SPICE的案例
高壓MOSFET與IGBT SPICE模型
在成熟技術中，設計人員可對虛擬器件尺寸進行擴展以優(yōu)化新開發(fā)的SPICE模型。
圓形活塞輻射阻抗的SPICE模型
引言
聲學系統(tǒng)比如揚聲器，麥克風等，經(jīng)常會抽象成集中參數(shù)，然后用電路分析軟件SPICE，Microcap等軟件進行等效電路仿真分析。
這些聲學系統(tǒng)最常見的是圓形活塞模型。在數(shù)學上，帶障板圓形活塞的輻射阻抗是有確定的表達式的。但很多電路分析軟件并不支持Bessel函數(shù)等高階表達式。
因此，Scott Porter和Stephen Thompson在2009年AES 127th會議上發(fā)表了一篇論文《A Preliminary SPICE Model to Calculate the Radiation Impedance of a Baffled Circular Piston》，提出一種計算圓形活塞輻射的SPICE子電路，使得所有頻率的輻射阻抗都達到良好的近似。
借這個模型也來談談還是比較復雜的聲輻射阻抗。
數(shù)學模型
聲輻射阻抗相當于流體對聲源活塞表面的加載
其中實部
虛部
k是波數(shù)，a是活塞半徑，A是活塞面的面積，ρ0和c0是流體的密度和聲速。
實部和虛部隨ka的變化可以采用matlab，mathematica等數(shù)學軟件進行繪制。
近似表達式以及對應的SPICE模型
一般來說，我們是在遠場進行測量，即ka>>1。
在2ka>>1時，可以得到近似的表達式：
精確解和上述近似解的差異繪制如下：
在ka比較小時，對表達式進行級數(shù)展開
結(jié)合以上兩個近似表達式，可以在SPICE中構(gòu)建出輻射阻抗電路
近似表達式和精確模型的對比
由以上SPICE中構(gòu)建出電路得到的輻射阻抗實部和虛部：
相對誤差：
絕對誤差：
這種誤差程度在工程應用上是完全可接受的。
展開 SPICE?電路仿真原理
SPICE 一般是在第一個時間點和之后的每個斷點時使用此方法處理，發(fā)生在波形的轉(zhuǎn)折點處，如脈沖的起始處。默認設置下，SPICE 通常采用另一種方法：梯形法則，也是剛性穩(wěn)定的，同時具有更高的精度。
TRAPEZOIDAL RULE
i0 ≈ C(v1-v0)/Δt
i1 ≈ C(v1-v0)/Δt
等式里 t0 和 t1 時刻的電流是用 t0 和 t1 時刻的電壓來近似計算的，如果用 t0 和 t1 時刻的電流平均值來計算表達式 C（v1-v0）/Δt 會得到一個更為精確的值：
(i0+i1)/2=C(v1-v0)/Δt
i1=2Cv1/Δt-2Cv0/Δt-i0
因此：
req=Δt/2C
ieq=-2Cv0/Δt-i0
這就是梯形法則或梯形積分法，SPICE 大部分情況下都是采用此方法。
結(jié)果對比
下圖是分別采用這兩種方法得到的結(jié)果對比，另一條是理論計算結(jié)果，時間步長設為固定的 500ns。由此可以看出梯形法則比后向歐拉法更為精確。
展開 利用 SPICE 分析理解心電圖前端中的右腿驅(qū)動
圖 8 補償網(wǎng)絡測試電路
圖 9 AOL、1/β 和 Zc
圖 10 補償后的右腿驅(qū)動
圖 11 不同 Cc 值的 AOL 和 1/β
圖 12 圖 10 的環(huán)路增益和相位
總之，SPICE 是一種有效的工具，可幫助快速分析和優(yōu)化 RLD 前端電路的性能和穩(wěn)定性。請記住，模型的好壞決定了模擬的質(zhì)量，因此對一些重要規(guī)格建模就十分重要，例如：噪聲、AOL、開環(huán) Zout 以及 CMRR 與頻率關系等。另外，這項工作應在開始分析和設計以前就完成。
實例分享 I Sigrity電容模型應用與管理指導
在進行AC阻抗分析、去耦電容方案優(yōu)化、同步開關噪聲（SSN）分析等電源完整性仿真或兼顧電源影響的信號完整性仿真中，需要設置各種電容型號的模型，模型種類一般包括只有一個容值的理想電容模型、包含RLC寄生參數(shù)值的一階SPICE模型、更復雜的多階SPICE模型以及寬帶S參數(shù)模型，模型的精確性依次升高。在進行仿真前，需要盡可能地找到與仿真電源、電路相關的所有電容型號模型，才能得到一個更具參考價值的仿真結(jié)果。
理想電容模型是最容易定義的一種模型，只要知道設計容值即可，但該種模型并不能準確描述電容的寬帶行為，表現(xiàn)不出諧振特性，仿真結(jié)果不具備很好的參考價值；一階SPICE模型常常在找不到多階SPICE模型和S參數(shù)模型時使用，很多公司有各種不同容值不同封裝大小電容的RLC參數(shù)表，可以根據(jù)查表估算模擬；多階SPICE和S參數(shù)模型往往是電容廠商提供，可以到他們的官網(wǎng)搜索對應型號下載。一些公司也會制作電容測量系統(tǒng)自己得到S參數(shù)模型，這種方式雖然成本很高，但像一些國產(chǎn)電容一般原廠拿不到模型用，只能自己測或者使用簡單RLC模型模擬，另外自己測量得到的電容模型更加接近真實使用環(huán)境，比如包括安裝效應。
總結(jié)一下，使用電容原廠提供的S參數(shù)或SPICE模型，是既方便快捷又保證精確性的方法；如果沒有，可以使用一階RLC模型代替，犧牲一定的精確性，但結(jié)果也具有參考價值；還可以制作測試板等測量系統(tǒng)自己測電容的S參數(shù)，花些成本與時間來保證最高精度。
除了選擇電容模型，另一件困擾工程師的事就是在拿到模型后，如何很好地在仿真軟件中應用和管理，下面以Sigrity? PowerSI?為例來說明針對上述電容模型，如何實現(xiàn)創(chuàng)建、導入、應用、管理等操作。Sigrity的其它PI軟件和模型抽取軟件如Sigrity? OptimizePI?、Clarity? 3D Solver，使用方法上基本一致。
展開 模電設計的九個級別，你到哪個段位了？
這個階段中，你覺得spice好是好，但是比起 fast spice系列的仿真器來，還是差遠了；
你開始不相信AC仿真，取而代之的是大量的transient仿真。
六段
你開始明白在這個世界中只有最合適的設計，沒有最好的設計。
你開始有一套真正屬于自己的設計方法，你會傾向于某一種或兩種仿真工具，并能夠熟練的使用他們評價你的設計。
你開始在設計中考慮PVT的變化，你知道一個電路從開始到現(xiàn)在的演化過程，并能夠針對不同的應用對他們進行裁減。
你開始關注功耗和面積，你tape out的芯片開始有一些能夠滿足產(chǎn)品要求了。
但是有時候你還是不能完全理解一些復雜系統(tǒng)的設計方法，并且犯下一些愚蠢的錯誤并導致災難性后果。
你開始閱讀 JSSC時不只是挑一兩片文章看看，或許把JSSC作為廁所讀物對你來說是一個不錯的選擇。
在這個階段中，你覺得spice是一個很偉大的工具，你知道如何在spice中對精度和速度做合理的仿真，并隨時做出最合適的選擇。
七段
你開始真正理解模擬電路設計的本質(zhì)，無論對于高精度系統(tǒng)還是高速度系統(tǒng)都有自己獨有的看法和經(jīng)驗。
你可以在系統(tǒng)級對不同的模塊指標進行折中以換取最好的性能。
展開 模電設計的九個級別，你到哪個段位了？
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六段
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你開始有一套真正屬于自己的設計方法，你會傾向于某一種或兩種仿真工具，并能夠熟練的使用他們評價你的設計。
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七段
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展開 用Protel99SE實現(xiàn)脈沖電路的仿真
Text
Field
5：netlist=%D%1%2%3%4%5%M;此域包含Spice網(wǎng)絡表的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)。其含義可參見參考文獻[4]～[5]；該頁的其余區(qū)域可不填。Part
Field Name項不用設置。
第四步，創(chuàng)建器件模型文件。
Protel 99SE的模型文件存放在Design
Explorer
99
SEModel.ddb仿真文件中。首先在此數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建文件夾TTLGATE，再創(chuàng)建文件T1000.ckt。Spice語言規(guī)定子電路的擴展名為ckt。根據(jù)圖1按Spice模型文件規(guī)范編寫此文件是一種較煩瑣的事情，未能體現(xiàn)Protel的優(yōu)點。下面介紹一種簡便方法：將圖1中的節(jié)點e的標號"e"去掉，并在此節(jié)點上放置接地符號(0)，單擊Simulate/Create
Spice
Netlist按鈕，系統(tǒng)會自動生成Spice網(wǎng)表文件T1000.nsx。將文件中的注釋行和命令行刪除，將節(jié)點0改為節(jié)點e，在文件的最前面添加一行子電路命令語句：.SUBCKT
T1000 a b c d e，將文件的最后一句由.END改為.ENDS
T1000（子電路結(jié)束語句），最后將此文件內(nèi)容復制到新建的子電路模型文件T1000.ckt之中。得到的新器件的模型文件如下所示：
修改后的模型文件需重新啟動一次系統(tǒng)才能生效。
通過以上幾步即建立了可用于仿真的新器件T1000（T1000系列四二輸入與非門），用同樣的方法可創(chuàng)建其它門電路及其仿真模型。2 用新建的器件模型仿真調(diào)試對稱式多諧振蕩器
由與非門構(gòu)成的對稱式多諧振蕩器如圖3所示。圖中的與非門T1000就是新建的器件。電路的繪制必須符合Protel99SE仿真電路圖的規(guī)范。
在仿真設置對話框中選擇仿真類型（瞬態(tài)分析）并完成仿真步長（盡量小一些為好）及收集信號等設置，單擊RUN按鈕，得到仿真結(jié)果如圖4所示。
展開 盤點最受熱捧的電路分析仿真軟件有哪些（轉(zhuǎn)）
推薦一：電子電路設計與仿真工具包括SPICE/PSPICE；EWB；Matlab；SystemView；MMICAD
（1）SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）
由美國加州大學推出的電路分析仿真軟件，是20世紀80年代世界上應用最廣的電路設計軟件，1998年被定為美國國家標準。1984年，美國MicroSim公司推出了基于SPICE的微機版PSPICE（Personal—SPICE）。現(xiàn)在用得較多的是PSPICE6.2，可以說在同類產(chǎn)品中，它是功能最為強大的模擬和數(shù)字電路混合仿真EDA軟件，在國內(nèi)普遍使用。最新推出了PSPICE9.1版本。它可以進行各種各樣的電路仿真、激勵建立、溫度與噪聲分析、模擬控制、波形輸出、數(shù)據(jù)輸出、并在同一窗口內(nèi)同時顯示模擬與數(shù)字的仿真結(jié)果。無論對哪種器件哪些電路進行仿真，都可以得到精確的仿真結(jié)果，并可以自行建立元器件及元器件庫。
（2）EWB(Electronic Workbench)軟件
InterActive ImageTechnologies Ltd 在20世紀90年代初推出的電路仿真軟件。目前普遍使用的是EWB5.2，相對于其它EDA軟件，它是較小巧的軟件（只有16M）。但它對模數(shù)電路的混合仿真功能卻十分強大，幾乎100%地仿真出真實電路的結(jié)果，并且它在桌面上提供了萬用表、示波器、信號發(fā)生器、掃頻儀、邏輯分析儀、數(shù)字信號發(fā)生器、邏輯轉(zhuǎn)換器和電壓表、電流表等儀器儀表。它的界面直觀，易學易用。它的很多功能模仿了SPICE的設計，但分析功能比PSPICE稍少一些。
（3）文字MATLAB產(chǎn)品族
它們的一大特性是有眾多的面向具體應用的工具箱和仿真塊，包含了完整的函數(shù)集用來對圖像信號處理、控制系統(tǒng)設計、神經(jīng)網(wǎng)絡等特殊應用進行分析和設計。
展開 Ansoft產(chǎn)品 > TPA
RLC輸出可用矩陣格式或SPICE子電路格式。
TPA從設計者的封裝設計工具中直接讀入布板數(shù)據(jù)并自動產(chǎn)生RLC寄生參數(shù)和SPICE模型，這些布板有CadenceAPD、Avant!Encore、Zuken CR-5000等。TPA具有在封裝中自動產(chǎn)生每條線及相關耦合線的RLC模型。一旦用戶確定導線及周圍導線的數(shù)目，由軟件自動算出該線參數(shù)和互耦參數(shù)。
TPA的寄生參數(shù)提取器是采用邊界元和快速矩陣壓縮算法，比起其它參數(shù)提出方法，可快速、準確地提取整板的等效電路模型。用戶可以按自己的要求選擇輸出SPICE模型格式，如：Maxwell Spice、HSPICE、PSPICE等。
TPA 也可以讓用戶選擇部分單元等效電路（PEEC）方法來產(chǎn)生分布參數(shù)的三維模型。PEEC方法主要用在導體長度與波長相比擬及電流稠密和趨膚深度很大的情況。TPA能分析任意形狀的電源及地結(jié)構(gòu)，包括整塊和網(wǎng)格平面。設計時，可改變VDD/VSS數(shù)，所形成的模型可用于同步開關輸出噪聲（SSO）分析。
TPA設計流程
來自Ansoft中國
展開 集成電路器件與設計的橋梁
? 定制二維器件的spice模型與乘加運算
MoS2晶體管的建模是實現(xiàn)芯片的關鍵，MoS2晶體管SPICE模型的直流參數(shù)多達幾十個，參數(shù)劃分為三類，一類是器件本征物理參數(shù)，比如柵氧化層的相對介電常數(shù)和厚度，這些參數(shù)是由制備工藝確定的。第二類是器件的性能參數(shù)，在物理含義上有著明確的定義，比如閾值電壓、輸出阻抗等，是需要在測試結(jié)果當中提取的。第三類參數(shù)是經(jīng)驗性參數(shù)，這些參數(shù)在物理含義上并沒有特定的定義，但是有的可以在物理現(xiàn)象中找到合理的解釋，比如用來描述晶體管DIBL效應的參數(shù)AT和BT等，有的參數(shù)可能僅僅是為了曲線更加的光滑，更加的符合現(xiàn)實中測得的結(jié)果。
根據(jù)SPICE模型方程式和模型參數(shù)的分析，明確器件參數(shù)，在測試結(jié)果中提取物理參數(shù)，最后對于經(jīng)驗性參數(shù)，根據(jù)仿真結(jié)果和測試結(jié)果的對比，反復微調(diào)經(jīng)驗性參數(shù)，得到合理的值。在完整的得到MoS2晶體管SPICE模型的直流參數(shù)之后，進行仿真結(jié)果和測試結(jié)果的對比，如果符合預期，進一步對誤差進行分析，并且通過單元電路的驗證，來證明結(jié)果的可靠性。
展開 
飽和磁性材料的DC-DC轉(zhuǎn)換器的3D EM和電路協(xié)同仿真CST
3D 模型使用CST 微波工作室（CST MWS） 和組件（通常采用 SPICE 格式）與電路原理圖 CST Design Studio 內(nèi)的 3D 模型連接。這種方法提供了準確的系統(tǒng)響應，但無法使用 SPICE 正確建模場分布。特別是，模擬只能使用 3D 電感器模型建模的電感器的磁場分布。
此外，當 DCDC 轉(zhuǎn)換器的輸出電流增加時，電感處的電流也會增加。電感處直流電流的進一步增加將導致（部分）磁飽和，并導致電感值降低。
3D EM 和 Circuit 協(xié)同仿真
協(xié)同仿真的第一步是將 PCB 的 3D 模型導入 CST MWS。元件連接使用離散端口進行建模。每個離散端口都被激發(fā)，S 參數(shù)結(jié)果在 3D 仿真后可用。圖 1 顯示了 PCB 模型和離散端口。
圖 1.具有離散端口連接的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的 PCB 模型
之后，R、L、C、二極管和晶體管等電路元件在原理圖中與 CST MWS 模塊連接，其中包含 PCB 寄生信息。無源電路元件的電氣行為可以使用 SPICE 模型或 Touchstone 模型來表示。對于有源電路元件，需要一個 SPICE 模型。電路元件和 CST MWS 模塊的完整連接如圖 2 所示。
圖 2.帶 MWS 模塊的 DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器的協(xié)同仿真電路原理圖
如前所述，為了在仿真中準確模擬功率電感的場輻射，必須考慮線圈的 3D 模型。電感器主體的材料使用德拜 1階磁散模型進行建模，靜態(tài)磁導率為 125。圖 3 顯示了 CST MWS 內(nèi)部功率電感的 3D 模型。之后，使用導入子項目功能將其放置在 PCB 上，如圖 4 所示，然后進行仿真。
展開 電磁兼容設計仿真軟件?EMC?Studio
軟件采用的計算核心都是基于最精確、高效的針對復雜工程系統(tǒng)EMC的仿真算法如矩量法（MoM）、輔助源法（MAS）、 傳 輸 線 法（MTL）、低頻穩(wěn)態(tài)三維場求解器（LF_MOM）及 SPICE電路分析法等。
根據(jù)分析對象的不同，依據(jù)專家知識，將問題分解，無須用戶干預，可以自動選擇其中的單一方法或最適合方式的混合求解技術對電磁兼容問題進行高速有效的求解。軟件自動選擇電路、電磁場、電纜、傳輸線等求解器，將一種求解器的求解結(jié)果作為另一個求解器的輸入，最后完成復雜系統(tǒng)電磁兼容問題的求解。
Lumerical案例 | INTERCONNECT和photonic Verilog-A緊湊模型的說明和應用
Ansys Lumerical photonic Verilog-A: 由于該平臺通過SPICE求解器對整個電路進行求解，因此對于希望建模electro-photonic電路且對SPICE求解器比對INTERCONNECT求解器更熟悉的IC設計人員而言，這是一個理想的選擇。該平臺同樣非常適合需要與其他供應商提供的Verilog-A緊湊模型相結(jié)合的electro-photonic電路設計。在用戶需要創(chuàng)建custom Verilog-A緊湊模型以補充foundry Verilog-A PDK來實現(xiàn)其目標電路設計的應用場景中，這一特性尤為有用。具體示例請參閱文末鏈接[7]。
推薦參閱
[1]CML Compiler reference manual
https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360037565953
[2]INTERCONNECT page
https://www.ansys.com/products/photonics/interconnect
[3]Virtuoso interoperability - Circuit Design Flows using INTERCONNECT。
https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/1500012179982
[4]PAM4 Transceiver Virtuoso interoperability
https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042910173-PAM4-Transceiver-Cadence-Interoperability
[5]CML Compiler GUI。
展開 使用 COMSOL 模擬聲-結(jié)構(gòu)的相互作用
例如，當使用集總電路模型來描述設備的機械性能時，需要 SPICE 模型和聲學模型之間的雙向耦合。在這些情況下，我們必須在物理接口中手動添加耦合。
示例：對集總接收器進行建模
例如，讓我們對
Knowles ED-23146 平衡電樞接收器
（一種微型揚聲器）進行建模。先將該設備連接到測試裝置，該測試裝置代表耳后式助聽器中的接收器，該助聽器通過一根細長的管道驅(qū)動插入的耳模，以此來驅(qū)動耳道。使用電路接口將接收器建模為電氣 SPICE 電路，并在管入口處將其連接到有限元域。使用“ 壓力聲學，頻域”接口對管內(nèi)和耦合器內(nèi)的聲學進行建模。
由接收器，電子管，耦合器和測量麥克風組成的建模系統(tǒng)的示意圖。藍色區(qū)域使用基于 FEM 的壓力聲學物理接口進行建模，并使用集總電路對接收器進行建模。
在用于接收器的集總模型中，輸出端的電流對應于體積流量（m^3/s），而輸出端上的電壓對應于在換能器出口處測量的壓力（Pa）。
為了將 SPICE 網(wǎng)絡耦合到基于 FEM 的壓力聲學模型里，將電子管入口上方的平均壓力用作電路接口中接收器出口處的電壓源，并且在壓力聲學模型中將電流應用于 SPICE 的輸出端，換能器模型作為內(nèi)向法向加速度應用于管的入口。平均壓力 Pin 和內(nèi)向加速度 An 定義為
用 intop_in() 在細管的入口表面上定義了一個積分算子，其中，p 是聲壓，acpr.iomega 是復合角頻率，和 cir.V2_i 是 SPICE 接收器輸出處的電流。
將 SPICE 網(wǎng)絡手動耦合到基于 FEM 的壓力聲學模型中。
解決大型 ASI 模型
在默認情況下，COMSOL Multiphysics 對 ASI 模型使用完全耦合的直接求解器。
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