SPICE 仿真和模型簡介

 1、SPICE仿真程序
　　電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員有時(shí)需要對系統(tǒng)中的部分電路作電壓與電流關(guān)系的詳細(xì)分析，此時(shí)需要做晶體管級仿真（電路級），這種仿真算法中所使用的電路模型都是最基本的元件和單管。仿真時(shí)按時(shí)間關(guān)系對每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的I/V關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。這種仿真方法在所有仿真手段中是最精確的，但也是最耗費(fèi)時(shí)間的。
　　SPICE（Simulation program with integrated circuit emphasis）是最為普遍的電路級模擬程序，各軟件廠家提供提供了Vspice、Hspice、Pspice等不同版本spice軟件，其仿真核心大同小異，都是采用了由美國加州Berkeley大學(xué)開發(fā)的spice模擬算法。
　　SPICE可對電路進(jìn)行非線性直流分析、非線性瞬態(tài)分析和線性交流分析。被分析的電路中的元件可包括電阻、電容、電感、互感、獨(dú)立電壓源、獨(dú)立電流源、各種線性受控源、傳輸線以及有源半導(dǎo)體器件。SPICE內(nèi)建半導(dǎo)體器件模型，用戶只需選定模型級別并給出合適的參數(shù)。
　　2、元器件模型
　　為了進(jìn)行電路模擬，必須先建立元器件的模型，也就是對于電路模擬程序所支持的各種元器件，在模擬程序中必須有相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型來描述他們，即能用計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算的計(jì)算公式來表達(dá)他們。一個(gè)理想的元器件模型，應(yīng)該既能正確反映元器件的電學(xué)特性又適于在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)值求解。一般來講，器件模型的精度越高，模型本身也就越復(fù)雜，所要求的模型參數(shù)個(gè)數(shù)也越多。這樣計(jì)算時(shí)所占內(nèi)存量增大，計(jì)算時(shí)間增加。而集成電路往往包含數(shù)量巨大的元器件，器件模型復(fù)雜度的少許增加就會(huì)使計(jì)算時(shí)間成倍延長。反之，如果模型過于粗糙，會(huì)導(dǎo)致分析結(jié)果不可靠。因此所用元器件模型的復(fù)雜程度要根據(jù)實(shí)際需要而定。如果需要進(jìn)行元器件的物理模型研究或進(jìn)行單管設(shè)計(jì)，一般采用精度和復(fù)雜程度較高的模型，甚至采用以求解半導(dǎo)體器件基本方程為手段的器件模擬方法。二微準(zhǔn)靜態(tài)數(shù)值模擬是這種方法的代表，通過求解泊松方程，電流連續(xù)性方程等基本方程結(jié)合精確的邊界條件和幾何、工藝參數(shù)，相當(dāng)準(zhǔn)確的給出器件電學(xué)特性。而對于一般的電路分析，應(yīng)盡可能采用能滿足一定精度要求的簡單模型（Compact model）。
　　電路模擬的精度除了取決于器件模型外，還直接依賴于所給定的模型參數(shù)數(shù)值的精度。因此希望器件模型中的各種參數(shù)有明確的物理意義，與器件的工藝設(shè)計(jì)參數(shù)有直接的聯(lián)系，或能以某種測試手段測量出來。
　　目前構(gòu)成器件模型的方法有兩種：一種是從元器件的電學(xué)工作特性出發(fā)，把元器件看成‘黑盒子’，測量其端口的電氣特性，提取器件模型，而不涉及器件的工作原理，稱為行為級模型。這種模型的代表是IBIS模型和S-參數(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是建模和使用簡單方便，節(jié)約資源，適用范圍廣泛，特別是在高頻、非線性、大功率的情況下行為級模型幾乎是唯一的選擇。缺點(diǎn)是精度較差，一致性不能保證，受測試技術(shù)和精度的影響。另一種是以元器件的工作原理為基礎(chǔ)，從元器件的數(shù)學(xué)方程式出發(fā)，得到的器件模型及模型參數(shù)與器件的物理工作原理有密切的關(guān)系。SPICE 模型是這種模型中應(yīng)用最廣泛的一種。其優(yōu)點(diǎn)是精度較高，特別是隨著建模手段的發(fā)展和半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步和規(guī)范，人們已可以在多種級別上提供這種模型，滿足不同的精度需要。缺點(diǎn)是模型復(fù)雜，計(jì)算時(shí)間長。