Verifizierte SPICE-Netlists & Beispielschaltungen

Die folgenden Schaltungen sind vorgetestete Netlists für SPICE 2g6, mit kurzen Beschreibungen where nötig. (Siehe Kapitel 2 „Computer Simulation of Electric Circuits“ für mehr zu Netlists in SPICE.)

Fühlen Sie sich frei, beliebige Netlists in Ihre eigene SPICE-Quelldatei zu kopieren und für Analysen/Modifikationen zu nutzen. Ziel ist zweifach: praktische Beispiele für SPICE-Netlist-Design zur Vertiefung des Syntax-Verständnisses, und Demonstration, wie einfach und kompakt SPICE-Netlists bei der Analyse simpler Schaltungen sein können.

Alle Ausgabelistings dieser Beispiele wurden von Ballastinformationen „getrimmt“, für prägnanteste Darstellung. Daher wundern Sie sich nicht, wenn Ihre eigene Simulation nicht exakt so aussieht wie hier!

Beispiel: Mehrquellen-DC-Widerstandsnetzwerk, Teil 1

Ohne .dc-Card und .print/.plot zeigt die Ausgabe nur Knotenspannungen 1, 2, 3 (bezogen auf Knoten 0).

Netlist:

Multiple dc sources
v1 1 0 dc 24
v2 3 0 dc 15
r1 1 2 10k
r2 2 3 8.1k
r3 2 0 4.7k
.end

Output:

node voltage node voltage node voltage
( 1) 24.0000 ( 2) 9.7470 ( 3) 15.0000

voltage source currents
name current
v1 -1.425E-03
v2 -6.485E-04

total power dissipation 4.39E-02 watts

Beispiel: Mehrquellen-DC-Widerstandsnetzwerk, Teil 2

Durch Hinzufügen einer .dc-Analyse-Card und Spezifikation von V₁ von 24 V auf 24 V in 1 Schritt (also 24 V konstant) können wir mit .print Spannungen zwischen beliebigen Punkten ausgeben.

Interessanterweise verschwinden die Default-Knotenspannungs-Ausgaben (zu Ground) bei aktivierter .dc-Analyse, weshalb sie explizit in .print angegeben werden müssen.

Netlist:

Multiple dc sources
v1 1 0
v2 3 0 15
r1 1 2 10k
r2 2 3 8.1k
r3 2 0 4.7k
.dc v1 24 24 1
.print dc v(1) v(2) v(3) v(1,2) v(2,3)
.end

Output:

v1 v(1) v(2) v(3) v(1,2) v(2,3)
2.400E+01 2.400E+01 9.747E+00 1.500E+01 1.425E+01 -5.253E+00

Beispiel: RC-Zeitkonstanten-Schaltung

Für DC-Analyse müssen Anfangsbedingungen reaktiver Bauelemente (C, L) spezifiziert werden (Spannung für Kondensatoren, Strom für Spulen). Dies erfolgt über das letzte Datenfeld der Kondensator-Card (ic=0).

Für DC-Analyse muss .tran (Transientenanalyse) spezifiziert werden: erstes Feld = Zeitinkrement (s), zweites = Gesamtanalysezeitraum (s), uic = „use initial conditions“.

Netlist:

RC time delay circuit
v1 1 0 dc 10
c1 1 2 47u ic=0
c2 1 2 22u ic=0
r1 2 0 3.3k
.tran .05 1 uic
.print tran v(1,2)
.end

Output (Auszug):

time v(1,2)
0.000E+00 7.701E-06
5.000E-02 1.967E+00
1.000E-01 3.551E+00
...
1.000E+00 9.877E+00

Beispiel: Einfacher AC-Sinusspannungskreis (Plot & Fourier)

Zeigt korrektes Setup für Plot瞬时值 einer Sinusspannungsquelle mit .plot (Transientenanalyse). Fourier-Analyse erfordert ebenfalls .tran über geeigneten Zeitbereich. Mehr Perioden der Grundfrequenz → präzisere Fourier-Analyse (kein SPICE-Macke, physikalisches Prinzip).

Netlist:

v1 1 0 sin(0 15 60 0 0)
rload 1 0 10k
* für bessere Fourier-Präzision:
* .tran 1m 30m .01m und .options itl5=30000
.tran 1m 30m
.plot tran v(1)
.four 60 v(1)
.end

Output (Auszug):

fourier components of transient response v(1)
dc component = -1.885E-03
harmonic frequency fourier normalized phase normalized
no (hz) component component (deg) phase (deg)
1 6.000E+01 1.494E+01 1.000000 -71.998 0.000
2 1.200E+02 1.886E-02 0.001262 -50.162 21.836
...
total harmonic distortion = 0.186350 percent

Beispiel: Einfacher AC RC-Kreis

.ac spezifiziert AC-Analyse von 60 Hz bis 60 Hz an einem Punkt. Nützlicher für Mehrfrequenz-Analyse. .print gibt AC-Spannung zwischen Knoten 1-2 und Knoten 2-Ground aus.

Netlist:

Demo of a simple AC circuit
v1 1 0 ac 12 sin
r1 1 2 30
c1 2 0 100u
.ac lin 1 60 60
.print ac v(1,2) v(2)
.end

Output:

freq v(1,2) v(2)
6.000E+01 8.990E+00 7.949E+00

Beispiel: Tiefpassfilter

Dieser Tiefpass blockiert AC und lässt DC zum R_load durch. Typisch für Rippelunterdrückung nach Gleichrichtung; hat technisch eine Resonanzfrequenz (Bandpass-Charakter), funktioniert aber gut zum Blocken hochfrequenter Harmonischer. Gemessen mit AC-Sweep 500 Hz – 15 kHz.

Netlist:

Lowpass filter
v1 2 1 ac 24 sin
v2 1 0 dc 24
rload 4 0 1k
l1 2 3 100m
l2 3 4 250m
c1 3 0 100u
.ac lin 30 500 15k
.print ac v(4)
.plot ac v(4)
.end

Output (Auszug):

freq v(4)
5.000E+02 1.935E-01
1.000E+03 3.275E-02
...
1.500E+04 1.146E-05

Beispiel: Mehrquellen-AC-Netzwerk

SPICE-Eigenheit: Keine Schleife ausschließlich aus Spannungsquellen und Spulen erlaubt. Die Schleife V₁-L₁-L₂-V₂-V₁ ist unzulässig. Abhilfe: Niedrigohmigen Widerstand (rbogus) in die Schleife einfügen (1 pΩ zwischen Knoten 3 und 4, V₂ zwischen 4 und 0).

Netlist:

Multiple ac source
v1 1 0 ac 55 0 sin
v2 4 0 ac 43 25 sin
l1 1 2 450m
c1 2 0 330u
l2 2 3 150m
rbogus 3 4 1e-12
.ac lin 1 30 30
.print ac v(2)
.end

Output:

freq v(2)
3.000E+01 1.413E+02

Beispiel: AC-Phasenschiebung-Demo

Ströme durch jedes Bein werden über Spannungsabfälle an Shunt-Widerständen (1 A = 1 V über 1 Ω) angezeigt: v(1,2), v(1,3). Phasen über vp(1,2), vp(1,3).

Netlist:

phase shift
v1 1 0 ac 4 sin
rshunt1 1 2 1
rshunt2 1 3 1
l1 2 0 1
r1 3 0 6.3k
.ac lin 1 1000 1000
.print ac v(1,2) v(1,3) vp(1,2) vp(1,3)
.end

Output:

freq v(1,2) v(1,3) vp(1,2) vp(1,3)
1.000E+03 6.366E-04 6.349E-04 -9.000E+01 0.000E+00

Beispiel: Transformatorschaltung

SPICE modelliert Transformatoren als gegenseitig gekoppelte Spulen. Primär- und Sekundärwicklung als separate Spulen definieren, dann mit k-Card koppeln (Kopplungskonstante). Ideal wäre 1, aber SPICE akzeptiert nur < 1 (z. B. 0.999). Alle Wicklungspaare benötigen eigene k-Cards. Zweispulentransformator: eine k-Card. Dreispulentransformator: drei k-Cards (L₁-L₂, L₂-L₃, L₁-L₃).

Induktivitätsverhältnis L₁/L₂ = 100:1 → 10:1 Spannungsübersetzung. 120 V Ein → 12 V Aus an L₂. L₁/L₃ = 100:25 (4:1) → 2:1 Übersetzung → 60 V an L₃.

Netlist:

transformer
v1 1 0 ac 120 sin
rbogus0 1 6 1e-3
l1 6 0 100
l2 2 4 1
l3 3 5 25
k1 l1 l2 0.999
k2 l2 l3 0.999
k3 l1 l3 0.999
r1 2 4 1000
r2 3 5 1000
rbogus1 5 0 1e10
rbogus2 4 0 1e10
.ac lin 1 60 60
.print ac v(1,0) v(2,0) v(3,0)
.end

Output:

freq v(1) v(2) v(3)
6.000E+01 1.200E+02 1.199E+01 5.993E+01

rbogus0 bricht V₁/L₁-Schleife. rbogus1/2 (hochohmig) bieten DC-Pfade zu Masse für isolierte Sekundärkreise. Eine Primärseite ist direkt geerdet – ohne diese Massebezüge produziert SPICE Fehler!

Beispiel: Zweipunkt-Gleichrichter (Brückengleichrichter)

Dioden benötigen in SPICE Modelle. SPICE bringt generische Modelle; Diode ist das einfachste. .model mod1 d definiert generisches Diodenmodell für mod1. Für Wellenform-Plot: AC-Quellen-Parameter in einer Card, .tran für Ausgabe.

Netlist:

fullwave bridge rectifier
v1 1 0 sin(0 15 60 0 0)
rload 1 0 10k
d1 1 2 mod1
d2 0 2 mod1
d3 3 1 mod1
d4 3 0 mod1
.model mod1 d
.tran .5m 25m
.plot tran v(1,0) v(2,3)
.end

Beispiel: Common-Base BJT-Verstärker

DC-Sweep von V_in 0–5 V in 0,1 V Schritten, Ausgabe Kollektor-Emitter-Spannung v(2,3). Transistor Q1: NPN, β=50.

Netlist:

Common-base BJT amplifier
vsupply 1 0 dc 24
vin 0 4 dc
rc 1 2 800
re 3 4 100
q1 2 0 3 mod1
.model mod1 npn bf=50
.dc vin 0 5 0.1
.print dc v(2,3)
.plot dc v(2,3)
.end

Beispiel: Common-Source JFET-Verstärker mit Selbstvorspannung

Netlist:

common source jfet amplifier
vin 1 0 sin(0 1 60 0 0)
vdd 3 0 dc 20
rdrain 3 2 10k
rsource 4 0 1k
j1 2 1 4 mod1
.model mod1 njf
.tran 1m 30m
.plot tran v(2,0) v(1,0)
.end

Beispiel: Invertierender Op-Amp

Idealer Op-Amp in SPICE: spannungsgesteuerte Spannungsquelle (e-Card) als Differenzverstärker mit extrem hoher Verstärkung. e 3 0 0 1 999k: Ausgabe Knoten 3/0, Eingabe 1/0. Keine Versorgungsspannung nötig. Verstärkung 999.000. V₁ sweep 0–3,5 V in 0,05 V Schritten.

Netlist:

Inverting opamp
v1 2 0 dc
e 3 0 0 1 999k
r1 3 1 3.29k
r2 1 2 1.18k
.dc v1 0 3.5 0.05
.print dc v(3,0)
.end

Beispiel: Nicht-invertierender Op-Amp

SPICE-Macke: e-Quelle lastet V₁ nicht → SPICE sieht V₁ als offen → Verweigerung. Fix: rbogus parallel zu V₁ als DC-Last (10 kΩ). Kein Sweep für einfache Ausgabe.

Netlist:

noninverting opamp
v1 2 0 dc 5
rbogus 2 0 10k
e 3 0 2 1 999k
r1 3 1 20k
r2 1 0 10k
.end

Output:

node voltage node voltage node voltage
( 1) 5.0000 ( 2) 5.0000 ( 3) 15.0000

Beispiel: Messverstärker (Instrumentation Amplifier)

Sehr hochohmige rbogus1/2 (9e12 Ω) an jedem Eingang, damit SPICE V₁/V₂ nicht als offen sieht.

Netlist:

Instrumentation amplifier
v1 1 0
rbogus1 1 0 9e12
v2 4 0 dc 5
rbogus2 4 0 9e12
e1 3 0 1 2 999k
e2 6 0 4 5 999k
e3 9 0 8 7 999k
rload 9 0 10k
r1 2 3 10k
rgain 2 5 10k
r2 5 6 10k
r3 3 7 10k
r4 7 9 10k
r5 6 8 10k
r6 8 0 10k
.dc v1 0 10 1
.print dc v(9) v(3,6)
.end

Beispiel: Op-Amp-Integrator mit Sinus-Eingang

Netlist:

Integrator with sinewave input
vin 1 0 sin (0 15 60 0 0)
r1 1 2 10k
c1 2 3 150u ic=0
e 3 0 0 2 999k
.tran 1m 30m uic
.plot tran v(1,0) v(3,0)
.end

Beispiel: Op-Amp-Integrator mit Rechteck-Eingang

Netlist:

Integrator with squarewave input
vin 1 0 pulse (-1 1 0 0 0 10m 20m)
r1 1 2 1k
c1 2 3 150u ic=0
e 3 0 0 2 999k
.tran 1m 50m uic
.plot tran v(1,0) v(3,0)
.end