SPICE es un programa de simulación de circuitos de uso general para análisis de CC no lineal, transitorio no lineal y CA lineal. Los circuitos pueden contener resistencias, condensadores, inductores, inductores mutuos, fuentes independientes de voltaje y corriente, cuatro tipos de fuentes dependientes, líneas de transmisión y los cuatro dispositivos semiconductores más comunes: diodos, BJT, JFET y MOSFET.

SPICE tiene modelos incorporados para los dispositivos semiconductores, y el usuario necesita especificar solo los valores de los parámetros del modelo pertinentes.

El modelo del BJT se basa en el modelo de carga integral de Gummel y Poon; sin embargo, si no se especifican los parámetros de Gummel-Poon, el modelo se reduce al modelo de Ebers-Moll más simple. En cualquier caso, se pueden incluir efectos de almacenamiento de carga, resistencias óhmicas y una conductancia de salida dependiente de la corriente. El modelo de diodo se puede utilizar para diodos de unión o barrera de diodos Schottky. El modelo JFET se basa en el modelo FET de Shichman y Hodges. Se implementan tres modelos MOSFET; MOS1 se describe mediante una característica I-V de ley cuadrada. MOS2 es un modelo analítico, mientras que MOS3 es un modelo semi-empírico. Tanto MOS2 como MOS3 incluyen efectos de segundo orden como modulación de la longitud del canal, conducción subumbral, saturación de velocidad limitada de dispersión, efectos de tamaño pequeño y capacitancias controladas por carga.

1. TIPOS DE ANÁLISIS

          1.1. Análisis DC

               La parte de análisis de CC de SPICE determina el punto de funcionamiento de CC del circuito con inductores en cortocircuito y condensadores abiertos. Un análisis de CC se realiza automáticamente antes de un análisis transitorio para determinar las condiciones iniciales transitorias y antes de un análisis de señal pequeña de CA para determinar los modelos linealizados de pequeña señal para dispositivos no lineales. Si se solicita, el valor de CC de señal pequeña de una función de transferencia (relación entre la variable de salida y la fuente de entrada), la resistencia de entrada y la resistencia de salida también se calcularán como parte de la solución de CC. El análisis de CC también se puede utilizar para generar curvas de transferencia de CC: una fuente de corriente o voltaje independiente especificada se escalona sobre un rango especificado por el usuario y las variables de salida de CC se almacenan para cada valor de fuente secuencial. Si se solicita, SPICE también determinará las sensibilidades de señal pequeña de CC de las variables de salida especificadas con respecto a los parámetros del circuito. Las opciones de análisis de CC se especifican en las tarjetas de control .DC, .TF, .OP y .SENS.

Si se desea ver los modelos de pequeña señal para dispositivos no lineales junto con un punto de operación de análisis transitorio, entonces se debe proporcionar la tarjeta .OP. Las condiciones de polarización de CC serán idénticas para cada caso, pero la información más completa del punto de funcionamiento no está disponible para imprimirse cuando se calculan las condiciones iniciales transitorias.

1.2. Análisis de pequeña señal de CA

               La porción de señal pequeña de CA de SPICE calcula las variables de salida de CA en función de la frecuencia. El programa primero calcula el punto de operación de cd del circuito y determina modelos linealizados de pequeña señal para todos los dispositivos no lineales en el circuito. El circuito lineal resultante se analiza luego en un rango de frecuencias especificado por el usuario. La salida deseada de un análisis de pequeña señal de CA suele ser una función de transferencia (ganancia de voltaje, transimpedancia, etc.). Si el circuito tiene solo una entrada de CA, es conveniente establecer esa entrada en fase unitaria y cero, de modo que las variables de salida tengan el mismo valor que la función de transferencia de la variable de salida con respecto a la entrada.

               La generación de ruido blanco por resistencias y dispositivos semiconductores también se puede simular con la parte de señal pequeña de CA de SPICE. Los valores de fuente de ruido equivalentes se determinan automáticamente a partir del punto de funcionamiento de señal pequeña del circuito, y la contribución de cada fuente de ruido se suma en un punto de suma dado. El nivel de ruido de salida total y el nivel de ruido de entrada equivalente se determinan en cada punto de frecuencia. Los niveles de ruido de entrada y salida están normalizados con respecto a la raíz cuadrada del ancho de banda de ruido y tienen las unidades Voltios / rt Hz o Amps / rt Hz. El ruido de salida y el ruido de entrada equivalente se pueden imprimir o trazar de la misma manera que otras variables de salida.

          No se necesitan datos de entrada adicionales para este análisis.

               Las fuentes de ruido de parpadeo se pueden simular en el análisis de ruido al incluir valores para los parámetros KF y AF en las tarjetas de modelo de dispositivo adecuadas.

               Las características de distorsión de un circuito en el modo de pequeña señal se pueden simular como parte del análisis de CA de pequeña señal. El análisis se realiza asumiendo que se imponen una o dos frecuencias de señal en la entrada.

               El rango de frecuencia y los parámetros de análisis de ruido y distorsión se especifican en las líneas de control .AC, .NOISE y .DISTO.

1.3. Análisis transitorio

                La parte de análisis transitorio de SPICE calcula las variables de salida transitorias en función del tiempo durante un intervalo de tiempo especificado por el usuario. Las condiciones iniciales se determinan automáticamente mediante un análisis de CC. Todas las fuentes que no dependen del tiempo (por ejemplo, fuentes de alimentación) se establecen en su valor de CC. Para simulaciones sinusoidales de señales grandes, se puede especificar un análisis de Fourier de la forma de onda de salida para obtener los coeficientes de Fourier en el dominio de la frecuencia. El intervalo de tiempo transitorio y las opciones de análisis de Fourier se especifican en las líneas de control .TRAN y .FOURIER.

1.4. Análisis a diferentes temperaturas

               Se supone que todos los datos de entrada para SPICE se han medido a 27 grados C (300 grados K). La simulación también asume una temperatura nominal de 27 grados C. El circuito se puede simular a otras temperaturas usando una línea de control .TEMP.

               La temperatura aparece explícitamente en los términos exponenciales de las ecuaciones del modelo de diodo y BJT. Además, las corrientes de saturación tienen una dependencia de temperatura incorporada. La dependencia de la temperatura de la corriente de saturación en los modelos BJT está determinada por:

              ES (T1) = ES (T0) * ((T1 / T0) ** XTI) * exp (q * EG * (T1-T0) / (k * T1 * T0))

          donde k es la constante de Boltzmann, q es la carga electrónica, EG es la brecha de energía que es un parámetro del modelo y XTI es el exponente de temperatura de la corriente de saturación (también un parámetro del modelo, y generalmente igual a 3). La dependencia de la temperatura de beta directa e inversa está de acuerdo con la fórmula:

              beta (T1) = beta (T0) * (T1 / T0) ** XTB

          donde T1 y T0 están en grados Kelvin, y XTB es un parámetro de modelo proporcionado por el usuario. Los efectos de la temperatura sobre beta se llevan a cabo mediante el ajuste apropiado de los valores de BF, ISE, BR e ISC.

          La dependencia de la temperatura de la corriente de saturación en el modelo de diodo de unión está determinada por:

              ES (T1) = ES (T0) * ((T1 / T0) ** (XTI / N)) * exp (q * EG * (T1-T0) / (k * N * T1 * T0))

          donde N es el coeficiente de emisión, que es un parámetro del modelo, y los demás símbolos tienen el mismo significado que el anterior. Tenga en cuenta que para los diodos de barrera Schottky, el valor del exponente de temperatura de la corriente de saturación, XTI, suele ser 2.

               La temperatura aparece explícitamente en el valor del potencial de unión, PHI, para todos los modelos de dispositivos. La dependencia de la temperatura está determinada por:

              PHI (TEMP) = k * TEMP / q * log (Na * Nd / Ni (TEMP) ** 2)

          donde k es la constante de Boltzmann, q es la carga electrónica, Na es la densidad de impurezas aceptoras, Nd es la densidad de impurezas donadoras, Ni es la concentración intrínseca y EG es la brecha de energía.

               La temperatura aparece explícitamente en el valor de la movilidad de la superficie, UO, para el modelo MOSFET. La dependencia de la temperatura está determinada por:

              UO (TEMP) = UO (TNOM) / (TEMP / TNOM) ** (1.5)

          Los efectos de la temperatura en las resistencias se modelan mediante la fórmula:

              valor (TEMP) = valor (TNOM) * (1 + TC1 * (TEMP-TNOM) + TC2 * (TEMP-TNOM) ** 2))

          donde TEMP es la temperatura del circuito, TNOM es la temperatura nominal y TC1 y TC2 son los coeficientes de temperatura de primer y segundo orden.

2. CONVERGENCIA

               Tanto las soluciones de cd como las transitorias se obtienen mediante un proceso iterativo que finaliza cuando se cumplen las dos condiciones siguientes:

          1) Las corrientes ramificadas no lineales convergen dentro de una tolerancia de 0.1 por ciento o 1 picoamperio (1.0E-12 Amp), lo que sea mayor.

          2) Los voltajes del nodo convergen dentro de una tolerancia de 0.1 por ciento o 1 microvoltio (1.0E-6 Volt), lo que sea mayor.

               Aunque se ha encontrado que el algoritmo utilizado en SPICE es muy confiable, en algunos casos no logrará converger hacia una solución. Cuando ocurre esta falla, el programa imprimirá los voltajes de los nodos en la última iteración y terminará el trabajo. En tales casos, los voltajes de nodo que se imprimen no son necesariamente correctos o ni siquiera cercanos a la solución correcta.

               La falta de convergencia en el análisis de cd generalmente se debe a una
 Error al especificar conexiones de circuitos, valores de elementos o valores de parámetros del modelo. Los circuitos de conmutación regenerativa o los circuitos con retroalimentación positiva probablemente no convergerán en el análisis de CC a menos que se use la opción OFF para algunos de los dispositivos en la ruta de retroalimentación, o se use la tarjeta .NODESET para forzar al circuito a converger al estado deseado. .

          3. FORMATO DE ENTRADA

               El formato de entrada para SPICE es del tipo de formato libre.

          Los campos de una tarjeta están separados por uno o más espacios en blanco, una coma, un signo igual (=) o un paréntesis izquierdo o derecho; los espacios adicionales se ignoran. Una tarjeta puede continuar ingresando un + (más) en la columna 1 de la siguiente tarjeta; SPICE continúa leyendo comenzando con la columna 2.

               Un campo de nombre debe comenzar con una letra (de la A a la Z) y no puede contener delimitadores. Solo se utilizan los primeros ocho caracteres del nombre.

               Un campo numérico puede ser un campo entero (12, -44), un campo de coma flotante (3.14159), un número entero o de coma flotante seguido de un exponente entero (1E-14, 2.65E3), o un número entero o un número de coma flotante seguido de uno de los siguientes factores de escala:

                  T = 1E12 G = 1E9 MEG = 1E6 K = 1E3 MIL = 25,4E-6
                  M = 1E-3 U = 1E-6 N = 1E-9 P = 1E-12 F = 1E-15

          Las letras que siguen inmediatamente a un número que no son factores de escala se ignoran y las letras que siguen inmediatamente a un factor de escala se ignoran. Por lo tanto, 10, 10V, 10VOLTS y 10HZ representan el mismo número, y M, MA, MSEC y MMHOS representan el mismo factor de escala. Tenga en cuenta que 1000, 1000.0, 1000HZ, 1E3, 1.0E3, 1KHZ y 1K representan el mismo número.

4. DESCRIPCIÓN DEL CIRCUITO

               El circuito que se va a analizar se describe a SPICE mediante un conjunto de tarjetas de elementos, que definen la topología del circuito y los valores de los elementos, y un conjunto de tarjetas de control, que definen los parámetros del modelo y los controles de ejecución. La primera carta del mazo de entrada debe ser una carta de título y la última carta debe ser una carta .END. El orden de las cartas restantes es arbitrario (excepto, por supuesto, que las cartas de continuación deben seguir inmediatamente a la carta que continúa).

               Cada elemento del circuito está especificado por una tarjeta de elemento que contiene el nombre del elemento, los nodos del circuito a los que está conectado el elemento y los valores de los parámetros que determinan las características eléctricas del elemento. La primera letra del nombre del elemento especifica el tipo de elemento. El formato para los tipos de elementos SPICE se da a continuación. Las cadenas XXXXXXX, YYYYYYY y ZZZZZZZ denotan cadenas alfanuméricas arbitrarias. Por ejemplo, el nombre de un resistor debe comenzar con la letra R y puede contener de uno a ocho caracteres.

          Por lo tanto, R, R1, RSE, ROUT y R3AC2ZY son nombres de resistencia válidos.

               Los campos de datos que están encerrados entre los signos lt y gt '<>' son opcionales. Se requiere toda la puntuación indicada (paréntesis, signos iguales, etc.). Con respecto a los voltajes de rama y
corrientes, SPICE utiliza uniformemente la convención de referencia asociada (la corriente fluye en la dirección de la caída de tensión).

               Los nodos deben ser números enteros no negativos, pero no es necesario numerarlos secuencialmente. El nodo de referencia (tierra) debe numerarse cero.

          El circuito no puede contener un bucle de fuentes de voltaje y / o inductores y no puede contener un conjunto de fuentes de corriente y / o condensadores. Cada nodo del circuito debe tener una ruta de CC a tierra. Cada nodo debe tener al menos dos conexiones, excepto los nodos de la línea de transmisión (para permitir líneas de transmisión sin terminar) y los nodos de sustrato MOSFET (que tienen dos conexiones internas de todos modos).