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ESPECIA 1
Autor (es) original (es)Laurence Nagel
Versión inicial1973 ; Hace 48 años ( 1973 )
Escrito enFortran
EscribeSimulación de circuitos electrónicos
LicenciaSoftware de dominio público
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ESPECIA 2
Versión inicial1975 ; Hace 46 años ( 1975 )
Lanzamiento estable
2G.6 / 1983
Escrito enFortran
EscribeSimulación de circuitos electrónicos
LicenciaCláusula BSD 3
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ESPECIA 3
Autor (es) original (es)Thomas Quarles
Versión inicial1989 ; Hace 32 años ( 1989 )
Lanzamiento estable
3f.5 / julio de 1993
Escrito enC
EscribeSimulación de circuitos electrónicos
LicenciaLicencia BSD (2 cláusulas modificadas)
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SPICE (" Programa de simulación con énfasis en circuitos integrados ") [1] [2] es un simulador de circuito electrónico analógico de código abierto y de uso general . Es un programa que se utiliza en el diseño de circuitos integrados y a nivel de placa para comprobar la integridad de los diseños de circuitos y predecir el comportamiento de los mismos .

Introducción

A diferencia de los diseños a nivel de placa compuestos de piezas discretas, no es práctico montar circuitos integrados de placa antes de la fabricación. Además, los altos costos de las máscaras fotolitográficas y otros requisitos previos de fabricación hacen que sea esencial diseñar el circuito para que sea lo más perfecto posible antes de que se construya por primera vez el circuito integrado. Simular el circuito con SPICE es la forma estándar de la industria de verificar el funcionamiento del circuito a nivel de transistor antes de comprometerse a fabricar un circuito integrado.

Los diseños de circuitos a nivel de placa a menudo se pueden ampliar para realizar pruebas. Incluso con una placa de pruebas, es posible que algunas propiedades del circuito no sean precisas en comparación con la placa de cableado impresa final, como las resistencias y capacitancias parásitas. Estos componentes parásitos a menudo se pueden estimar con mayor precisión utilizando la simulación SPICE. Además, los diseñadores pueden querer más información sobre el circuito de la que está disponible en una sola maqueta. Por ejemplo, el rendimiento del circuito se ve afectado por las tolerancias de fabricación de los componentes. En estos casos, es común utilizar SPICE para realizar simulaciones de Monte Carlo del efecto de las variaciones de los componentes en el rendimiento, una tarea que no es práctica si se utilizan cálculos a mano para un circuito de una complejidad apreciable.

Programas de simulación de circuitos, de los cuales SPICE y sus derivados son los más destacados, toman un texto de lista de conexiones que describe los elementos del circuito ( transistores , resistencias , condensadores , etc.) y sus conexiones, y se traducen [3] esta descripción en las ecuaciones a resolver. Las ecuaciones generales producidas son ecuaciones algebraicas diferenciales no lineales que se resuelven utilizando métodos de integración implícita , método de Newton y técnicas de matriz dispersa .

Orígenes

SPICE fue desarrollado en el Laboratorio de Investigación Electrónica de la Universidad de California, Berkeley por Laurence Nagel con la dirección de su asesor de investigación, el Prof. Donald Pederson . SPICE1 es en gran parte un derivado del programa CANCER, [4] en el que Nagel había trabajado con el profesor Ronald Rohrer. CANCER es un acrónimo de "Análisis informático de circuitos no lineales, excluyendo la radiación", un indicio del liberalismo de Berkeley en la década de 1960: [5] en estos momentos se desarrollaron muchos simuladores de circuitos bajo contratos con el Departamento de Defensa de los Estados Unidos que requerían la capacidad de evaluar la dureza de la radiaciónde un circuito. Cuando el asesor original de Nagel, el profesor Rohrer, dejó Berkeley, el profesor Pederson se convirtió en su asesor. Pederson insistió en que CANCER, un programa propietario, se reescribiera lo suficiente como para eliminar las restricciones y poner el programa en el dominio público . [6]

SPICE1 se presentó por primera vez en una conferencia en 1973. [7] SPICE1 está codificado en FORTRAN y utiliza el análisis nodal para construir las ecuaciones del circuito. El análisis nodal tiene limitaciones en la representación de inductores, fuentes de voltaje flotante y las diversas formas de fuentes controladas. SPICE1 tiene relativamente pocos elementos de circuito disponibles y utiliza un análisis transitorio de paso de tiempo fijo . La verdadera popularidad de SPICE comenzó con SPICE2 [8] en 1975. SPICE2, también codificado en FORTRAN, es un programa muy mejorado con más elementos de circuito, análisis transitorio de paso de tiempo variable utilizando el trapezoidal ( método de Adams-Moulton de segundo orden ) o el Método de integración de engranajes (también conocido como BDF), formulación de ecuaciones mediante análisis nodal modificado [9] (evitando las limitaciones del análisis nodal) y un innovador sistema de asignación de memoria basado en FORTRAN desarrollado por otro estudiante de posgrado, Ellis Cohen. La última versión de FORTRAN de SPICE es 2G.6 en 1983. SPICE3 [10] fue desarrollado por Thomas Quarles (con A. Richard Newton como asesor) en 1989. Está escrito en C , usa la misma sintaxis de netlist y agregó X Window Trazado del sistema .

Como uno de los primeros programas de software de dominio público con código fuente disponible, [11] SPICE fue ampliamente distribuido y utilizado. Su ubicuidad llegó a ser tal que "para SPICE un circuito" sigue siendo sinónimo de simulación de circuitos. [12] El código fuente de SPICE fue distribuido desde el principio por UC Berkeley por un cargo nominal (para cubrir el costo de la cinta magnética). La licencia originalmente incluía restricciones de distribución para países que no se consideraban amigos de EE. UU., Pero el código fuente está cubierto actualmente por la licencia BSD .

El nacimiento de SPICE fue nombrado un hito de IEEE en 2011; la entrada menciona que SPICE "evolucionó para convertirse en el simulador de circuitos integrados estándar mundial". [13] Nagel recibió el premio IEEE Donald O. Pederson de 2019 en circuitos de estado sólido por el desarrollo de SPICE. [14]

Sucesores

Sucesores de código abierto

No se han lanzado versiones más nuevas de Berkeley SPICE después de la versión 3f5 en 1993. [15] Desde entonces, las continuaciones académicas o de código abierto de SPICE incluyen: XSPICE, [16] desarrollado en Georgia Tech , que agregó código mixto analógico / digital modelos "para la simulación del comportamiento; CIDER [17] (anteriormente CODECS), desarrollado por UC Berkeley y la Universidad Estatal de Oregon, que agregó la simulación de dispositivos semiconductores ; ngspice , basado en SPICE 3f5, XSPICE y CIDER. [18] [19] ; y WRspice, [20] una reescritura en C ++ del código original de spice3f5.

Versiones comerciales y spin offs

Berkeley SPICE inspiró y sirvió como base para muchos otros programas de simulación de circuitos, en el mundo académico, en la industria y en productos comerciales. La primera versión comercial de SPICE es ISPICE, [21] una versión interactiva de un servicio de tiempo compartido, National CSS . Las versiones comerciales más destacadas de SPICE incluyen HSPICE (originalmente comercializado por Ashawna y Kim Hailey de Meta Software, pero ahora propiedad de Synopsys ) y PSPICE (ahora propiedad de Cadence Design Systems ). La industria de circuitos integrados adoptó SPICE rápidamente, y hasta que las versiones comerciales se desarrollaron bien, muchas casas de diseño de circuitos integrados tenían versiones propietarias de SPICE. [22]

Hoy en día, algunos fabricantes de circuitos integrados, generalmente las empresas más grandes, tienen grupos que continúan desarrollando programas de simulación de circuitos basados ​​en SPICE. Entre estos se encuentran ADICE en Analog Devices , LTspice en Analog Devices (disponible para el público como software gratuito), Mica en Freescale Semiconductor y TINA-TI [23] en Texas Instruments . Tanto LTspice como TINA-TI vienen con modelos de sus respectivas empresas. [24] [25] Analog Devices ofrece una herramienta gratuita similar llamada ADIsimPE (basada en la implementación SIMetrix / SIMPLIS [26] de SPICE). [27]Otras empresas mantienen simuladores de circuitos internos que no se basan directamente en SPICE, entre ellos PowerSpice en IBM , TITAN en Infineon Technologies , Lynx en Intel Corporation y Pstar en NXP Semiconductor . [28]

Características y estructura del programa

SPICE se hizo popular porque contenía los análisis y modelos necesarios para diseñar circuitos integrados de la época, y era lo suficientemente robusto y rápido para ser práctico de usar. [29] Los precursores de SPICE a menudo tenían un solo propósito: el programa BIAS [30] , por ejemplo, simulaba los puntos de operación del circuito de transistores bipolares; el programa SLIC [31] sólo hizo análisis de señales pequeñas. SPICE combinó soluciones de puntos operativos, análisis de transitorios y varios análisis de señales pequeñas con los elementos de circuito y modelos de dispositivos necesarios para simular con éxito muchos circuitos.

Analiza

SPICE2 incluye estos análisis:

  • Análisis de CA (análisis lineal de dominio de frecuencia de pequeña señal )
  • Análisis de CC ( cálculo de punto de reposo no lineal )
  • Análisis de la curva de transferencia de CC (una secuencia de puntos operativos no lineales calculados mientras se barre un voltaje o corriente de entrada, o un parámetro de circuito)
  • Análisis de ruido (un pequeño análisis de señal realizado mediante una técnica de matriz adjunta que suma las corrientes de ruido no correlacionadas en un punto de salida elegido)
  • Análisis de la función de transferencia (un cálculo de impedancia y ganancia de entrada / salida de pequeña señal)
  • Análisis transitorio (solución de gran señal en el dominio del tiempo de ecuaciones algebraicas diferenciales no lineales)

Dado que SPICE se utiliza generalmente para modelar circuitos no lineales , los análisis de señales pequeñas están necesariamente precedidos por un cálculo de punto de reposo en el que se linealiza el circuito. SPICE2 también contiene código para otros análisis de señales pequeñas: análisis de sensibilidad , análisis de polos cero y análisis de distorsión de señales pequeñas . El análisis a varias temperaturas se realiza actualizando automáticamente los parámetros del modelo de semiconductores para la temperatura, lo que permite simular el circuito a temperaturas extremas.

Desde entonces, otros simuladores de circuitos han agregado muchos análisis más allá de los de SPICE2 para abordar los requisitos cambiantes de la industria. Se agregaron barridos paramétricos para analizar el rendimiento del circuito con tolerancias de fabricación cambiantes o condiciones de operación. Se agregaron cálculos de estabilidad y ganancia de bucle para circuitos analógicos. Se agregaron análisis de equilibrio armónico o de estado estable en el dominio del tiempo para el diseño de circuitos de RF y capacitores conmutados. Sin embargo, aún no ha surgido un simulador de circuitos de dominio público que contenga los análisis modernos y las características necesarias para convertirse en un sucesor en popularidad de SPICE. [29]

Es muy importante utilizar análisis apropiados con parámetros cuidadosamente elegidos. Por ejemplo, la aplicación del análisis lineal a circuitos no lineales debe justificarse por separado. Además, la aplicación de análisis de transitorios con parámetros de simulación predeterminados puede llevar a conclusiones cualitativamente erróneas sobre la dinámica del circuito. [32]

Modelos de dispositivo

SPICE2 incluye muchos modelos compactos de dispositivos semiconductores : tres niveles del modelo MOSFET , un modelo bipolar combinado de Ebers-Moll y Gummel-Poon , un modelo JFET y un modelo para un diodo de unión . Además, tenía muchos otros elementos: resistencias, condensadores, inductores (incluido el acoplamiento ), fuentes independientes de tensión y corriente , líneas de transmisión ideales , componentes activos y fuentes controladas de tensión y corriente.

SPICE3 agregó modelos MOSFET más sofisticados, que eran necesarios debido a los avances en la tecnología de semiconductores. En particular, se agregó la familia de modelos BSIM , que también se desarrollaron en UC Berkeley.

Los simuladores SPICE comerciales e industriales han agregado muchos otros modelos de dispositivos a medida que la tecnología avanzaba y los modelos anteriores se volvían inadecuados. Para intentar la estandarización de estos modelos para que un conjunto de parámetros del modelo se pueda utilizar en diferentes simuladores, se formó un grupo de trabajo de la industria, el Compact Model Council , [33] para elegir, mantener y promover el uso de modelos estándar. Los modelos estándar actuales incluyen BSIM3 , BSIM4 , BSIMSOI , PSP , HICUM y MEXTRAM .

Exclusión para circuitos fotónicos integrados

Los simuladores de dispositivos fotónicos tradicionales aplican métodos directos para resolver las ecuaciones de Maxwell para la estructura completa, mientras que los simuladores de circuitos fotónicos se basan en una segmentación en bloques de construcción (BB), cada uno de los cuales está representado en un nivel lógico por un dispositivo fotónico, "acoplado a otro. BBs por modos guiados de guías de ondas ópticas ". En el modelado a nivel de circuito, un circuito integrado fotónico (PIC) contiene cables eléctricos y señales ópticas, respectivamente descritos por voltaje / corriente y por envolvente de valor complejo para los modos de propagación hacia adelante y hacia atrás. [34]

La lista de componentes básicos de los circuitos fotónicos y electrónicos, incluidas sus conexiones de red y puerto, se puede expresar en un formato SPICE con algunos editores esquemáticos , como los que se utilizan para la automatización del diseño electrónico. [35]

Para reproducir la información completa de la señal fotónica, sin perder eventuales fenómenos ópticos, se necesita la forma de onda en tiempo real del campo eléctrico y magnético para cada modo o polarización en la guía de ondas. [ Aclaración necesaria ] Mientras SPICE trabaja con 10 -15 pasos de tiempo, comunicaciones de datos de escala de tiempo de ≈10-100 10 -12 son comunes. Para hacer manejable la cantidad de información, la modulación aumenta de complejidad, debiendo codificar tanto la amplitud como la fase, de manera similar a la simulación de circuitos de RF. [36]

Sin embargo, los simuladores de circuitos integrados fotónicos necesitan probar múltiples canales de comunicación en coincidencia con diferentes frecuencias portadoras , o equivalentemente más amplitudes en cualquier canal único, un tipo de señal sofisticada que no es compatible con las características y estructura del programa SPICE como se describe anteriormente. [34] En 2019, SPICE no se puede utilizar para "simular fotónica y electrónica juntas en un simulador de circuito fotónico", [37] y, por lo tanto, todavía no se considera un simulador de prueba para circuitos integrados fotónicos.

Entrada y salida: listas de red, captura esquemática y trazado

SPICE2 toma una lista de red de texto como entrada y produce listas de impresoras de línea como salida, que encaja con el entorno informático en 1975. Estas listas son columnas de números correspondientes a salidas calculadas (típicamente voltajes o corrientes), o gráficos de caracteres de impresora de línea " . SPICE3 retaines la lista de conexiones para la descripción del circuito, pero permite análisis para ser controlados desde una línea de comandos de interfaz similar a la shell C . SPICE3 también agregó trazado en X básico , ya que las estaciones de trabajo de ingeniería y UNIX se volvieron comunes.

Los proveedores y varios proyectos de software libre han agregado interfaces de captura esquemática a SPICE, lo que permite dibujar un diagrama esquemático del circuito y generar automáticamente la lista de conexiones. Además, se agregaron interfaces gráficas de usuario para seleccionar las simulaciones a realizar y manipular los vectores de salida de voltaje y corriente. Además, se han agregado utilidades gráficas muy capaces para ver formas de onda y gráficos de dependencias paramétricas. Varias versiones gratuitas de estos programas extendidos están disponibles, algunas como paquetes introductorios limitados y otras sin restricciones .

Análisis transitorio

Dado que el análisis de transitorios depende del tiempo, utiliza diferentes algoritmos de análisis, opciones de control con diferentes problemas relacionados con la convergencia y diferentes parámetros de inicialización que el análisis de CC. Sin embargo, dado que un análisis de transitorios primero realiza un análisis de punto de operación de CC (a menos que la opción UIC se especifique en la declaración .TRAN), la mayoría de los algoritmos de análisis de CC, las opciones de control y los problemas de inicialización y convergencia se aplican al análisis de transitorios.

Condiciones iniciales para el análisis transitorio

Algunos circuitos, como osciladores o circuitos con retroalimentación, no tienen soluciones de puntos de operación estables. Para estos circuitos, se debe interrumpir el circuito de retroalimentación para que se pueda calcular un punto de operación de CC o se deben proporcionar las condiciones iniciales en la entrada de simulación. El análisis del punto de operación de CC se omite si el parámetro UIC se incluye en la instrucción .TRAN. Si se incluye UIC en la instrucción .TRAN, se inicia un análisis transitorio utilizando los voltajes de nodo especificados en una instrucción .IC. Si un nodo se establece en 5 V en una instrucción .IC, el valor en ese nodo para el primer momento (tiempo 0) es 5 V.

Puede utilizar la instrucción .OP para almacenar una estimación del punto de funcionamiento de CC durante un análisis transitorio.

.TRAN 1ns 100ns UIC .OP 20ns

El parámetro UIC de la instrucción .TRAN en el ejemplo anterior omite el análisis inicial del punto de operación de CC. La instrucción .OP calcula el punto de operación transitorio en t = 20 ns durante el análisis transitorio.

Aunque un análisis transitorio podría proporcionar una solución de CC convergente, el análisis transitorio en sí mismo aún puede fallar en la convergencia. En un análisis transitorio, el mensaje de error "intervalo de tiempo interno demasiado pequeño" indica que el circuito no pudo converger. La falla de convergencia puede deberse a condiciones iniciales establecidas que no están lo suficientemente cerca de los valores reales del punto de operación de CC.

Ver también

  • Comparación de software EDA
  • Lista de simuladores de circuitos electrónicos gratuitos
  • Especificación de información de búfer de entrada y salida (IBIS)
  • Modelos de transistores

Referencias

  1. ^ Nagel, L. W y Pederson, DO, SPICE (Programa de simulación con énfasis en circuitos integrados) , Memorando No. ERL-M382, Universidad de California, Berkeley, abril de 1973
  2. ^ Nagel, Laurence W., SPICE2: Un programa de computadora para simular circuitos de semiconductores , Memorando No. ERL-M520, Universidad de California, Berkeley, mayo de 1975
  3. ^ Warwick, Colin (mayo de 2009). "Todo lo que siempre quisiste saber sobre SPICE * (* Pero tenías miedo de preguntar)" (PDF) . Revista EMC . Nutwood UK Limited (82): 27-29. ISSN  1748-9253 .
  4. ^ Nagel, LW; Rohrer, RA (agosto de 1971). "Análisis informático de circuitos no lineales, excluida la radiación". Revista IEEE de circuitos de estado sólido . SC-6 (4): 166–182. Código bibliográfico : 1971IJSSC ... 6..166N . doi : 10.1109 / JSSC.1971.1050166 .[ enlace muerto ]
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  11. ↑ history-of-spice Archivado el 9 de octubre de 2016 en Wayback Machine.en allaboutcircuits.com. "El origen de SPICE se remonta a otro programa de simulación de circuitos llamado CANCER. Desarrollado por el profesor Ronald Rohrer de UC Berkeley junto con algunos de sus estudiantes a fines de la década de 1960, CANCER continuó mejorando hasta principios de la década de 1970. Cuando Rohrer dejó Berkeley, CANCER fue reescrito y renombrado a SPICE, lanzado como versión 1 al dominio público en mayo de 1972. La versión 2 de SPICE fue lanzada en 1975 (la versión 2g6, la versión utilizada en este libro, es una revisión menor de este El profesor Donald Pederson, de Berkeley, fue fundamental en la decisión de lanzar SPICE como un programa informático de dominio público, quien creía que todo progreso técnico significativo ocurre cuando la información se comparte libremente. Por mi parte, le agradezco su visión ".
  12. ↑ Pescovitz, David (2 de mayo de 2002). "1972: El lanzamiento de SPICE, sigue siendo la herramienta estándar de la industria para el diseño de circuitos integrados" . Notas de laboratorio: Investigación de Berkeley College of Engineering . Consultado el 10 de marzo de 2007 .
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  36. ↑ Las_Phot_Rev_1700237 , pág. 18
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Enlaces externos

  • Spice en UC Berkeley

Historias, artículos originales

  • El documento SPICE1 original
  • Disertación de LW Nagel (SPICE2)
  • Disertación de Thomas Quarles (SPICE3)
  • Una breve historia de SPICE
  • SPICE2 y SPICE3 en UC Berkeley
  • Sidra en UC Berkeley
  • SPICE: cómo elegir un análisis