Überblick über die SPICE-Simulation

Die Serie von National Instruments über die Grundlagen der SPICE-Simulation ist Ihre kostenlose Online-Informationsquelle für die Schaltungssimulation. Sie umfasst Tutorien sowie Informationen über die SPICE-Simulation, SPICE-Modellierung und weitere Konzepte in der Schaltungssimulation.

Weitere Informationen stehen auf der Hauptseite zu den Grundlagen der SPICE-Simulation zur Verfügung.
In mehreren detaillierten Fachartikeln erhalten Sie Informationen und Anleitungen zu wichtigen Konzepten und Eigenschaften der Simulation mit SPICE.

Die Schaltungssimulation ist ein wichtiger Bestandteil jedes Designprozesses. Mit ihrer Hilfe können Fehler schon zu einem frühen Zeitpunkt gefunden werden, bevor Prototypen mit viel Kosten- und Zeitaufwand erstellt werden. Zudem können Bauteile einfach ausgetauscht werden, um Entwürfe mit verschiedenen Stücklisten zu evaluieren.

Bei SPICE handelt es sich um ein Computersimulations- und -modellierungsprogramm, mit dem Anwender das Verhalten elektronischer Schaltkreise mathematisch vorhersagen. SPICE wurde an der University of Californa, Berkeley, entwickelt und eignet sich für die Simulation von Schaltkreisen nahezu jeder Komplexität. In der Praxis wird SPICE meist eingesetzt, um das Verhalten von Schaltkreisen mit niedrigen bis mittleren Frequenzen (DC bis etwa 100 MHz) vorherzusagen.

SPICE bietet die Möglichkeit, Komponenten von ganz einfachen passiven Elementen wie Widerständen und Kondensatoren bis hin zu anspruchsvollen Halbleitergeräten wie MESFETs und MOSFETs zu simulieren. Mit diesen intrinsischen Komponenten als grundlegende Bausteine für größere Modelle konnten Designer und Chiphersteller sehr viele und vielfältige SPICE-Modelle definieren. Die meisten kommerziell erhältlichen Simulatoren umfassen mehr als 15000 Komponenten.

Die Qualität von SPICE-Modellen kann variieren und nicht alle SPICE-Modelle eignen sich für jede Anwendung. Diese Tatsache muss in Betracht gezogen werden, wenn die Modelle zum Einsatz kommen, die in einem SPICE-Simulationspaket mitgeliefert werden. Die unsachgemäße Verwendung eines SPICE-Modells kann zu ungenauen Ergebnissen führen und unter Umständen sogar Fehler hervorrufen. Einer der häufigsten Fehler, den sogar erfahrene Anwender begehen können, ist die Verwechslung eines SPICE-Modells mit einem PSPICE-Modell. PSPICE ist ein kommerziell verfügbares Programm, das proprietäre Sprachen für die Definition von Komponenten und Modellen nutzt.

Ein Schaltkreis muss SPICE in Form einer Netzliste präsentiert werden. Die Netzliste ist eine Textbeschreibung aller Schaltelemente wie Transistoren und Kondensatoren und der entsprechenden Verbindungen. Moderne Schaltungserfassungs- und Simulationswerkzeuge, wie z. B. NI Multisim, erlauben Anwendern, Schaltpläne in einer bedienfreundlichen Umgebung zu erstellen und die resultierenden Diagramme automatisch in Netzlisten zu übersetzen. Ein Beispiel dafür ist etwa ein einfacher Schaltkreis eines Spannungsteilers. Im Folgenden sind Netzliste und Schaltplan aufgeführt.

Netzliste eines Spannungsteilers

* Text nach dem Sternchen '*' wird von SPICE ignoriert.

* Spannungsteiler

vV1 1 0 12

rR1 1 2 1000

rR2 2 0 2000

.OP * führt eine DC-Arbeitspunktanalyse aus.

.END

Schaltplan eines Spannungsteilers

Zwar können die in einer SPICE-Simulation verwendeten SPICE-Modelle die Genauigkeit der Ergebnisse erheblich beeinflussen, jedoch tragen auch die Simulationseinstellungen zu Schwankungen in der Genauigkeit bei. SPICE-Simulationsoptionen ermöglichen Anwendern meist, auf Kosten der Geschwindigkeit der Simulation eine höhere Genauigkeit zu erzielen.

Um zu verstehen, warum man in SPICE-Simulationen einen Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Genauigkeit eingehen muss, sollten ein paar Faktoren bedacht werden. Die SPICE-Simulation gibt es seit über 30 Jahren. Zu dieser Zeit erbrachte ein Computer weniger Leistung als heutzutage ein durchschnittlicher Mikrowellenherd. Rechenleistung war damals sehr teuer. Die Simulation eines Schaltkreises mit der höchstmöglichen Genauigkeit hätte länger gedauert und mehr gekostet als die Erstellung des tatsächlichen Schaltkreises. Der eigentliche Zweck der Schaltungssimulation besteht darin, grundlegende Berechnungen zu interpretieren und das allgemeine Schaltungsverhalten vorherzusagen. Unter diesen Vorgaben entwickelten die Erfinder von SPICE ein Programm, das einigermaßen genaue Ergebnisse auf kostengünstige Art und Weise lieferte. Sie integrierten auch viele Optionen, mit denen Anwender die Genauigkeit einer Simulation anpassen konnten.

Mit der seitdem exponenziell gestiegenen Rechenleistung hat sich auch die Komplexität der simulierten Schaltungsdesigns erhöht. Geschwindigkeit und Genauigkeit sind allerdings nach wie vor wichtige Faktoren bei der Simulation von Schaltkreisen.

Die SPICE-Simulation für sich allein kann als Befehlszeile oder textbasiertes Simulationswerkzeug genutzt werden. Um jedoch große und komplexe Designs zu verwalten, die sich von der Simulation über das Leiterplattenlayout und Routing ausdehnen, wurden mehrere kommerziell erhältliche Softwarewerkzeuge um SPICE und XSPICE entwickelt, wie etwa NI Multisim. Integriert in Multisim ist eine grafische Benutzeroberfläche für die schnelle und effiziente Schaltungserfassung und die interaktive Simulation.

Mehr über die SPICE-Simulation erfahren Sie auf der Hauptseite zu den Grundlagen der SPICE-Simulation.