SPICE软件：透视电子电路、集成电路和电子元器件的必备工具

SPICE是仿真电路模拟器（Simulation program with integrated circuit emphasis）的英文缩写，是对电子电路、集成电路、半导体器件和电子元器件的设计人员的必备工具，可模拟半导体芯片、二极管、三极管、双极晶体管、MOSFET晶体管等有源器件，电阻、电容器、电感器等无源元件，以及传输线路和各种电源，并进行过渡、直流、小信号交流和杂音分析。

SPICE仿真器

在电路设计时，工程师需要分析电路的电压-电流（I/V）关系，此时需要做晶体管级仿真（电路级），这种仿真算法中所使用的电路模型都是最基本的元件和单管。仿真时按时间关系对每一个节点的I/V关系进行计算。这种仿真方法在所有仿真手段中是最精确的，但也是最耗费时间的。

作为一种功能强大的通用模拟电路仿真器，SPICE已经具有几十年的历史了。1973年，加州大学Berkeley分校开发了FORTRAN语言编写的SPICE软件，1975年推出正式实用化版本。1988年，美国将SPICE软件定为国家工业标准，主要用于IC、模拟电路、混合集成电路，电源电路等电子系统的设计和仿真。

由于采用完全开放的政策，用户可按需修改，以及实用性好，Spice仿真程序迅速得到推广，并被移植到多个操作系统平台上，其版本不断更新，有Spice2、Spice3等多个版本，新版本主要在电路输入、图形化、数据结构和执行效率上有所增强，人们普遍认为Spice2G5是最为成功和有效的，以后的版本仅仅是局部的变动。同时，各种以Berkeley的Spice仿真程序的算法为核心的商用Spice电路仿真工具也随之产生，运行在PC和UNIX平台。

目前，SPICE网表格式已经成为通常模拟电路和晶体管级电路描述的标准。比较常见的Spice仿真软件有Vspice、Hspice、Pspice、Spectre、Tspice、SmartSpice、IsSpice等不同版本，其仿真核心大同小异，都采用了Berkeley大学的spice模拟算法。其中，Synopsys公司的Hspice和Cadence公司的Pspice最为著名：

（1）Hspice是事实上的Spice工业标准仿真软件，在业内应用最为广泛，它具有精度高、仿真功能强大等特点，但它没有前端输入环境，需要事前准备好网表文件，不适合初级用户，主要应用于集成电路设计。

（2）Pspice是个人用户的最佳选择，具有图形化的前端输入环境，用户界面友好，性价比高，主要应用于PCB板和系统级的设计。

SPICE仿真模型

SPICE软件的仿真模型与仿真器是紧密地集成在一起的，所以用户要添加新的模型类型是很困难的，但是很容易添加新的模型，仅仅需要对现有的模型类型设置新的参数即可。

SPICE模型由两部分组成：模型方程式(Model Equations)和模型参数(Model Parameters)。由于提供了模型方程式，因而可以把SPICE模型与仿真器的算法非常紧密地联接起来，可以获得更好的分析效率和分析结果。


现在，SPICE模型已经广泛应用于电子设计中，可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。可模拟分析的电路元件包括无源元件（电阻、电容器、电感器等），有源元件（二极管、双极晶体管、MOSFET晶体管等），独立电压源，独立电流源，各种线性受控源和传输线，以及集成电路、二极管、三极管、IGBT、MOSFET等有源半导体器件。SPICE内建半导体器件模型，用户只需选定模型级别并给出合适的参数。

采用SPICE模型在PCB板级进行SI分析时，需要集成电路设计者和制造商提供详细准确描述集成电路I/O单元子电路的SPICE模型和半导体特性的制造参数。由于这些资料通常都属于设计者和制造商的知识产权和机密，所以只有较少的半导体制造商会在提供芯片产品的同时提供相应的SPICE模型。

SPICE模型的分析精度主要取决于模型参数的来源即数据的精确性，以及模型方程式的适用范围。而模型方程式与各种不同的数字仿真器相结合时也可能会影响分析的精度。除此之外，PCB板级的SPICE模型仿真计算量较大，分析比较费时。

随着CPU的高速工作，PCB电路板的设计也需要模拟元件，SPICE现在已成为传输高速电气信号的电路板设计所必需的一个工具。由于IC芯片一般都由几亿元件构成，半导体芯片的SPICE模型与实际电路不同，是一些简化了的电路模型（宏模型），用户可根据实际应用作为参考。