SPICE - Википедия - SPICE
Оригинальный автор (ы) | Лоуренс Нагель |
---|---|
изначальный выпуск | 1973 |
Написано в | Фортран |
Тип | Моделирование электронной схемы |
Лицензия | Общественное программное обеспечение |
Интернет сайт | bwrcs |
изначальный выпуск | 1975 |
---|---|
Стабильный выпуск | 2G.6 / 1983 |
Написано в | Фортран |
Тип | Моделирование электронной схемы |
Лицензия | BSD 3 пункт |
Интернет сайт | bwrcs |
Оригинальный автор (ы) | Томас Куорлз |
---|---|
изначальный выпуск | 1989 |
Стабильный выпуск | 3f.5 / июль 1993 г. |
Написано в | C |
Тип | Моделирование электронной схемы |
Лицензия | Лицензия BSD (изменено 2 пункта) |
Интернет сайт | bwrcs |
СПЕЦИЯ ("Программа моделирования с акцентом на интегральную схему")[1][2] универсальный, Открытый исходный код аналоговая электронная схема симулятор.Это программа, используемая в Интегральная схема и дизайн на уровне платы, чтобы проверить целостность схемотехника и предсказывать схема поведение.
Вступление
В отличие от проектов на уровне платы, состоящих из отдельных частей, нецелесообразно макет интегральные схемы перед производством. Кроме того, высокая стоимость фотолитографические маски и другие производственные предпосылки делают очень важным разработать схему, которая будет как можно ближе к идеальной, прежде чем интегральная схема будет построена. Моделирование схемы с помощью SPICE - это стандартный в отрасли способ проверки работы схемы на уровне транзистора перед тем, как приступить к производству интегральной схемы.
Схемы на уровне платы часто могут быть макетированы для тестирования. Даже с макетной платой некоторые характеристики схемы могут быть неточными по сравнению с окончательной печатной монтажной платой, например паразитные сопротивления и емкости. Эти паразитарные компоненты часто можно более точно оценить с помощью моделирования SPICE. Кроме того, разработчикам может потребоваться больше информации о схеме, чем доступно из одного макета. Например, на характеристики схемы влияют допуски на изготовление компонентов. В этих случаях обычно используют SPICE для выполнения Монте-Карло моделирование влияния вариаций компонентов на производительность, задача, которая непрактична с использованием ручных расчетов для схемы любой значительной сложности.
Программы моделирования схем, из которых SPICE и производные являются наиболее известными, используют текст список соединений описание элементов схемы (транзисторы, резисторы, конденсаторы и т. д.) и их связи, а также перевести[3] это описание в уравнения, которые необходимо решить. Полученные общие уравнения следующие: нелинейный дифференциально-алгебраические уравнения которые решаются с использованием неявные методы интеграции, Метод Ньютона и разреженная матрица техники.
Происхождение
SPICE был разработан в Лаборатории исследования электроники Калифорнийский университет в Беркли к Лоуренс Нагель под руководством своего научного руководителя проф. Дональд Педерсон. SPICE1 в значительной степени является производным от программы CANCER,[4]над которым Нагель работал под руководством профессора Рональда Рорера. РАК - это аббревиатура от «Компьютерный анализ нелинейных цепей, исключая излучение», подсказка Беркли. либерализм в 1960-е годы:[5] в то время многие симуляторы схем были разработаны по контрактам с Министерство обороны США что требовало способности оценивать радиационная стойкость схемы. Когда первоначальный советник Нагеля, профессор Рорер, покинул Беркли, профессор Педерсон стал его советником. Педерсон настаивал на том, чтобы проприетарная программа CANCER была переписана настолько, чтобы ограничения могли быть сняты, и программа могла быть помещена в всеобщее достояние.[6]
SPICE1 был впервые представлен на конференции в 1973 году.[7] SPICE1 закодирован в FORTRAN и использует узловой анализ построить уравнения схемы. Узловой анализ имеет ограничения при представлении катушек индуктивности, источников плавающего напряжения и различных форм контролируемых источников. SPICE1 имеет относительно немного доступных схемных элементов и использует фиксированный временной шаг. переходный анализ. Настоящая популярность SPICE началась с SPICE2.[8] в 1975 году. SPICE2, также написанный на FORTRAN, представляет собой значительно улучшенную программу с большим количеством схемных элементов, анализ переходных процессов с переменным временным шагом с использованием либо трапецеидального (второго порядка) Метод Адамса-Моултона ) или метод интеграции Gear (также известный как BDF ), формулировка уравнения через модифицированный узловой анализ[9] (избегая ограничений узлового анализа) и инновационной системы распределения памяти на основе FORTRAN, разработанной другим аспирантом, Эллисом Коэном. Последняя версия SPICE для FORTRAN - 2G.6 в 1983 году. SPICE3[10] был разработан Томасом Куорлзом (с А. Ричард Ньютон в качестве советника) в 1989 году. C, использует тот же синтаксис списка соединений и добавил X Window System заговор.
В начале программное обеспечение общественного достояния программа с исходный код имеется в наличии,[11] SPICE получил широкое распространение и использование. Его повсеместное распространение стало таким, что «SPICE схема» остается синонимом схемотехнического моделирования.[12] Исходный код SPICE с самого начала распространялся Калифорнийским университетом в Беркли за номинальную плату (для покрытия стоимости магнитной ленты). Изначально лицензия включала ограничения на распространение для стран, не считающихся дружественными для США, но исходный код в настоящее время покрывается Лицензия BSD.
Рождение SPICE было названо IEEE Milestone в 2011; в записи упоминается, что SPICE «превратился в международный стандартный симулятор интегральных схем».[13] Нагель был награжден премией IEEE Donald O. Pederson Award 2019 в области твердотельных цепей за разработку SPICE.[14]
Преемники
Преемники с открытым исходным кодом
После версии 3f.5 в 1993 году не было выпущено более новых версий Berkeley SPICE.[15] С тех пор SPICE с открытым исходным кодом или академические продолжения включают: XSPICE,[16] разработан в Технологический институт Джорджии, который добавил смешанные аналоговые / цифровые «кодовые модели» для моделирования поведения; СИДР[17] (ранее CODECS), разработанный Калифорнийским университетом в Беркли и Государственным университетом Орегона, который добавил моделирование полупроводниковых устройств; SPICE OPUS,[18][19] разработан и поддерживается Университетом Любляна на базе SPICE 3f.4 и XSPICE; и ngspice, основанный на SPICE 3f.5, XSPICE и CIDER.[20][21]
Коммерческие версии и спин-оффы
Berkeley SPICE вдохновил и послужил основой для многих других программ моделирования схем в академических кругах, в промышленности и в коммерческих продуктах. Первая коммерческая версия SPICE - ISPICE,[22] интерактивная версия на таймшер-сервисе, Национальный CSS. Наиболее известные коммерческие версии SPICE включают HSPICE (изначально коммерциализированный Ашона и Ким Хейли компании Meta Software, но теперь принадлежит Synopsys ) и PSPICE (теперь принадлежит Системы дизайна Cadence ). Индустрия интегральных схем быстро приняла SPICE, и до тех пор, пока коммерческие версии не стали хорошо развиты, многие компании, занимающиеся проектированием ИС, имели собственные версии SPICE.[23]
Сегодня несколько производителей микросхем, обычно более крупные компании, имеют группы, продолжающие разрабатывать программы моделирования схем на основе SPICE. Среди них ADICE в Аналоговые устройства, LTspice в Analog Devices (доступно для широкой публики как бесплатное ПО), Mica в Freescale Semiconductor, и ТИНА-ТИ[24] в Инструменты Техаса. И LTspice, и TINA-TI поставляются в комплекте с моделями соответствующих компаний.[25][26] Analog Devices предлагает аналогичный бесплатный инструмент под названием ADIsimPE (на основе SIMetrix / SIMPLIS[27] реализация SPICE).[28] Другие компании поддерживают симуляторы внутренних схем, которые не основаны непосредственно на SPICE, в том числе PowerSpice в IBM, ТИТАН в Infineon Technologies, Рысь в Корпорация Intel, а Pstar в NXP Semiconductor.[нужна цитата ]
Возможности и структура программы
SPICE стал популярным, потому что он содержал анализы и модели, необходимые для проектирования интегральных схем того времени, и был достаточно надежным и достаточно быстрым, чтобы его можно было использовать на практике.[29] Предшественники SPICE часто имели единственную цель: предвзятость.[30] программа, например, смоделировала рабочие точки схемы биполярного транзистора; SLIC[31] программа сделала только анализ слабого сигнала. SPICE объединил решения для рабочих точек, анализ переходных процессов и различные анализы слабых сигналов с элементами схем и моделями устройств, необходимыми для успешного моделирования многих схем.
Анализирует
SPICE2 включает эти анализы:
- Анализ переменного тока (линейный слабосигнальный анализ частотной области)
- DC-анализ (нелинейный точка покоя расчет)
- Анализ кривой передачи постоянного тока (последовательность нелинейных рабочих точек, вычисленных при изменении входного напряжения или тока, либо параметра схемы)
- Анализ шума (анализ слабого сигнала, выполняемый с использованием метода сопряженной матрицы, который суммирует некоррелированные шумовые токи в выбранной выходной точке)
- Функция передачи анализ (расчет коэффициента усиления на входе / выходе для слабого сигнала и расчета импеданса)
- Анализ переходных процессов (решение больших сигналов во временной области нелинейных дифференциально-алгебраических уравнений)
Поскольку SPICE обычно используется для моделирования нелинейный схем, анализу слабого сигнала обязательно предшествует точка покоя расчет, при котором схема линеаризуется. SPICE2 также содержит код для других анализов слабых сигналов: Анализ чувствительности, полюс-нулевой анализ, и слабосигнальный искажение анализ. Анализ при различных температурах выполняется путем автоматического обновления параметров модели полупроводника с учетом температуры, что позволяет моделировать схему при экстремальных температурах.
Другие симуляторы схем с тех пор добавили много анализов помимо SPICE2 для удовлетворения меняющихся требований отрасли. Параметрические развертки были добавлены для анализа производительности схемы при изменении производственных допусков или рабочих условий. Для аналоговых схем были добавлены расчеты усиления и стабильности контура. Гармонический баланс или был добавлен анализ установившегося состояния во временной области для проектирования схем ВЧ и переключаемых конденсаторов. Однако общедоступный имитатор схем, содержащий современный анализ и функции, необходимые для того, чтобы стать преемником SPICE по популярности, еще не появился.[29]
Очень важно использовать соответствующий анализ с тщательно подобранными параметрами. Например, применение линейного анализа к нелинейным цепям должно быть обосновано отдельно. Кроме того, применение анализа переходных процессов с параметрами моделирования по умолчанию может привести к качественно неверным выводам о динамике схемы.[32]
Модели устройств
SPICE2 включает в себя множество полупроводниковых устройств компактные модели: три уровня МОП-транзистор модель, комбинированная Эберс – Молл и Биполярная модель Гуммеля – Пуна, а JFET модель, и модель для переходной диод. Кроме того, в нем было много других элементов: резисторы, конденсаторы, индукторы (в том числе связь ), независимый Напряжение и текущие источники, идеально линии передачи, активные компоненты и источники, управляемые напряжением и током.
SPICE3 добавил более сложные модели MOSFET, которые потребовались из-за достижений в полупроводниковой технологии. BSIM добавлено семейство моделей, которые также были разработаны в Калифорнийском университете в Беркли.
Коммерческие и промышленные симуляторы SPICE добавили множество других моделей устройств, поскольку передовые технологии и более ранние модели стали неадекватными. Чтобы попытаться стандартизировать эти модели, чтобы набор параметров модели можно было использовать в различных симуляторах, была сформирована отраслевая рабочая группа, Совет по компактным моделям,[33] выбирать, поддерживать и продвигать использование стандартных моделей. Стандартные модели сегодня включают BSIM3, BSIM4, БСИМСОИ, PSP, HICUM, и МЕСТРАМ.
Исключение для интегральных фотонных схем
Применяются традиционные имитаторы фотонных устройств прямые методы решать Уравнения Максвелла для полной структуры, тогда как имитаторы фотонных схем основаны на сегментации на строительные блоки (BB), каждая из которых представлена на логическом уровне фотонным устройством, «связанным с другими BB посредством направленных мод оптических волноводов». При моделировании на уровне схемы фотонная интегральная схема (PIC) содержит как электрические провода, так и оптические сигналы, соответственно описываемые напряжением / током и комплексными значениями. конверт для режимов прямого и обратного распространения.[34]
Строительный блок список соединений фотонных и электронных схем, включая их сетевые и портовые соединения, можно выразить в формате SPICE с некоторыми схемные редакторы, как и те, которые используются для автоматизации проектирования электроники.[35]
Чтобы воспроизвести полную информацию о фотонном сигнале без потери возможных оптических явлений, необходима форма волны как электрического, так и магнитного поля в реальном времени для каждого мода или поляризация в волноводе.[требуется разъяснение ] Пока SPICE работает с 10−15 временные шаги, шкала времени передачи данных ≈10–100 10−12 общие. Чтобы сделать объем информации управляемым, модуляция усложняется, поскольку ей приходится кодировать как амплитуду, так и фазу так же, как при моделировании радиочастотных схем.[36]
Однако имитаторам фотонных интегральных схем необходимо тестировать несколько каналов связи в соответствии с различными несущие частоты, или более того амплитуды в любом отдельном канале, тип сложного сигнала, который не поддерживается Особенности и структура программы SPICE как описано выше.[34] В 2019 году SPICE нельзя использовать для «совместного моделирования фотоники и электроники в симуляторе фотонных схем»,[37] и поэтому он еще не рассматривается в качестве тестового симулятора для фотонных интегральных схем.
Ввод и вывод: списки соединений, схематический захват и построение графиков
SPICE2 берет текст список соединений в качестве входных данных и создает списки для линейного принтера в качестве выходных данных, что соответствует вычислительной среде 1975 года. Эти списки представляют собой либо столбцы чисел, соответствующих вычисленным выходным данным (обычно напряжения или токи), либо характер "сюжеты". SPICE3 сохраняет список соединений для описания схемы, но позволяет управлять анализом из командная строка интерфейс похож на Оболочка C. SPICE3 также добавил базовый Икс построение, как UNIX и инженерия рабочие станции стало обычным явлением.
Поставщики и различные проекты бесплатного программного обеспечения добавили схематический захват интерфейсов для SPICE, что позволяет принципиальная схема схемы, которую нужно нарисовать, и список соединений, который будет автоматически сгенерирован. Также, графический пользовательский интерфейс были добавлены для выбора моделирования и управления векторами выходного напряжения и тока. Кроме того, были добавлены очень мощные графические утилиты для просмотра форм сигналов и графиков параметрических зависимостей. Доступно несколько бесплатных версий этих расширенных программ, некоторые из них являются вводными. ограниченные пакеты, и немного без ограничений.
Переходный анализ
Поскольку анализ переходных процессов зависит от времени, он использует другие алгоритмы анализа, варианты управления с различными проблемами, связанными с конвергенцией, и другие параметры инициализации, чем анализ постоянного тока. Однако, поскольку анализ переходных процессов сначала выполняет анализ рабочей точки постоянного тока (если опция UIC не указана в операторе .TRAN), большинство алгоритмов анализа постоянного тока, параметры управления, а также вопросы инициализации и сходимости относятся к анализу переходных процессов.
Начальные условия для переходного анализа
Некоторые схемы, такие как генераторы или схемы с обратной связью, не имеют стабильных рабочих точек. Для этих цепей необходимо либо разорвать контур обратной связи, чтобы можно было рассчитать рабочую точку постоянного тока, либо на входе моделирования должны быть указаны начальные условия. Анализ рабочей точки постоянного тока не выполняется, если параметр UIC включен в оператор .TRAN. Если UIC включен в оператор .TRAN, анализ переходных процессов запускается с использованием узловых напряжений, указанных в операторе .IC. Если узел установлен на 5 В в операторе .IC, значение в этом узле в первый момент времени (время 0) равно 5 В.
Вы можете использовать оператор .OP для сохранения оценки рабочей точки постоянного тока во время анализа переходных процессов.
.TRAN 1ns 100ns UIC .OP 20ns
Параметр UIC инструкции .TRAN в приведенном выше примере обходит начальный анализ рабочей точки постоянного тока. Оператор .OP вычисляет переходную рабочую точку при t = 20 нс во время анализа переходных процессов.
Хотя переходный анализ может обеспечить конвергентное решение постоянного тока, сам переходный анализ может не сойтись. При анализе переходных процессов сообщение об ошибке «внутренний временной шаг слишком мал» указывает на то, что схема не смогла сойтись. Нарушение сходимости может быть связано с заявленными начальными условиями, которые недостаточно близки к фактическим значениям рабочих точек постоянного тока.
Смотрите также
- Сравнение программного обеспечения EDA
- Список бесплатных симуляторов электронных схем
- Спецификация информации входного выходного буфера (IBIS)
- Модели транзисторов
Рекомендации
- ^ Нагель, Л. В., Педерсон, Д. О., SPICE (программа моделирования с акцентом на интегральную схему), Меморандум № ERL-M382, Калифорнийский университет, Беркли, апрель 1973 г.
- ^ Нагель, Лоуренс В., SPICE2: компьютерная программа для моделирования полупроводниковых схем, Меморандум № ERL-M520, Калифорнийский университет, Беркли, май 1975 г.
- ^ Уорик, Колин (Май 2009 г.). «Все, что вы всегда хотели знать о SPICE * (* но боялись спросить)» (PDF). Журнал EMC. Nutwood UK Limited (82): 27–29. ISSN 1748-9253.
- ^ Nagel, L.W .; Рорер, Р. А. (август 1971 г.). «Компьютерный анализ нелинейных цепей без излучения». Журнал IEEE по твердотельным схемам. СК-6 (4): 166–182. Bibcode:1971IJSSC ... 6..166N. Дои:10.1109 / JSSC.1971.1050166.[мертвая ссылка ]
- ^ Жизнь SPICE В архиве 4 февраля 2012 г. Wayback Machine
- ^ Перри, Т. (июнь 1998 г.). "Дональд О. Педерсон". IEEE Spectrum. 35: 22–27. Дои:10.1109/6.681968. S2CID 51633338.
- ^ 2-я специя1 ref
- ^ 2-я специя2 ref
- ^ Хо, Рюли и Бреннан (апрель 1974 г.). «Модифицированный узловой подход к сетевому анализу». Proc. 1974 г. Симпозиум по схемам и системам, Сан-Франциско. С. 505–509. Дои:10.1109 / TCS.1975.1084079.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
- ^ Куорлз, Томас Л., Анализ производительности и проблем сходимости для моделирования схем, Меморандум № UCB / ERL M89 / 42, Калифорнийский университет, Беркли, апрель 1989 г.
- ^ история специй В архиве 9 октября 2016 г. Wayback Machine на allaboutcircuits.com. «Происхождение SPICE восходит к другой программе моделирования схем под названием РАК. Разработанная профессором Рональдом Рорером из Калифорнийского университета в Беркли вместе с некоторыми из его студентов в конце 1960-х годов, РАК продолжал совершенствоваться в течение начала 1970-х годов. Когда Рорер покинул Беркли, РАК был переписан и переименован в SPICE, выпущенный как версия 1 в общественное достояние в мае 1972 года. Версия 2 SPICE была выпущена в 1975 году (версия 2g6 - версия, используемая в этой книге - является незначительной редакцией этого 1975 года. В решении о выпуске SPICE в качестве общедоступной компьютерной программы сыграл важную роль профессор Дональд Педерсон из Беркли, который считал, что весь значительный технический прогресс происходит, когда информация распространяется свободно. Я, в частности, благодарю его за его видение ».
- ^ Песковиц, Дэвид (2002-05-02). «1972: Выпуск SPICE, который по-прежнему является отраслевым стандартом для проектирования интегральных схем». Лабораторные заметки: исследования инженерного колледжа Беркли.. Получено 2007-03-10.
- ^ «Список этапов развития IEEE». Сеть глобальной истории IEEE. IEEE. Получено 4 августа 2011.
- ^ Премия Дональда О. Педерсона в области твердотельных цепей, Общество твердотельных схем IEEE, Июнь 2018
- ^ "Страница специй". Университет Беркли. Получено 2019-07-08.
- ^ Моделирование на уровне кода в XSPICE, Ф. Л. Кокс и др., Материалы Международного симпозиума IEEE по схемам и системам, 1992 (ISCAS 92), т. 2, стр. 871-874, 10–13 мая 1992 г.
- ^ КОДЕКИ: имитатор схем и устройств смешанного уровня, К. Майарам, Меморандум № UCB / ERL M88 / 71, Беркли, 1988 г., http://www.eecs.berkeley.edu/Pubs/TechRpts/1988/ERL-88-71.pdf
- ^ "SPICE OPUS". Люблянский университет. Получено 2019-07-08.
- ^ Тадей Тума и Арпад Бурмен (2009). Моделирование схем с помощью SPICE OPUS Теория и практика. Birkhäuser Press. п. 400. Дои:10.1007/978-0-8176-4867-1. ISBN 978-0-8176-4866-4.
- ^ «ngspice, текущее состояние и будущие разработки», Х. Фогт, FOSDEM, Брюссель 2019
- ^ "ngspice - симулятор схемы смешанного сигнала с открытым исходным кодом". Фонд Free Silicon Foundation (F-Si). Получено 2019-07-08.
- ^ Владимиреску Андрей, SPICE - Третье десятилетие, Proc. 1990 IEEE Bipolar Circuits and Technology Meeting, Minneapolis, September 1990, pp. 96–101.
- ^ К. С. Кундерт, Руководство дизайнера по SPICE и Spectre, Kluwer. Academic Publishers, Бостон, 1995 г.
- ^ Программа аналогового моделирования на основе SPICE - TINA-TI - Папка программного обеспечения TI В архиве 19 октября 2016 г. Wayback Machine
- ^ Арт Кей (2012). Шум операционного усилителя: методы и советы по анализу и снижению шума. Эльзевир. п. 41. ISBN 978-0-08-094243-8.
- ^ Рон Манчини (2012). Операционные усилители для всех. Newnes. п. 162. ISBN 978-0-12-394406-1.
- ^ SIMertrix / SIMPLIS В архиве 17 мая 2016 г., в Португальском веб-архиве.
- ^ [1] В архиве 6 июля 2014 г. Wayback Machine
- ^ а б Нагель, Л., Пришло время для SPICE4? В архиве 26 сентября 2006 г. Wayback Machine, 2004 Семинар по численным аспектам моделирования устройств и схем, 23–25 июня 2004 г., Санта-Фе, Нью-Мексико. Проверено 10 ноября 2007 г.
- ^ Маккалла и Ховард (февраль 1971 г.). «BIAS-3 - Программа для нелинейного анализа постоянного тока цепей биполярных транзисторов». Журнал IEEE по твердотельным схемам. 6 (1): 14–19. Bibcode:1971IJSSC ... 6 ... 14M. Дои:10.1109 / JSSC.1971.1050153.[мертвая ссылка ]
- ^ Айдлман, Дженкинс, МакКалла и Педерсон (август 1971 г.). «SLIC - симулятор линейных интегральных схем». Журнал IEEE по твердотельным схемам. 6 (4): 188–203. Bibcode:1971IJSSC ... 6..188I. Дои:10.1109 / JSSC.1971.1050168.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)[мертвая ссылка ]
- ^ Бьянки, Джованни (2015). «Ограничения моделирования ФАПЧ: скрытые колебания в анализе SPICE». arXiv:1506.02484. Bibcode:2015arXiv150602484B. Дои:10.1109 / ICUMT.2015.7382409. S2CID 7140415. Цитировать журнал требует
| журнал =
(помощь) - ^ «CMC - Compact Model Council». GEIA. Архивировано из оригинал 11 мая 2011 г.
- ^ а б Андре Рихтер; Сергей Мингалеев; Игорь Кольчанов (23 июня 2015). «Автоматизированное проектирование крупномасштабных фотонных интегральных схем». Международное общество оптики и фотоники: 1–2. Дои:10.1117/2.1201506.005982 (неактивно 2020-12-20). В архиве с оригинала 18 июля 2019 г.CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на декабрь 2020 г. (связь)
- ^ Las_Phot_Rev_1700237, п. 9
- ^ Las_Phot_Rev_1700237, п. 18
- ^ Вим Богертс; Лукас Хростовски (март 2018 г.). «Проектирование схем из кремниевой фотоники: методы, инструменты и проблемы». Laser Photonics Rev. Weinheim: Wiley-Wch Werlag. 12 (4): 9. Bibcode:2018ЛПРв ... 1200237Б. Дои:10.1002 / lpor.201700237. HDL:1854 / LU-8578535. Las_Phot_Rev_1700237. В архиве (PDF) с оригинала 18 июля 2019 г.