MOS运放的计算机SPICE通用电路模拟程序及运用

对于设计好的MOS运放，其中的元件参数、电源及交流激励情况已经确定。为了考核设计的正确性，我们往往希望通过电路分析了解电路的一些工作特性，如直流工作点、频率响应、瞬态响应、功耗、灵敏度等等。以前对于分立元件电路，这类分析都是通过实验方法完成的，因为实验的结果要比人工估算可靠得多。MOS运放的计算机。然而，在集成电路的设计与制造中，无法在投片前对电路作实际测试，相似结构的分立元件电路又不能与集成电路完全等效，因而，必须寻求新的电路分析方法。

随着计算机应用的迅速普及，一种与集成电路相适应的新的电路分祈手段——计算机辅助电路分析（简称机辅分析）方法应运而生.到目前为止，各种电路分析程序已难以计数。由于每个分析程序所分析的电路规模、器件模型及计算精度各不相同，因此，它们所具有的分析功能强弱各异。这里，向读者介绍一种近年来在机辅分析方面应用最广的分析程序一一通用电路模拟程序SPICE的使用方法。

SPICE是一个通用电路模拟程序，可用它对电路进行非线性直流分析、非线性瞬态分析和线性交流分析。所分析的电路中，可包括电阻、电容、电感、互感、独立电压源和独立电流源、四种类型的受控源、传输线，以及四种最通用的半导体器件；二极管、双极型晶体管、结型场效应管和MOS场效应管。

下面结合CMOS运放的模拟，对SPICE程序的调用方法作一简单介绍。

（一）SPICE通用电路横拟程序及使用

SPICE程序包括以下四个部分

（1）电路结构描述

即把元件之间的连接方式告诉计算机，等于让计算机读通电路图。SPICE程序有其特定的电路图输入方式，称为电路描述语句。

（2）器件模型

包括各种线性和非线性元件，以及激励源。对各种模型SPICE由模型语句予以规定。

（3）计算部分

在考虑运算速度、精度及收敛性的条件下，完成各种分析功能。

（4）输出打印

按用户指定的输出语句，提供所需要的结果、曲线和表格。

（1）电路描述

实现机辅分析的首要条件是必须把电路图告诉计算机。电路图中只包含两种信息：元件及它们的连接方式。给电路图上的所有节点标上标号，将元件名、它所连接的节点、元件参数等按以格式输入。

i、一般元器件描述语句

（i）电阻

电阻名必须以R开头，可以有八个有效字符，然后填上它所联节点号、元件值，格式如下：

R×××××××   N1    N2    VALUE    <温度TC=TC1

                                                      <,TC2>>

【例】R1     3     200

          RW     1     29      2K      TC=0.007，0.2

N1和N2是电阻两端的节点号，均为正整数。VALUE是电阻值，单位：欧姆，其值可正、也可负，但不得为零，TC1和TC2是温度系数（可选项）。若缺省两者均为零。电阻值作为温度的函数由下式给出：

VALUE（T）=VALUE（To）（1+TC1（T-To）+TC2（T-TO）²）

式中

To=27℃=300K

（ii）电容

电容以字母C开头，一般形式为

C×××××××    N+    N-    VALUE   

【例】C12        2          0         1UF

          C    CROSS     5     9      10 UF      IC=5V

N+、N-是元件的正负节点号，VALUE是电容的值，INCOND为电容上初始电压（可选项），缺省值为零。

（iii）独立源

电压源以字母V开头，电流源以字母I开头，一般形式为

V××××××× N+    N-   

I ××××××× N+    N-   

【例】VCC    10  0   DC   7

          VIN     6    0   AC   5

            IS      7    3   AC   3

N+、N-分别是正、负节点号，电压源的电流方向定为从正节点流出经源至负节点，电流源的电流方向定为从N+节点经源至N-节点。MOS运放的计算机。直流源加关键字DC，后跟电源的值，缺省值为零；交流源加关键字AC，后跟交流小信号的幅度值，缺省值为1.为了便于电路的瞬态分折，SPICE还引入了五种独立源函数：脉冲源、正弦源、指数源、分段线性源和单频频率调制襟。这里仅介绍运放分析中常用的三种源。格式如下：

（a）脉冲源

PULSE      （V1 V2 TD TR TP PW PER）

【例】VIN 10 0 PULSE（-2  2  1NS  1NS 2NS 50NS 100NS）

其中，V1：初始值。V2：波动值。TD：延迟时间，缺省值为零。TR：上升时间。TF：下降时间。PW：脉冲宽度。PER：周期。脉冲源如图3.11-1所示。

（b）正弦源

SIN（VO VA FREQ TD THETA）

【例】VIN 10 0 SIN（0 1 100MEG 1NS 1E10）

其中，VO：偏置。VA：幅值。FREQ：频率。TD：延迟时间，缺省值为零。THETA；阻尼因子，缺省值为零。正弦源如图3.11-2所示。

（c）分段线性源

PWL（T1 V1<T2  V2  T3  V3···>）

【例】VCLOCK  12  2  PWL（0  -6   5NS  -3   11NS  -6）

其中，每对（T1 , V1）值表明在时间TIME=T1 时源的值。中间时刻的源值是对输入值进行线性插值而求得。分段线性源如图3.11-3所示。

除了上述的元件和独立源外，SPICE还向用户提供了非线性电容、电感、传输线等元件，以及四种相关源。MOS运放的计算机。但由于在集成CMOS运放的模拟中不用或不常用，因此，这里就不再一一详述了。有兴趣的读者可查阅SPICE程序用户指南。

ii、半导体器件描述语句

SPICE允许有四种半导体器件：二极管，以字母D开头；双极型晶体管，以字母Q开头，结型场效应晶体管，以字母J开头；MOS场效应晶体管，以字母M开头。一般形式如下：

（i）二极管

D××××××× N+  N-  MNAME  <IC=VD>

【例】DBRIGE 3  10  DIODE2

N+、N-分别是正负节点号，MNAME是模型名，模型参数由后面将详述的模型语句确定。VD是初始电压，缺省值为零。

（ii）双极型晶体管

D×××××××  NC  NB  NE<NS）MNAME

【例】Q21  11  24  18  QMOD   IC=0.6，0.3

NC  NB  NE分别是集电极、基极和发射极节点，NS是衬底，缺省时衬底接地。MNAM是模型名，VBE、VcE分别是初始基-射电压和集-射电压，缺省值均为零。

（iii）结型场效应晶体管

J×××××××ND NG NS MNAME<IC=VDS、VGS）

【例】J  15  26  3  1  JM1

ND、NG、NS分别是漏、栅、源的节点号，MNAME是模型名，VDS、VGS为初始条件，缺省值为零。

（iv）MOS场效应晶体管

M×××××××ND、NG、NS NB MNAME

<L=VAL，W=VAL> <IC=VDS，VGS，VBS）

【例】M1  8  4  5  1  MOD3  L=5U   W=8U

ND、NG、NS和NB分别是漏、栅、源和衬底的节点号。MNAME是模型名，L和W分别为沟道的长和宽。VDS、VGS和VBS为初始条件，缺省值为零。

iii、模型语句

在器件描述语句中都必须包含有模型名，但并不给出器件模型参数的具体内容，这些参数还必须通过模型语句加以说明，使计算机能调用具体的模型子程序进行运算。MOS运放的计算机。多个器件可以使用同一模型。

模型语句的一般形式为：

.MODEL MNAME TYPE<模型参数>

【例】.MODEL MOD3 PMOS VTO=-1.5 NSUB=1.0E14 UO=383

其中，MNAME是与器件描述语句中一致的模型名，TYPE是模型的种类。SPICE给出了七个模型种类。其中MOS器件的符号规定为：

NMOS：N沟MOS场效应晶体管模型

PMOS：P沟MOS场效应晶体管模型

模型语句中的模型参数，是由用户按SPICE给出的模型参数表中的符号，专门设定某些参数的值。MOS运放的计算机。对没有设定的模型参数值，SPICE将采用其隐含值。在下面的表格里列出了MOS器件的部分常用参数的含义，表中“典型值“一栏所列的部分为复旦大学电子工程系集成电路生产线上的工艺参数。

SPICE提供三种MOS场效应晶体管模型  它们的V-I特性曲线各不相同。用表3.11-1中的变量LEVEL指定所用的模型。

LEVEL=1    SHICHMAN-HODGES   模型

LEVEL=2    MOS2 模型，计算MOS器件的二阶效应

LEVEL=3    MOS3模型，即半经验模型

在CMOS运放模拟中，常采用的是MOS2模型。

至此，利用上述介绍的各种语句，已可把待分析的电器结构告诉计算机了，但并未表达用户需要进行模拟的要求。MOS运放的计算机。这就必须通过SPICE的每种功能调用语句一一作业控制语句来实现。

（2）作业控制语句

i、直流工作点分析

一般形式：.OP

此项分析时，电感短路、电容开路，该语句将使SPICE求出电路的直流工作点。如执行瞬态分析及交流分析，则在分析前将自动进行直流分析，此语句可省略。

ii、直流传输特性分析

一般形式：.DC  源名称   起始值   终止值   步长

此语句指定直流传输曲线的源和扫描极限，这对得到电路的输出特性及动态范围很有用。

【例】.DC   VIN   0.2   5.0   0.25   <VB   0.005    0.8   0.005>

电压源VIN从0.2伏扫描到5.0伏，每次增量0.25伏，同时作为可选项，第二个电压源

VB从0.005伏开始每隔0.005伏递增至0.8伏，对于每个VB值，VIN都扫描一次。

iii、传递函数

一般形式：   .TF   输出量   输入源

【例】.TF    V（6，2）VIN

此语句用以确定直流分析时，小信号输入、输出量的比值、输入阻抗和输出阻抗。例中SPICE将计算，VIN端输入阻抗及节点6与节点2之间的输出阻抗。

iv、交流分析

一般形式：.AC   NEC   ND   起始频率   终止频率

                 .AC   OTC   NO   起始频率   终止频率

                 .AC   LIN     N     起始频率   终止须率

其中，DEC表示数量级变化，ND表示每十倍频程内所需分析的频率点数。NO是每八倍频程内所需分析的点数。N是整个频率范围内等间隔地分析的点数。此语句常用于确定电路的频率响应特性。

Ⅴ、瞬态分析

一般形式：   .TRAN   步长   终止时间    <起始时间>  <UIC>

【例】.TRAN   10NS   1   US   50NS   UIC

其中起始时间缺省值为零。可选关键字UIC表示用户不要求SPICE在瞬态分析开始前求解静态工作点，而采用下述。IC语句或元件描述语句的初始条件设置值，计算器件的参数。UIC缺省时，SPICE自动先进行直流分析。

vi、初始条件

一般形式： .IC   V（节点号）= ···   V（节点号）= ···

可用此语句设置瞬态初始条件。瞬态分析时，这些电压限制自动消失。

vii、灵敏度分析

一般形式：.SENS   输出变量表

【例】.SENS   V（9）   V（4，3）   V（17）   I（VCC）

此语句用于确定各指定的输出变量对每个电路参数的直流小信号灵敏度。例中I（VCC）是流过独立源VCC的电流。

viii、噪声分析

一般形式：.NOISE   输出电压号   输出独立源名

                               每十倍频程内计算的点数

【例】.NOISE  V（6）VIN 10

此例表示对输出电压V（6）噪声分析，并计算折合到VIN的等效输入噪声，每十倍频程内计算10点。

ix、温度设置

一般形式：.TEMP   T1  T2  ···

SPICE将在不同温度（T1，T2，···）下进行分析。

（3）输出控制

i、打印语句

一般形式：    .PRINT    分析类型   输出变量表

【例】.PRINT    NOISE    INOISE

          .PRINT    TRAN      V（7）    I（VIN）

          .PRINT     AC          V（3）    VM（4，2）    VR（7）      VP（8，3）

其中，分析类型可以是DC、AC、TRAN，SENS及NOISE其中的任一个，而每条输出语句的输出变量表中最多包含八项。MOS运放的计算机。SPICE还允许在V或I后加上字母R、I、M、P、DB分别表示输出电压或电流的实部、虚部、幅度、相位和增益等。另外，噪声分析中INOISE与ONOISE分别表示输入噪声和输出噪声。

ii、绘图语句

一般形式：   .PLOT   分析类型   输出变量表   <范围>

此语句的分析类型及输出变量的表示与.PRINT相同，只是在输出变量后面还可加可选的作图范围限制，缺省时SPICE将自动换算成合适的比例作图。

【例】.PLOT    TRAN    V（5，3）    V（4）（0，5）    V（7）（0，10）

表示在0~5伏范围内绘制V（5）-V（3）及V（4）的波形，在0~10伏范围内绘制V（7）的波形。

（4）SPICE调用中的几项说明

在实际调用SPICE程序时，根据上述电路描述语句和控制语句所构成的输入数据文件，还必须在第一行加入一句标题，在最后一行加上结束语句，END。标题的内容将作为输出的一部分被逐行打印出来。

SPICE要求各类语句的关键字或参数均用空格符分割，并允许有多个空格存在。如一条语句在一行中写不下时，可在下一行行首加“+”号表示续行。另外，SPICE还允许在输入数据文件中有注释行，且可出现在标题行后的任何地方，但其行首必须用“*”号标明。

各种语句中的参数均可采用浮点表示，各种符号规定为

SPICE不能输出非独立源支路上的电流，因而要测量连接某一元件的支路电流，可在此支路上接入一零值独立电压源，作“电流表”，输出其电流值，而不影响原来电路的功能。

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