SPICE Netlist-Syntax: Bauteilbenennung, passive & aktive Elemente, Quellen

Obwohl dieser Leitfaden sich auf das Wesentliche konzentriert, bietet SPICE einen umfassenden Funktionsumfang für präzise Schaltungssimulation. Die folgende Übersicht fasst wichtige Syntaxregeln und Beispiele zusammen, um saubere, fehlerfreie Netlists zu schreiben.

Jedes SPICE-Element wird durch einen einbuchstabigen Schlüsselwort eingeleitet: R (Widerstände), C (Kondensatoren), L (Spulen), V (Spannungsquellen), I (Stromquellen), D (Dioden), Q (Bipolartransistoren), M (MOSFETs), J (JFETs), K (Transformator-Kopplung). Die folgenden Zeichen identifizieren jede Instanz eindeutig. Namen dürfen bis zu acht alphanumerische Zeichen umfassen; Groß-/Kleinschreibung wird ignoriert (r1 = R1). Längere Namen werden abgeschnitten, was zu Namenskonflikten führen kann (z. B. rpulldown → rpulldow).

Metrische Präfixe in SPICE

SPICE unterstützt metrische Präfixe, die Konvention weicht leicht vom Standard ab (ASCII-Beschränkung, Case-Insensitivität):

• t – Tera (10¹²)
• g – Giga (10⁹)
• meg – Mega (10⁶)
• k – Kilo (10³)
• m – Milli (10⁻³)
• u – Mikro (10⁻⁶)
• n – Nano (10⁻⁹)
• p – Piko (10⁻¹²)
• f – Femto (10⁻¹⁵)

Wissenschaftliche Notation wird ebenfalls unterstützt. Typische Widerstandsdefinitionen:

R1 1 0 2t   ; 2 TΩ
R2 1 0 4g   ; 4 GΩ
R3 1 0 47meg; 47 MΩ
R4 1 0 3.3k ; 3.3 kΩ
R5 1 0 55m  ; 55 mΩ
R6 1 0 10u  ; 10 µΩ
R7 1 0 30n  ; 30 nΩ
R8 1 0 5p   ; 5 pΩ
R9 1 0 250f ; 250 fΩ
R10 1 0 4.7e3; 4.7 kΩ
R11 1 0 1e-12; 1 pΩ

Passive Bauelemente

Kondensatoren

C1 12 33 10u       ; 10 µF
C1 12 33 10u IC=3.5; 10 µF mit 3,5 V Anfangsspannung

Initial Condition (IC) setzt die Kondensatorspannung zum Start der DC-Analyse; Default ist 0. Für Transientenanalyse muss die .tran-Card mit UIC-Option verwendet werden, um IC-Werte zu beachten.

Spulen

L1 12 33 133m      ; 133 mH
L1 12 33 133m IC=12.7m; 133 mH mit 12,7 mA Anfangsstrom

IC spezifiziert den Spulenstrom in Ampere zum DC-Start. Transientenanalyse erfordert .tran mit UIC.

Transformator-Kopplung (K-Devices)

K1 L1 L2 0.999 ; 99,9 % Kopplung zwischen L1 und L2

Kopplungsfaktoren müssen strikt zwischen 0 und 1 liegen. Die Reihenfolge der Spulen ist irrelevant.

Widerstände

RLOAD 23 15 3.3k ; 3,3 kΩ zwischen Knoten 23 und 15

Leistungsbelastbarkeit wird nicht abgebildet; alle Bauteile sind ideal, sofern nicht anders modelliert.

Aktive Bauelemente

Jedes Halbleiterbauelement muss durch eine .MODEL-Card definiert werden, die seine elektrischen Eigenschaften spezifiziert. Fehlende Parameter fallen auf SPICE-interne Defaults zurück.

Dioden

D1 1 2 MOD1 ; Diode mit Modell MOD1

Modelldefinition:

.MODEL MOD1 D               ; einfaches Diodenmodell
.MODEL MOD2 D VJ=0.65 RS=1.3 ; Diode mit Sperrschichtspannung und Serienwiderstand

Wichtige Parameter: IS (Sättigungsstrom), RS (Sperrschichtwiderstand), N (Emissionskoeffizient), VJ (Sperrschichtpotenzial), BV (Durchbruchspannung).

Bipolartransistoren (BJT)

Q1 2 3 0 MOD1 ; BJT mit Modell MOD1

Beispiel BJT-Modell (2N2222, NPN):

.MODEL M2N2222 NPN IS=19f BF=150 VAF=100 IKR=.18
+ ISE=50p NE=2.5 BR=7.5 VAR=6.4 IKR=12m
+ ISC=8.7p NC=1.2 RB=50 RE=0.4 RC=0.4 CJE=26p
+ TF=0.5n CJC=11p TR=7n XTB=1.5 KF=0.032f AF=1

Für PNP (2N2907):

.MODEL M2N2907 PNP IS=1.1p BF=200 NF=1.2 VAF=50
+ IKF=0.1 ISE=13p NE=1.9 BR=6 RC=0.6 CJE=23p
+ VJE=0.85 MJE=1.25 TF=0.5n CJC=19p VJC=0.5
+ MJC=0.2 TR=34n XTB=1.5

Modellnamen müssen mit einem Buchstaben beginnen. Ausführliche Parameterlisten finden sich in The Spice Book von Andrei Vladimirescu (ISBN 0-471-60926-9).

JFETs

J1 2 3 0 MOD1 ; JFET mit Modell MOD1

JFET-Modell:

.MODEL MOD2 NJF LAMBDA=1e-5 PB=0.75

Parameter: VTO (Schwellenspannung), BETA (Transkonduktanz), LAMBDA (Kanal-Längen-Modulation), Kapazitäten CGS, CGD.

MOSFETs

M1 2 3 0 0 MOD1 ; MOSFET mit Modell MOD1

Modellsyntax:

.MODEL MOD1 PMOS
.MODEL MOD2 NMOS LEVEL=2 PHI=0.65 RD=1.5
.MODEL MOD3 NMOS VTO=-1 ; Depletion-mode N-Kanal
.MODEL MOD4 NMOS VTO=1  ; Enhancement-mode N-Kanal
.MODEL MOD5 PMOS VTO=1  ; Depletion-mode P-Kanal
.MODEL MOD6 PMOS VTO=-1 ; Enhancement-mode P-Kanal

Der VTO-Parameter unterscheidet Enhancement- von Depletion-Modus. Positives VTO bei P-Kanal (oder negatives bei N-Kanal) bedeutet Depletion-Modus; negatives (bzw. positives) bedeutet Enhancement-Modus.

Spannungs- & Stromquellen

AC-Sinus-Spannungsquellen (mit .AC)

V1 1 0 AC 12 SIN
V1 1 0 AC 12 240 SIN ; 12 V bei 240° Phase

Verwenden, wenn alle Quellen dieselbe Frequenz haben, aber unterschiedliche Phasen. Für mehrere Frequenzen: alternative Syntax.

AC-Sinus-Spannungsquellen (ohne .AC)

V1 1 0 SIN(0 12 60 0 0)

Parameter: offset (DC-Bias), voltage (Spitze), freq (Hz), delay (Phase in Sekunden), damping (Dämpfung).

DC-Spannungsquellen

V1 1 0 DC     ; DC-Quelle definiert durch .DC-Card
V1 1 0 DC 12  ; explizite 12 V DC

Puls-Spannungsquellen

V1 1 0 PULSE(-3 3 0 0 0 10m 20m)

Erzeugt Rechteckwelle zwischen −3 V und +3 V, null Anstiegs-/Abfallzeiten, 20 ms Periode, 50 % Tastverhältnis.

AC-Sinus-Stromquellen (mit .AC)

I1 1 0 AC 3 SIN
I1 1 0 AC 1m 240 SIN ; 1 mA bei 240° Phase

AC-Sinus-Stromquellen (ohne .AC)

I1 1 0 SIN(0 1.5 60 0 0)

DC-Stromquellen

I1 1 0 DC     ; definiert durch .DC-Card
I1 1 0 DC 12  ; explizite 12 A DC

Hinweis: In SPICE ist der erste angegebene Knoten der negative; Strom fließt vom negativen zum positiven Knoten.

Puls-Stromquellen

I1 1 0 PULSE(-3m 3m 0 0 0 17m 34m)

Rechteckwelle zwischen −3 mA und +3 mA, 34 ms Periode, 50 % Tastverhältnis.

Gesteuerte Spannungsquellen

E1 2 0 1 2 999k

Erzeugt einen Spannungsfolger mit hoher Verstärkung (999 k). Gesteuerte Quellen belasten den Eingangs-Knoten nicht; in Rückkopplungsnetzwerken mit Vorsicht einsetzen.