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SPICE算法研究和实现

作　者: 卫喆
导　师: 陈星弼
学　校: 电子科技大学
专　业: 微电子与固体电子学
关键词: SPICE仿真器结点分析法线性等效模型过温保护电路
分类号: TP391.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

几乎所有进行集成电路设计工作的人员都需要用到SPICE仿真器,在理论上,SPICE仿真器能够建立并测试任何实际电路。通过使用SPICE仿真器,我们可以在虚拟层面模拟电路行为,掌握电路特性,从而提高电路设计的效率,降低电路设计的成本。本文首先介绍了SPICE仿真器的发展历史等基本情况,接着在比较深入的层面介绍了如何使用SPICE仿真器,进而进入本文的核心部分——SPICE仿真器的算法研究和实现。在本文的核心部分之一,SPICE仿真器的算法研究部分,我们讨论了SPICE仿真器的核心算法:结点分析法。同时,介绍了如何建立非线性器件和储能器件的线性等效模型,以便我们能够对含有非线性和储能器件的电路进行结点分析法。在本文中,我们采取了牛顿迭代法来建立非线性器件的线性等效模型;而对于储能器件,本文则采用了欧拉方法来建立线性等效模型进行瞬态分析。在介绍了线性等效模型之后,我们接着讨论了本次实现中用到的二极管模型和N沟道MOS管模型,如何处理这些模型可以为以后添加新的模型提供参考。接着,我们在Linux平台上用c编程语言实现了一个具有基本仿真功能的SPICE软件,并采用了一个RC电路对实现的软件进行了验证。当然,本文实现的SPICE软件功能有限,但是可以在今后的工作中进行扩展来支持更多的器件和更多的分析方式。最后,利用前面讲到的SPICE的算法和实现,本文设计了一个实际项目中用到的过温保护电路,加深了对SPICE应用的理解,同时也推动了我们对SPICE算法和实现的认识。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章概论  10-13
  1.1 SPICE 介绍  10-12
    1.1.1 什么是SPICE  10
    1.1.2 SPICE 的优点  10-11
    1.1.3 SPICE 的缺点  11-12
  1.2 关于本文  12-13
    1.2.1 本文的目的  12
    1.2.2 本文的背景  12
    1.2.3 本文的结论  12-13
第二章商用SPICE 介绍  13-25
  2.1 商用SPICE 软件体系结构  13
  2.2 SPICE 电路设计流程  13-15
  2.3 商用SPICE 的分析类型  15-17
    2.3.1 直流分析  15-16
    2.3.2 交流小信号分析  16-17
    2.3.3 瞬态分析  17
  2.4 编写SPICE 网表  17-20
    2.4.1 标题行  18
    2.4.2 元件  18-19
    2.4.3 电源  19
    2.4.4 分析类型  19
    2.4.5 结果输出  19-20
    2.4.6 注释  20
  2.5 子电路  20-23
    2.5.1 子电路实例  21-23
  2.6 SPICE 中的单位  23-25
第三章 SPICE 电路方程的建立  25-44
  3.1 结点分析法  25-30
    3.1.1 什么是结点分析  25-26
    3.1.2 求解线性方程组  26-27
    3.1.3 求解矩阵  27-28
    3.1.4 矩阵解法说明  28
    3.1.5 电压源的处理  28-30
  3.2 非线性电路DC 分析  30-34
    3.2.1 二极管模型  30-31
    3.2.2 结点分析  31-33
    3.2.3 结点分析的迭代  33-34
    3.2.4 收敛性  34
  3.3 瞬态分析  34-39
    3.3.1 数值方法  35-36
    3.3.2 电容等效模型  36-38
    3.3.3 结点分析  38-39
  3.4 算法小结  39-44
    3.4.1 DC 分析  41-42
    3.4.2 瞬态分析  42-43
    3.4.3 AC 分析  43
    3.4.4 算法控制语句  43-44
第四章元器件模型  44-50
  4.1 模型简介  44-45
    4.1.1 模型分类  44-45
    4.1.2 本次实现相关的模型  45
  4.2 二极管模型  45-48
  4.3 MOS 模型  48-50
第五章 SPICE 实现  50-87
  5.1 概述  50-52
    5.1.1 C 语言简介  50-51
    5.1.2 编译器简介  51
    5.1.3 平台简介  51-52
  5.2 数据抽象  52-55
    5.2.1 器件类型  52
    5.2.2 结点  52-53
    5.2.3 管脚  53
    5.2.4 元件  53-54
    5.2.5 电路  54-55
  5.3 数据操作  55-58
    5.3.1 取得矩阵阶数  55
    5.3.2 取得管脚所连结点  55
    5.3.3 取得元件的值  55-56
    5.3.4 初始化管脚  56
    5.3.5 初始化元件  56
    5.3.6 释放元件  56-57
    5.3.7 元件链表操作  57-58
  5.4 网表解析  58-64
    5.4.1 程序架构  58-60
    5.4.2 电阻  60-61
    5.4.3 电容  61-62
    5.4.4 电流源  62-63
    5.4.5 电压源  63-64
    5.4.6 小结  64
  5.5 构建矩阵  64-72
    5.5.1 直流分析  65-69
    5.5.2 瞬态分析  69-72
  5.6 直流分析  72-79
    5.6.1 初始工作  72-73
    5.6.2 解析命令行参数  73
    5.6.3 读入网表文件并解析  73
    5.6.4 分配矩阵空间并构建结点矩阵  73-74
    5.6.5 求解结点矩阵  74-78
    5.6.6 清理工作  78-79
  5.7 瞬态分析  79-81
  5.8 实现验证  81-87
第六章过温保护电路  87-93
  6.1 热击穿  87
  6.2 散热  87-89
  6.3 测温  89
  6.4 电路设计与仿真  89-93
第七章小结  93-94
致谢  94-95
参考文献  95-96
攻硕期间取得的研究成果  96-97

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