SPICE-Typische Fallstricke und wie man sie vermeidet

„Garbage in, garbage out.“ —Anonym

SPICE ist ein zuverlässiger Simulationsmotor, hat aber einige Eigenheiten, die selbst erfahrene Nutzer stolpern lassen. Dieser Artikel fokussiert sich auf subtile Dateiformat- und Schaltungstopologie-Regeln, die SPICE erzwingt – nicht auf Bugs, die falsche Ergebnisse liefern. Viele dieser Eigenheiten waren spezifisch für SPICE 2g6, können aber in neueren Versionen noch auftreten.

Richtiger Dateianfang

Jede SPICE-Netlist muss mit einer Nicht-Komponenten-Zeile beginnen – typischerweise ein Titel, Kommentar oder eine Leerzeile. Steht in der ersten Zeile eine Komponenten-Card, bricht SPICE mit „serious error“ ab, oft fälschlicherweise auf Knotenverbindungen schiebend. Ein einfacher Zeilenvorschub oder Kommentar genügt.

Sauberes Dateiende

Die finale .end-Card muss ohne Zeilenende-Zeichen geschrieben werden. Nach Eingabe von .end den Cursor sofort nach dem „d“ stoppen und nicht [Enter] drücken. Andernfalls meldet SPICE „missing .end card“ – die Simulation läuft, aber der Output wird verunreinigt.

Knoten 0 einbinden

Knoten 0 ist die Bezugsmasse (Ground) für alle Spannungsangaben. Jede gültige Netlist muss Knoten 0 enthalten; andernfalls kann SPICE die Spannungsskala nicht auflösen. Beispiel DC-Analyse:

node voltage node voltage
( 1) 15.0000 ( 2) 0.6522

Hier ist Knoten 1 15 V über Masse, Knoten 2 0,6522 V über Masse.

Keine offenen Schaltungen

Offene Schaltungen – besonders offene Spannungsquellen – verhindern, dass SPICE einen Strompfad findet. Beim Anschluss einer Spannungsquelle an den Eingang einer gesteuerten Quelle (z. B. Op-Amp-Modell) einen hochohmigen Widerstand (rbogus) einfügen, um eine minimale Last zu bieten und die Simulation am Laufen zu halten.

Ungewollte Spulen-/Spannungsquellen-Schleifen vermeiden

SPICE behandelt Spulen in der DC-Analyse als Kurzschlüsse und Kondensatoren als offene Schaltungen. Ununterbrochene Schleifen aus Spulen oder Spannungsquellen oder in Reihe geschaltete Kondensatoren ohne DC-Pfad führen zum Solver-Fehler. Typische Problem-Muster:

netlist
l1 2 4 10m
l2 2 4 50m
l3 2 4 25m

netlist
v1 1 0 dc 12
l1 1 0 150m

netlist
c1 5 6 33u
c2 6 7 47u

Abhilfe: Niedrigohmige Shunts für Spulen, hochohmige für Kondensatoren.

original: l1 2 4 10m; l2 2 4 50m; l3 2 4 25m
fixed:  rbogus1 2 3 1e-12; rbogus2 2 5 1e-12
        l1 3 4 10m; l2 2 4 50m; l3 5 4 25m

Die rbogus-Widerstände sind quasi Kurzschlüsse (1 pΩ), sodass die Spulenschleife für den Solver nicht mehr als perfekter Kurzschluss erscheint. Für Kondensatoren:

original: c1 5 6 33u; c2 6 7 47u
fixed:  c1 5 6 33u; c2 6 7 47u; rbogus 6 7 9e12

Ein 9 TΩ-Shunt hält den DC-Pfad, ohne das AC-Verhalten zu beeinflussen.

Strommessung in SPICE

Spannungsmessungen sind einfach – zwei Knoten referenzieren. Strommessungen erfordern eine Spannungsquellen-Referenz. Fehlt diese, fügen Sie eine nullvoltige „bogus“-Quelle ein:

c1 4 7 22u
vbogus 6 4 dc 0
.print ac i(vbogus)

Die AC-Analyse gilt weiterhin, die Nullvolt-Quelle verändert die Simulation nicht.

Beachten Sie: SPICE weist Strompolarität entgegen der konventionellen Richtung für DC-Quellen zu. In einem einfachen Serienschaltkreis:

example
v1 1 0
r1 1 2 5k
r2 2 0 5k
.dc v1 10 10 1
.print dc i(v1)
.end

SPICE meldet −1 mA, da Strom, der den negativen Anschluss von v1 verlässt, als negativ gilt. Umorientierung der Nullvolt-Quelle erzwingt positives Vorzeichen falls erwünscht.

Fourier-Analyse Tipps

Bei Fourier-Analyse (Frequenzbereich) immer die Zielwellenform drucken/plotten; andernfalls pausiert SPICE und bricht nach „initial transient solution“ ab. Für Pulsquellen, die Rechteckwellen erzeugen, realistische Anstiegs-/Abfallzeiten angeben. Eine ideale Rechteckwelle (momentane Flanken) führt fälschlicherweise zu geraden Harmonischen in SPICEs Fourier-Transformierte.