα έχει μόνο μια ac είσοδο, είναι βολικό να θέσετε αυτή την είσοδο σε μοναδιαία και μηδενική φάση, οπότε αυτές οι μεταβλητές εξόδου έχουν την ίδια τιμή όπως την συνάρτηση μεταφοράς της μεταβλητής εξόδου σε σχέση με την είσοδο.

Transient Ανάλυση

Το τμήμα transient ανάλυσης του SPICE υπολογίζει τις μεταβλητές transient εξόδου σαν μια χρονική λειτουργία πάνω από ένα χρήστη-καθορισμένο χρονικό διάστημα. Οι αρχικές συνθήκες αυτόματα ορίζονται από μια dc ανάλυση. Όλες οι πηγές οι οποίες δεν είναι χρονικά εξαρτώμενες (π.χ: τροφοδοτικά ισχύος) θέτονται στις dc τιμές τους. Το transient χρονικό διάστημα καθορίζονται σε μια .TRAN γραμμή ελέγχου.

Pole - Zero Ανάλυση

Το τμήμα pole-zero ανάλυσης του SPICE υπολογίζει τους πόλους και / ή τα μηδενικά στην μικρού σήματος ac λειτουργία μεταφοράς. Το πρόγραμμα αρχικά υπολογίζει το dc λειτουργικό σημείο και προσδιορίζει την γραμμικότητα, μικρού σήματος μοντέλων για όλα τα μη γραμμικά στοιχεία του κυκλώματος. Το κύκλωμα τότε χρησιμοποιείται για να βρείτε τους πόλους και τα μηδενικά της λειτουργίας μεταφοράς.

Δύο είδη λειτουργιών μεταφοράς επιτρέπονται : ένα του τύπου (τάση εξόδου) / (τάση εισόδου) και ο άλλος του τύπου (τάση εξόδου) / (ρεύμα εισόδου). Αυτά τα δύο είδη λειτουργιών μεταφοράς καλύπτουν όλες τις περιπτώσεις και μια μπορεί να παρέχει τα μηδενικά / πόλους των λειτουργιών όπως σύνθετη αντίσταση εισόδου / εξόδου και κέρδος τάσης. Οι πόρτες εισόδου και εξόδου είναι καθορισμένα σαν δύο ζευγάρια από κόμβους.

Η pole-zero ανάλυση λειτουργεί με αντιστάσεις, πυκνωτές, πηνία, γραμμικού ελέγχου πηγές, ανεξάρτητες πηγές, BJT, JFET, MOSFET και διόδους. Δεν υποστηρίζονται γραμμές μεταφοράς.

Η μέθοδος που χρησιμοποιείται στην ανάλυση είναι μια υποβέλτιστη αριθμητική αναζήτηση. Για μεγάλα κυκλώματα μπορεί να πάρει σημαντικό χρόνο ή έλλειψη για να βρείτε όλους τους πόλους και τα μηδενικά. Για μερικά κυκλώματα, η μέθοδος γίνεται “lost” και βρίσκει ένα υπερβολικό αριθμό από μηδενικά ή πόλους.

Ανάλυση Παραμόρφωσης Μικρού-Σήματος

Το τμήμα παραμόρφωσης ανάλυσης του SPICE υπολογίζει σταθερής κατάστασης αρμονικής και αλληλοδιαμόρφωσης προϊόντα για μικρού σήματος εισόδου μεγέθη. Αν τα σήματα μιας μονής συχνότητας είναι ορισμένα ως η είσοδος του κυκλώματος, οι σύνθετες τιμές των δεύτερων και τρίτων αρμονικών προσδιορίζονται σε κάθε σημείο του κυκλώματος. Αν υπάρχουν σήματα δύο συχνοτήτων ως είσοδος του κυκλώματος, η ανάλυση βρίσκει τις σύνθετες τιμές των μεταβλητών του κυκλώματος στο άθροισμα και την διαφορά των συχνοτήτων εισόδου και στη διαφορά της μικρότερης συχνότητας από τη δεύτερη αρμονική της μεγαλύτερης συχνότητας.

Η ανάλυση παραμόρφωσης υποστηρίζεται από τα ακόλουθα μη γραμμικά στοιχεία : διόδους (DIO), BJT, JFET, MOSFET (levels 1, 2, 3, 4 /BSIM1, 5/BSIM2 και 6) και MESFET. Όλα τα γραμμικά στοιχεία αυτόματα υποστηρίζονται από την ανάλυση παραμόρφωσης. Αν υπάρχουν παρών διακόπτες στο κύκλωμα, η ανάλυση συνεχίζει να φροντίζει η διακόπτες να μην αλλάζουν κατάσταση κάτω από μικρές διεγέρσεις που χρησιμοποιούνται για υπολογισμούς παραμόρφωσης.

Ανάλυση Ευαισθησίας

Το SPICE3 θα υπολογίσει είτε την ευαισθησία του DC λειτουργικού σημείου είτε την ευαισθησία του AC μικρού σήματος μιας μεταβλητής εξόδου σχετικά προς όλες τις μεταβλητές του κυκλώματος, περιλαμβάνοντας παραμέτρους των μοντέλων. Το Spice υπολογίζει την διαφορά σε μια μεταβλητή εξόδου (είτε μια τάση κόμβου είτε ένα ρεύμα διακλάδωσης) διαταράσσοντας ανεξάρτητα κάθε παράμετρο κάθε στοιχείου. Εφ’ όσον η μέθοδος είναι μια αριθμητική προσέγγιση, τα αποτελέσματα μπορεί να επεξηγούν δεύτερης τάξης ενέργειες σε υψηλής ευαισθησίας παραμέτρους, ή μπορεί να αποτύχουν να εμφανίσουν πολύ μικρή αλλά όχι μηδενική ευαισθησία. Επιπλέον, καθώς κάθε μεταβλητή διαταράσσεται από ένα μικρό κλάσμα της τιμής του, μηδενικής τιμής παράμετροι δεν αναλύονται (αυτό έχει το πλεονέκτημα της μείωσης ότι συνήθως είναι ένα μεγάλο ποσό δεδομένων).

Ανάλυση Θορύβου

Το τμήμα ανάλυσης θορύβου του SPICE πραγματοποιεί ανάλυση θορύβου παραγόμενη στη συσκευή για το δεδομένο κύκλωμα. Όταν παρέχεται με μια πηγή εισόδου και μια πόρτα εξόδου, η ανάλυση υπολογίζει τις συμβολές θορύβου κάθε συσκευής (και κάθε παραγωγού θορύβου μέσα στη συσκευή) στην πόρτα τάσης εξόδου. Επίσης υπολογίζει τον θόρυβο εισόδου στο κύκλωμα, ισοδύναμα στο θόρυβο εξόδου σχετικά με τη καθορισμένη πηγή εισόδου. Αυτό γίνεται για κάθε σημείο συχνότητας σε μια καθορισμένη περιοχή – η υπολογισμένη τιμή του θορύβου αντιστοιχεί στη φασματική πυκνότητα της μεταβλητής του κυκλώματος εξετάζοντας το ως μια σταθερή gaussian τυχαία διαδικασία.

Ύστερα από τον υπολογισμό των φασματικών πυκνοτήτων, η ανάλυση θορύβου ενσωματώνει αυτές τις τιμές πάνω από μια καθορισμένη περιοχή συχνότητας για να καταλήξει στο τελικό θόρυβο τάσης / ρεύματος (πάνω από αυτή την περιοχή συχνότητας). Αυτή η υπολογισμένη τιμή αντιστοιχεί στη διαφορά της μεταβλητής του κυκλώματος εξετάζοντας το ως μια σταθερή gaussian διαδικασία.

Επιστροφή στο The Spice Page