RAČUNALNIŠKA ORODJA - uni-lj.si

RAČUNALNIŠKA ORODJA

SPICE 1

M. Jankovec

R A Č U N A L N I Š K A O R O D J AR A Č U N A L N I Š K A O R O D J AR A Č U N A L N I Š K A O R O D J AR A Č U N A L N I Š K A O R O D J AR A Č U N A L N I Š K A O R O D J AR A Č U N A L N I Š K A O R O D J A 2

Simulacije elektronskih vezij

11.11.2013SPICE, 1. predavanje

• S pomočjo simulacije skušamo posnemati dogajanje v realnem elektronskem vezju

• Namen simulacije ▫ določanje karakteristik vezij▫ nadgrajevanje poenostavljenih izračunov▫ sinteza in preizkušanje vezij▫ optimizacija vezij (določanje parametrov elementov)

• Verodostojnost rezultata simulacije je pogojena z▫ modeli elementov▫ opis vezja▫ simulacijska metoda/algoritem▫ začetno stanje vezja

• Nepoučena uporaba simulacijskih programov lahko vodi do povsem napačnih rezultatov!


SPICE

• Simulation Program for Integrated Circuits Emphasis

• Odprtokodno orodje za simulacijo analognih elektronskih vezij, ki je postal svetovni standard

• Pervenstveno je bil in je še namenjen simulaciji integriranih vezij

• SPICE so od leta 1973 do 1992 razvijali v Electronics Research Laboratory, University of California, Berkeley

• Od leta 1999 odprtokodno različico SPICE OPUS nadgrajujejo na FE v Laboratoriju za Računalniške metode v elektroniki (LRME) – http://spiceopus.si


http://spiceopus.si/


Komercializacija SPICE


• Komercialne različice osnovno spice jedro nadgrajujejo z grafičnimi vmesniki za opis vezij, kontrolo analiz, prikazom in procesiranju rezultatov

• Komercialni SPICE programski paketi▫ HSPICE (Synopsis)

▫ PSPICE (Cadence ORCAD)

▫ MicroCAP (Spectrum software)

• SPICE programski paketi proizvajalcev IC▫ ADICE (Analog Devices)

▫ LTspice (Linear Technologies)

▫ TISPICE (Texas Instruments)


Ltspice (prej SwitcherCAD)


• Je brezplačen• Grafični urejevalnik vezja• Grafični prikaz rezultatov• Urejanje SPICE kode• Spletni LTspice forum• Optimizirani modeli LT (predvsem za stikalne

napajalnike)• http://www.linear.com/designtools/software/

http://www.linear.com/designtools/software/


Zgradba SPICE

procesor

vhodnasimulator

datoteka

izhodna

datoteka

pred-

vnos

grafični

knjižnice

procesor

post-

prikaz

grafični

izpisi

SPICE

neobdelani

signali


R A Č U N A L N I Š K A O R O D J AR A Č U N A L N I Š K A O R O D J AR A Č U N A L N I Š K A O R O D J AR A Č U N A L N I Š K A O R O D J AR A Č U N A L N I Š K A O R O D J AR A Č U N A L N I Š K A O R O D J A

SPICE osnovni elementi• Upor (R)

• Kondenzator (C)

• Tuljava (L)

• Medsebojna induktivnost (K)

• Prenosna linija (T)

• Stikalo (S)

• Dioda (D)

• Bipolarni tranzistor (Q)

• MOS tranzistor (M)

• JFET (J)

• MESFET (Z)

• Podvezje (X)

• Neodvisni viri▫ napetostni (V)

▫ tokovni (I)

• Napetostno krmiljeni viri ▫ napetosti (E)

▫ tokovni (G)

• Tokovno krmiljeni viri▫ tokovni (F)

▫ napetostni (H)

• Nelinearni krmiljeni vir (B)

▫ tokovni I=f(…)

▫ napetostni V=f(…)


7


SPICE analize


• OP analiza▫ Izračun delovne točke vezja

• DC analiza▫ Izračun statične karakteristike – več OP analiz pri različnih

vrednostih vira• Malosignalna DC analiza▫ Prenosna karakteristika lineariziranega vezja v delovni točki

• AC analiza▫ Analiza lineariziranega vezja za majhne signale v frekvenčnem

prostoru• Šumna analiza ▫ AC analiza z upoštevanjem nekoreliranosti šumnih signalov

• Tranzientna analiza ▫ Analiza nelinearnega vezja v časovnem prostoru▫ Fourierova analiza


SPICE analize


• Preleti▫ Temperature▫ Vrednosti elementa▫ Splošnega parametra

• Analiza Monte Carlo▫ Raztros rezultata analiz zaradi tolerance elementov

• Optimizacija▫ Določitev vrednosti parametrov vezja za doseganje željene

karakteristike


Simulacija


• Vzbujanja: ▫ neodvisni napetostni in tokovni viri

▫ začetna stanja na kondenzatorjih in induktivnostih.

• Vozliščna metoda:▫ Neznanke so:

napetosti vseh vozlišč

tokovi neodvisnih napetostnih virov.

• Neposredni rezultati simulacije se vpisujejo v pomnilnik.

• Velikost pomnilnika je omejitev simulatorja. ▫ Večja vezja in zahtevnejše analize zahtevajo več

pomnilniškega prostora.


Vozliščna metoda – linearno vezje


1 1 2

1 2

2 1 2

2 3

0

S

U U UI

R R

U U U

R R

1 2

1 2 2

1 2

2 2 3

1 1 1

1 1 10

SU U IR R R

U UR R R

1 2 2 1

2

2 2 3

1 1 1

1 1 1 0

SR R R U I

U

R R R

11 12 1 1

21 22 2 2

G G U I

G G U I

G×U = I


Vozliščna metoda – nelinearno vezje


2

1 2

1

1 2

1

1

( ) 0

1 0T

S

U

U

S

U UI V

R

U UIs e

R

U V

2

2 1 1T

U

U

S SU V R I e


Nivoji SPICE analize


• Neodvisni napetostni in tokovni vir in linearno uporovno vezje.▫ Zapis vozliščnih enačb (Kirchoffov in Ohmov zakon) in reševanje

sistema linearnih enačb.

• Vključitev nelinearnih elementov (diode, tranzistorji) v vezje.▫ Rešitev enačb vezja z Newton-Raphsonovo iteracijsko metodo.

• Vključitev reaktanc (kapacitivnosti, induktivnosti) v vezje.▫ Reševanje vezja z Eulerjevo integracijsko metodo in trapezno

integracijsko metodo.

• Problem konvergence za iteracijske metode!

The SPICE Book - Andrei Vladimirescu, John Wiley and Sons, ISBN 0-471-60926-9.www.ecircuitcenter.com

http://www.ecircuitcenter.com/


Vhodna datoteka (*.cir)


• Namen ni pisanje, temveč interpretacija datoteke.

• Datoteka vsebuje vse podatke o vezju in vse zahteve za simulacijo. ▫ Format je bil definiran že na začetku razvoja SPICE in je

postal standard za opise vezij na nivoju osnovnih elementov.

• Takšne opise danes uporablja tudi množica drugih računalniških orodij.

• Osnovna enota vhodne datoteke je vrstica.

• Razen prve in zadnje vrstice je vrstni red podatkov in ukazov lahko poljuben.


Primer vhodne datoteke


Primer1

Rc vcc 2 100

Q1 2 1 0 2N2222

Vcc vcc 0 15V

R1 1 vcc 22kOhm

C1 1 in 10n

R2 0 1 5e3

Vin in 0 1V

*Vključitev knjižnice za 2n2222

.lib C:\PROGRA~1\LTC\LTSPIC~1\lib\cmp\standard.bjt

.end


Vhodna datoteka


• Prva vrstica▫ Prva vrstica je rezervirana za ime vezja. Ime je lahko poljubno,

vendar ne sme manjkati.• Vsebina (poljubni vrstni red)▫ Elementi vezja in njihova lokacija▫ Ukazi za simulacijo▫ Definicije podvezij▫ Definiranje modelov elementov▫ Vključitev knjižnic▫ Komentarji (*...)▫ Velike ali male črke niso pomembne

• Zadnja vrstica .END▫ S tem ukazom simulatorju SPICE povemo, da je opis vezja

zaključen


Opis vezja


• Črka označuje tip elementa. Indeks je kombinacija črk ali številk.▫ V1 Rind354 Cvhod

• Sledijo imena vozlišč, v katera je element priključen in so lahko poljubna kombinacija številk in črk.▫ Cvhod 1 0 Rizhod2 izhod vhod

• Vrstni red vpisa vozlišč je določen glede na element▫ Kjer sta priključka enakovredna (upor, kondenzator,

induktivnost) zaporedje vozlišč ni pomembno. R1 n1 n2

▫ Za druge elemente (dioda, tranzistor, MOS FET, napetostni vir, tokovni vir) je zaporedje vozlišč je točno določeno. Q1 C B E


Opis vezja


• V vezju ne sme manjkati vozlišče s številko nič. ▫ To je referenčno vozlišče, glede na katerega se definirajo vse

napetosti vozlišč v vezju.

• Zadnji podatek v vrstici, ki opisuje element, so parametri njegovih enačb.▫ Modeli s katerimi se opiše polprevodniške elemente so

obsežni (tudi prek trideset parametrov).

• Parametri elementov se lahko vpišejo v vrstico ali pa se podajo posebej oz. se jih vzame iz knjižnice elementov glede na tip.


Številski formati


• Velikosti električnih veličin se gibljejo v širokih razponih.• Ob vrednost se zapiše multiplikacijski faktor v kompaktni obliki:▫ neposredni zapis potence števila 10 v obliki, ki jo uporabljajo tudi drugi

programski jeziki (na primer 103 = 1E3),▫ s podobnimi črkami, kot se jih uporablja pri podajanju fizikalnih veličin

F je femto (10-15) P je piko (10-12) N je nano (10-9) U je mikro (10-6) M je mili (10-3) K je kilo (103) MEG je mega (106) G je giga (109) T je tera (1012)

V1 1 0 1

R1 1 2 0.2MEG

C1 2 0 1.5E-6

C2 3 0 1.5U

L1 2 3 0.12M


Komentarji


• Za komentar se lahko v SPICE vhodni datoteki uporabi celotno vrstico▫ ki se začne z *

• Komentar so tudi oznake, ki slede podatkom.▫ Enote, s katerimi se meri velikosti osnovnih elementov, so

komentar.

▫ Izjema je samo farad. Črka F je rezervirana za multiplikacijski faktor femto (10-15).

CPOL 1 3 1.5F

CF 2 3 1.5MF

R13 franc ivan 0.2KW

L2 1 0 1Murko


Lomljenje vrstic


• Iz časov preluknjanih kartic izvira tudi znak plus (+), ki pomeni nadaljevanje vrstice.

• Pri simulatorju je omejeno število znakov v posamezni vrstici vhodne tekstovne datoteke.

• Če se želi vrstico podaljšati, se naslednjo začne z znakom +.

▫ To je zelo dolga

▫ + vrstica.


Podvezje11.11.2013SPICE, 1. predavanje

Opamp test

V1 In 0 0

X1 Vd 0 Out op_amp params: Ad=1e6 Vsat_p=10 Vsat_n=-10 Voff= 1m Ib=1u Ioff=100n Rout=1 Rd=1G CMRR=1e6

R1 In Vd 1k

R2 Vd Out 10k

* block symbol definitions

.subckt op_amp Vin_n Vin_p Vout

I1 Vin_n 0 {Ib+Ioff/2}

I2 Vin_p 0 {Ib-Ioff/2}

Voffset Vdp N001 {Voff}

Rd Vin_n Vdp {Rd}

Routput Vout Vlim {Rout}

B1 Vlim 0 V=if( ( V(Vdp)-V(Vin_n) ) < {Vsat_p/Ad} , if ( (V(Vdp)-V(Vin_n) ) > {Vsat_n/Ad} , ( V(Vdp)-V(Vin_n) )*{Ad} , {Vsat_n}) , {Vsat_p} )

B_Us_cmrr N001 Vin_p V=(V(Vin_p)+V(Vin_n))/(2*{CMRR})

.params Ad=1e6 Vsat_p=10 Vsat_n=-10 Voff=1m Ib=1u Ioff=100n Rout=1 Rd=1G CMRR=1e6

.ends op_amp

.end


Podvezje


• Gradnik, ki nastopa na več mestih, se definira samo enkrat in nato vključuje v vezje kot blok - podvezje (subcircuit).

• Definicija podvezja▫ Prva vrstica se začne z .SUBCKT▫ Sledi ime podvezja. ▫ Nato so zapisane številke priključnih vozlišč.▫ Prvi vrstici sledijo vrstice, ki podajajo elemente podvezja. Zaključna vrstica

opisa se glasi .ENDS (end subcircuit). • Imena vozlišč se nanašajo na opis podvezja in se lahko prekrivajo z imeni

vozlišč v glavnem vezju.• Vključitev podvezja v glavno vezje

▫ Ime podvezja se mora začeti s črko X. ▫ Vrstica se nadaljuje s številkami vozlišč glavnega vezja, v katere je podvezje

priključeno. Vrstni red določa definicija podvezja.▫ Sledi iz definicije prepisano ime podvezja.▫ Na koncu so lahko parametri podvezja. Za izpuščene parametre se vzamejo

privzete vrednosti, ki so definirane v podvezju.


Ukazi za simulacije


• Za razliko od vrstic, ki opisujejo elemente, se vrstice z ukazi začnejo s piko.▫ Izbira analize (.OP, .DC, .AC, .NOISE, .TRAN) in njene parametre.

▫ Izpis signalov v izhodno datoteko (.PRINT, .WIDTH).

▫ Nastavitve simulatorja (.OPTION)

▫ Vpliva na izračun (.NODESET), oziroma naredi posebne operacije (.FOUR).

• Za ločilom, ki je tudi v ukazih presledek, sledijo parametri.▫ .PRINT DC V(3) I(V1)

• Gornji ukaz zahteva izpis samo dveh signalov DC analize. To sta napetost vozlišča s številko 3 in tok neodvisnega napetostnega vira z imenom V1.


Modeli elementov


• V vrstici kompleksnega elementa se poda samo ime modela.

• Šele ukaz .MODEL definira model elementa. ▫ V tej vrstici so podani vsi parametri modela.

• SPICE uporablja za vse polprevodniške elemente kompleksne modele, ki imajo veliko število parametrov.

• Za vse parametre ima simulator vgrajene privzete vrednosti.▫ Simulator vključi samo podane podatke. Za preostale

parametre vzame privzete vrednosti.


Primer modela bipolarnega tranzostorja


Q1 C B E ZTX1048A

.MODEL ZTX1048A NPN(Is=1e-12 NF=1.2 BF=400)


Izhodna datoteka (.out)


• Med simulacijo se izračunane vrednosti shranjujejo v pomnilnik.

• Po končani analizi simulator izloči zahtevane rezultate in jih prenese v tekstovno izhodno datoteko s podaljškom .out. ▫ Izhodna datoteka se začne z imenom vezja.

▫ Sledijo parametri modelov elementov.

▫ Nato so nanizani rezultati vseh analiz.

▫ Na koncu so informacije o podrobnostih analize


Izhodna datoteka .out11.11.2013SPICE, 1. predavanje

Circuit: * D:\Pedagogika\Ror\Predavanja\primeri\Primer1.asc

Direct Newton iteration for .op point succeeded.

Semiconductor Device Operating Points:

--- Bipolar Transistors ---

Name: q1

Model: 2n2222

Ib: 4.87e-04

Ic: 8.20e-02

Vbe: 7.95e-01

Vbc: -6.00e+00

Vce: 6.80e+00

BetaDC: 1.69e+02

Gm: 2.63e+00

Rpi: 5.31e+01

Rx: 1.00e+01

Ro: 1.29e+03

Cbe: 1.10e-09

Cbc: 3.88e-12

Cjs: 0.00e+00

BetaAC: 1.40e+02

Cbx: 0.00e+00

Ft: 3.78e+08

Date: Mon Mar 29 09:07:10 2010

Total elapsed time: 0.040 seconds.

tnom = 27

temp = 27

method = trap

totiter = 10

traniter = 0

tranpoints = 0

accept = 0

rejected = 0

matrix size = 9

fillins = 0

solver = Normal

Matrix Compiler1: 474 bytes object code size

Matrix Compiler2: 701 bytes object code size

--- Operating Point ---

V(n001): 15 voltage

V(p001): 6.79878 voltage

V(n003): 0.794901 voltage

V(n002): 1 voltage

I(Vin): -2.05099e-021 device_current

I(Vcc): -0.0826579 device_current


POTEK GLAVNE SPICE ZANKE


Začetna delovna točka

Kreiranje linearnega sistema enačb

Rešitev sistema enačb

Izračun nove časovne točke

Konec časa?

Izberi novo delovno točko

Linearizacija dinamičnih elementov

Linearizacija nelinearnih elementov

Konvergenca?

NE

DA

DA

NE


.OP analiza (Operational Point)


• Analiza enosmerne delovne točke• Parametri▫ Vrednosti neodvisnih virov se podajo s parametrom DC▫ Če parameter DC ni podan, se uporabi vrednost signala

neodvisnega vira za tranzientno analizo ob času 0

• Priprava vezja▫ Induktivnosti se zamenjajo s kratkimi stiki▫ Kapacitivnosti se zamenjajo z odprtimi sponkami

• Preverjanje vezja▫ Od vsakega vozlišča mora obstajati pot za enosmeren signal

do mase, sicer SPICE javi napako▫ .options topologycheck=0


.OP analiza (Operational Point)


• Zapis sistema (nelinearnih) vozliščnih enačb

• Rešitev sistema z Newton-Rhapsonovim numeričnim postopkom

• Rezultati▫ Napetosti vozlišč

▫ Tokovi napetostnih virov

▫ Tokovi induktivnosti

• Kljub enostavnosti je .op analiza največji problem za konvergenco


Primer



Numerični postopek


• Pri vseh analizah vezja SPICE zapiše vozliščne enačbe.

• Tokove, ki tečejo prek posameznih elementov, izrazi z napetostmi in vejskimi relacijami elementov.

• Nastane sistem n algebrajskih enačb (rezistivni deli vezja) z n neznankami. Enačbe so običajno nelinearne.

• SPICE rešuje enačbe z Newtonovo iteracijsko metodo, ki je primerna za reševanje funkcij, ali sistemov enačb, ki so podane v implicitni obliki.


Primer nelinearnega vezja


𝐼 = 𝐼𝑆(𝑒𝑈−𝐼𝑅𝑛 𝑈𝑇 − 1)

𝐼 − 𝐼𝑆 𝑒𝑈−𝐼𝑅𝑛 𝑈𝑇 − 1 = 0


• Reševanje nelinearne enačbe v implicitni obliki

• Začetni približek

• Odvod v točki

aproksimiramo s premico (linearizacija)

• Izračunamo naslednji približek

• Algoritem ustavimo, ko je vrednost dovolj majhna

Newtonova shema funkcije ene spremenljivke

11

1 2

( ) '( )

-

f xf x

x x

12 1

1

( )

'( )

f xx x

f x

( ) 0f x

1x

1'( )f x 1x

( )f x

f(x4) x

f(x)

x1x2x3

x4

x5

f(x1)

f(x2)

f(x3)

f(x5)

11.11.2013

35SPICE, 1. predavanje


Problem konvergence


?

x

f(x)

1

24

3

5

6


Rešitev?


• Ali rešitev obstaja?

• Ali je rešitev več?

• Ali so enačbe zvezne?

• Ali je začetni poizkus dovolj dober?


Izbira začetnega poizkusa


Re(z)

Im(z)

3( ) 1f z z

Izbira začetne točke

za rešitev enačbe

1 1 0z i

2

1 3

3

iz

3

1 3

3

iz


Reševanje sistema nelinearnih enačb


• Spice iz vezja tvori za vsako vozlišče in neodvisen napetostni vir eno enačbo.

• Skupaj n splošnih nelinearnih enačb z n neznankami:

0),..,,(

0),..,,(

0),..,,(

21

212

211

nn

n

n

xxxf

xxxf

xxxf

:( )F X


Newtonova shema funkcij večih spremenljivk

1 1 1

1 2

2 2 2

1 2

1 2

( ) ( ) ( )...

( ) ( ) ( )... ( )

( )

. . . .

( ) ( ) ( )...

N

N

N N N

N

F x F x F x

x x x

F x F x F xd F X

x x xJ XdX

F x F x F x

x x x

1

2

3

.

.

.

N

x

x

x

X

x

• Matrika parcialnih odvodov – Jacobijeva matrika

• Iteracijski korak

( )

( )new

F XX X

J X

• Iskanje rešitve sistema linearnih enačb

( ) ( ) ( )newJ X X J X X F X

A X B

• Rešitev sistema s pomočjo Gaussove eliminacije ali LU razcepa

• Vektor spremenljivk

11.11.2013

40SPICE, 1. predavanje


Konvergenčni kriterij


• Primerja se rezultate zaporednih iteracij glede na podano relativno in absolutno napako:

1

1

limit

limit

V n V n V V n

I n I n I I n

RELTOL VNTOL

RELTOL ABSTOL

RELTOL=0.001

VNTOL=1μV

ABSTOL=1pA

5 V 1 5 mV

0.1 mV 1 1.1μV

V n V n V n

V n V n V n


STEP - Parametrična analiza


• Spreminjanje kateregakoli parametra vezja

• Primeri ukazov:▫ .step oct v1 1 20 5

▫ .step I1 10u 100u 10u

▫ .step param RLOAD LIST 5 10 15

▫ .step NPN 2N2222(VAF) 50 100 25

▫ .step temp -55 125 10

• Definiranje parametra▫ .param RLOAD=1k x=tan(RLOAD) …


Primer STEP analize



Primer STEP analize


Documents

RAČUNALNIŠKA ORODJA - uni-lj.si