Hvad er SPICE i elektronik?

SPICE står for Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis og er industristandarden til at teste og verificere elektroniske kredsløb ved hjælp af numerisk matematisk analyse.

Hvilke typer analyser kan man lave i SPICE?

SPICE understøtter flere analyse-typer, herunder DC-arbejdspunkt (.OP), DC-sweep (.DC), tidsdomæne/transient-analyse (.TRAN), frekvensanalyse (.AC) samt støjanalyse og Monte Carlo.

SPICE Simulator Guide | Teknisk dokumentation og historie

Hvad er SPICE?

SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) er et grundlæggende værktøj til at teste elektroniske kredsløb på computeren. Det analyserer spænding, strøm og frekvens ved at løse matematiske ligninger for komponenterne. SPICE kan simulere alt fra simple modstande til komplekse integrerede kredsløb med tusindvis af transistorer.

Programmet blev oprindeligt udviklet til mainframe-computere, men findes i dag i utallige varianter til både Windows, Linux og Mac. SPICE er industristandarden for kredsløbssimulation og bruges af elektronikingeniører over hele verden til at verificere design før dyre prototyper fremstilles.

Kernen i SPICE er "Modified Nodal Analysis" (MNA) - en matematisk metode til at opstille og løse de matrix-ligninger der beskriver kredsløbet. SPICE løser ikke ligningerne symbolsk, men numerisk ved hjælp af iterative metoder som Newton-Raphson.

Historien bag SPICE

CANCER (1969)

Startede som et studenterprojekt under Professor Ron Rohrer på University of California, Berkeley. Navnet var en provokation mod militær-finansierede simulatorer. CANCER var den første kredsløbssimulator der brugte "Sparse Matrix"-metoden til at løse de komplekse ligninger effektivt. Programmet kunne simulere både ikke-lineære DC og transient (tidsdomæne) problemer.

SPICE1 (1972)

Laurence Nagel omskrev CANCER og frigav det som "Public Domain" under navnet SPICE. Dette var en revolutionerende beslutning, da det sikrede teknisk fremgang gennem fri deling. Alle kunne bruge, modificere og forbedre koden. SPICE1 brugte stadig FORTRAN og havde begrænsede modeller for aktive komponenter. Det introducerede dog den første implementering af Gummel-Poon transistor-modellen.

SPICE2 (1975)

Introducerede "Modified Nodal Analysis" (MNA) som er den matematiske metode stadig bruges i dag. Forbedrede transistor-modeller betydeligt og tilføjede AC analyse (small-signal frekvensdomæne). Version 2g.6 fra 1983 er stadig grundlaget for mange moderne simulatorer og betragtes som den mest stabile og gennemtestede version nogensinde. SPICE2 kunne håndtere større kredsløb og havde bedre konvergens-algoritmer.

SPICE3 (1985)

Komplet omskrivning fra FORTRAN til C, hvilket gjorde programmet lettere at vedligeholde og udvide. Tilføjede grafisk brugerflade (X Window System) og interaktive kommandoer. Desværre led SPICE3 af stabilitetsproblemer i de tidlige versioner, hvilket gjorde at mange forblev ved SPICE2g.6. Senere versioner (3c1, 3d1, 3e2, 3f4, 3f5) forbedrede stabiliteten betydeligt.

Hvorfor bruge SPICE?

Økonomi: Undgå dyre fejl ved at teste kredsløb før produktion. En fejl fundet i simulationen koster næsten ingenting sammenlignet med en fejl i silicium.
Tid: Hurtigere end at bygge fysiske prototyper. Komplekse IC-design kan simuleres på timer frem for uger.
Præcision: Kan måle strømme og spændinger der er umulige at måle fysisk (f.eks. inde i en IC).
Parametrisk analyse: Test hvordan komponent-tolerancer påvirker kredsløbet (Monte Carlo analyse).
Frekvensanalyse: Se bode-plots og fasekarakteristikker uden signalgenerator og oscilloskop.
Støjanalyse: Beregn termisk støj, flicker støj og støjtal før hardware bygges.
Temperatur-analyse: Simuler kredsløbet ved -40°C til +125°C for at sikre drift over hele temperaturområdet.
Optimering: Automatisk justering af komponentværdier for at opnå ønskede specifikationer.

Matematisk baggrund

SPICE bruger Modified Nodal Analysis (MNA) til at formulere kredsløbsligningerne. For et kredsløb med N noder opstilles der N ligninger baseret på Kirchhoffs Current Law (KCL). Matrix-formen er:

Y × V = I

Hvor Y er admittance-matricen, V er node-spændingsvektoren, og I er strømkilde-vektoren. For ikke-lineære komponenter (dioder, transistorer) bruges Newton-Raphson iteration til at linearisere karakteristikkerne omkring det aktuelle arbejdspunkt.

For transient analyse bruges numerisk integration (trapezoidal eller Gear metoder) til at beregne kondensatorers og spolers reaktans som funktion af tid.

Netlisten & Anatomi

Et kredsløb beskrives i en Netliste (tekstfil). Hver linje definerer en komponent og dens forbindelser (nodes). SPICE læser filen linje for linje og bygger en intern matematisk model af kredsløbet.

Grundlæggende regler:

Første linje: Altid en titel eller kommentar. Denne linje ignoreres af simulatoreren men vises i output. Dette er en arv fra punch-card tiden hvor første linje var til identifikation.
Node 0: Er altid reserveret til stel (Ground). Alle spændinger måles i forhold til node 0. Node 0 er reference-punktet for hele kredsløbet.
Syntaks: [Navn] [Node+] [Node-] [Værdi/Parametre]
Kommentarer: Linjer der starter med * eller ; betragtes som kommentarer. * skal stå i første kolonne i nogle gamle versioner.
Fortsættelseslinjer: Hvis en linje slutter med +, fortsættes på næste linje. Nyttigt til lange .MODEL definitioner.
Case-følsomhed: SPICE er som regel case-insensitive (R1 og r1 er det samme), undtagen i nogle moderne varianter.
Rækkefølge: Komponenter kan defineres i vilkårlig rækkefølge, men det er god praksis at starte med forsyninger og ende med .END.

Bogstavkoder for komponenter:

R - Resistor (Modstand)

C - Capacitor (Kondensator)

L - Inductor (Spole)

V - Voltage source (Spændingskilde)

I - Current source (Strømkilde)

D - Diode

Q - BJT Transistor (Bipolar Junction Transistor)

M - MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor FET)

J - JFET (Junction FET)

X - Subcircuit (Underkredsløb)

E - Voltage-controlled voltage source (VCVS)

G - Voltage-controlled current source (VCCS)

F - Current-controlled current source (CCCS)

H - Current-controlled voltage source (CCVS)

T - Transmission line ( transmissionsledning)

K - Mutual inductance (Kobling mellem spoler)

B - Behavioral source (Matematisk defineret kilde)

O - Lossy transmission line

U - Uniform distributed RC line

W - Current-controlled switch

S - Voltage-controlled switch

Z - MESFET (Metal-Semiconductor FET)

Kilde-funktioner (Waveforms):

Type	Beskrivelse	Eksempel
DC	Konstant DC værdi	DC 5V
AC	AC amplitude til AC analyse	AC 1V
SIN	Sinus-bølge (offset, amplitude, freq, delay, damping)	SIN(0 1V 1kHz)
PULSE	Pulser (initial, pulsed, delay, rise, fall, on, period)	PULSE(0 5V 0 1n 1n 10u 20u)
PWL	Piece-Wise Linear (t1 v1 t2 v2 ...)	PWL(0 0 1u 5V 2u 0)
EXP	Eksponentiel (v1 v2 td1 tau1 td2 tau2)	EXP(0 5V 1u 10u)
SFFM	Single Frequency FM (offset, amplitude, fc, mdi, fs)	SFFM(0 1V 100kHz 5 10kHz)

Eksempel på simpel netliste:

* Spændingsdeler kredsløb - Grundlæggende eksempel
* Dette er en kommentar der beskriver kredsløbet
VIN 1 0 DC 12V
R1 1 2 10K
R2 2 0 10K
* Beregner spændingen ved node 2 for forskellige input-spændinger
.DC VIN 0 12 0.1
.PRINT DC V(2) I(VIN)
.END

Dette definerer en spændingsdeler med to 10kΩ modstande og en 12V kilde. DC analysen varierer input fra 0 til 12V i 0.1V trin og printer spændingen ved node 2 samt strømmen fra kilden.

Analyse-metoder

SPICE kan udføre flere forskellige typer analyser på det samme kredsløb. Hver analyse giver forskellig indsigt i kredsløbets opførsel. Analyse-kommandoerne placeres i netlisten før .END.

DC Analyse (.DC)

Beregner kredsløbets hvilepunkt (DC operating point) og overføringskarakteristikker. Bruges til at finde arbejdspunktet for transistorer og se hvordan output varierer med input.

.DC VIN 0 5 0.1

Varierer VIN fra 0 til 5V i 0.1V trin

Transient (.TRAN)

Tidsdomæne-analyse. Viser hvordan kredsløbet opfører sig over tid - som et virtuelt oscilloskop. Essentiel for switch-mode kredsløb og tidsafhængige fænomener.

.TRAN 1u 10m

Tidsstep på 1µs, total tid 10ms

AC Analyse (.AC)

Frekvensrespons-analyse. Beregner forstærkning og fase som funktion af frekvens. Essentielt for filtre, forstærkere og feedback-systemer.

.AC DEC 20 1 100K

20 punkter/dekade, 1Hz til 100kHz

Detaljeret oversigt over analyse-kommandoer:

Kommando	Beskrivelse	Typisk brug	Output
.OP	Operating Point - finder DC arbejdspunkt	Beregn hvilestrømme og -spændinger	Node-spændinger, strømme, effekt
.DC	DC sweep - varierer en kilde eller parameter	Overføringskarakteristikker, curve tracing	Spænding/strøm vs. swept variabel
.TRAN	Transient analyse - tidssimulering	Tidsrespons, switching, oscillationer	Waveforms over tid
.AC	AC analyse - frekvensdomæne (small-signal)	Bode plot, impedans, filterkarakteristik	Magnitude (dB) og fase (grader)
.TF	Transfer Function - small signal DC	Forstærkning, input/output impedans	Transfer function, impedanser
.NOISE	Støjanalyse - termisk og skydstøj	Termisk støj, støjtal, støjbidrag	Støjspektrum (V/√Hz)
.SENS	Sensitivitetsanalyse	Hvilke komponenter påvirker output mest	Følsomheds-koefficienter
.PZ	Pole-Zero analyse	Stabilitet, poler og nulpunkter	Poler og nulpunkter i s-plan
.DISTO	Distortionsanalyse (harmonisk)	Harmonisk forvrængning (HD2, HD3)	THD, harmoniske komponenter
.TEMP	Temperatur-sweep	Analyse ved forskellige temperaturer	Parametre vs. temperatur
.STEP	Parametrisk analyse	Varier komponentværdier	Flere kurver på samme plot
.MC	Monte Carlo analyse (PSpice)	Statistisk analyse af tolerancer	Fordeling af output
.WCASE	Worst-case analyse (PSpice)	Ekstreme værdier inden for tolerance	Worst-case output

Bemærk om .AC analyse:

AC analysen er en small-signal lineær analyse omkring DC arbejdspunktet. Den injicerer ikke en fysisk AC kilde, men beregner kredsløbets respons ved forskellige frekvenser baseret på small-signal modeller. Derfor skal du stadig definere dine AC kilder med AC amplitude (f.eks. VAC 1 0 AC 1V).

Før AC analysen udføres, beregnes automatisk et DC operating point (.OP) for at finde lineariseringspunktet for ikke-lineære komponenter.

Bemærk om .TRAN analyse:

Transient analyse starter altid fra t=0. Hvis du vil starte fra et steady-state punkt, kan du bruge UIC (Use Initial Conditions) eller først køre en .OP analyse. Tidssteppet skal vælges mindst 10x mindre end den hurtigste tidskonstant i kredsløbet for nøjagtige resultater.

Dot-Commands (Styringskommandoer)

Kommandoer der starter med et punktum styrer simuleringen og definerer modeller. De placeres typisk efter kredsløbsbeskrivelsen og før .END.

Fælles Kommandoer (alle simulatorer):

.MODEL

Definerer parametre for halvledere (dioder, transistorer, switch)

.SUBCKT /.ENDS

Definerer et underkredsløb der kan genbruges (.ENDS markerer slut)

.INCLUDE

Indlæser en ekstern fil (f.eks. model-bibliotek, subcircuits)

.LIB

Inkluderer et bibliotek med flere modeller

.PARAM

Definerer parametre der kan bruges i beregninger og .STEP

.STEP

Parametrisk analyse - varierer en parameter over en række værdier

.PRINT

Specificerer hvad der skal skrives til output-fil (tekst)

.PLOT

Laver ASCII-graf i output-filen (gammel funktion)

.PROBE

Gemmer data til grafisk post-processing (PSpice/LTspice)

.OPTIONS

Indstiller simulator-indstillinger (GMIN, RELTOL, ITL1, etc.)

.NODESET

Giver start-gæt for node-spændinger (hjælper konvergens)

.IC

Initial Conditions - sætter startværdier for transient

.WIDTH

Sætter bredden på output-listing

.FOUR

Fourier analyse - beregner harmoniske komponenter

.SAVE

Specificerer hvilke variable der skal gemmes

.END

Markerer slutningen på netlisten (påkrævet)

Simulator-specifikke kommandoer:

PSpice Specifikt

Kommando	Beskrivelse
.MC	Monte Carlo analyse (tolerancer)
.WCASE	Worst-case analyse
.DISTRIBUTION	Definerer tolerance-fordeling
.OPTIONS	Avancerede indstillinger (ABSTOL, RELTOL, etc.)
.TEXT	Tekst-kommentar i schematic
.WATCH	Overvåger variable under simulation
.STIMLIB	Digital stimulus bibliotek

LTspice Specifikt

Kommando	Beskrivelse
.MEAS/.MEASURE	Målinger på simuleringsdata (rise time, etc.)
.BACKANNO	Back-annotation til schematic
.FUNC	Brugerdefinerede matematiske funktioner
.WAVE	Gemmer som WAV-fil (lyd)
.BIASCHK	Tjekker bias-punkter
.SAVEBIAS	Gemmer bias-punkt til genbrug
.LOADBIAS	Indlæser tidligere gemt bias

ngspice Specifikt

Kommando	Beskrivelse
.CONTROL	Start af kontrol-blok (scripting)
.ENDC	Slut på kontrol-blok
.SET	Sætter variable og options
.SHOW	Viser device information
.ALTER	Ændrer kredsløb efter første kørsel
.PREPROCESS	Preprocesser direktiver
.SP	S-parameter analyse

Multisim Specifikt

Kommando	Beskrivelse
.NS	Noise simulation indstillinger
.DF	Distortion analysis
.RV	Return voltage (speciel funktion)
.BATCH	Batch simulation kontrol
.GRAPH	Graf-indstillinger
.INSTRUMENT	Definerer virtuelle instrumenter

Eksempel på .MODEL:

.MODEL D1N4148 D(IS=2.52n RS=0.568 N=1.752 
+ CJO=4p M=0.4 TT=20n BV=100 IBV=100u)

Dette definerer en diode-model med specifikke parametre: IS (saturation current), RS (series resistance), N (ideality factor), CJO (junction capacitance), M (grading coefficient), TT (transit time), BV (breakdown voltage), og IBV (breakdown current).

Eksempel på .SUBCKT:

.SUBCKT OPAMP IN+ IN- OUT VCC VEE
* Input stage
Q1 N001 IN+ N002 NPN
Q2 N003 IN- N002 NPN
* Current mirror
Q3 N001 N001 VCC PNP
Q4 N003 N001 VCC PNP
* Output stage
Q5 OUT N003 VCC PNP
Q6 OUT N004 VEE NPN
Q7 N004 N004 VEE NPN
* Current sources
I1 N002 VEE 100u
I2 N004 VEE 50u
.ENDS OPAMP

Dialekter & Kryptering

Den største barriere for simulation i praksis er kryptering af model-biblioteker. Mange halvleder-producenter (Texas Instruments, Analog Devices, Infineon, STMicroelectronics, etc.) udgiver SPICE-modeller, der kun kan læses af deres egen eller specifikke kommercielle simulatorer.

Dette betyder at en model downloadet fra TI's hjemmeside måske kun virker i TINA-TI eller PSpice, men ikke i LTspice eller ngspice. Krypterede modeller indeholder binær data eller specielle koder som kun bestemte programmer kan dekryptere. Krypteringen sker for at beskytte den intellektuelle ejendom bag de avancerede transistor-modeller.

Syntaks-forskelle mellem dialekter:

Funktion	Standard SPICE	PSpice	LTspice	ngspice
Mega (10⁶)	MEG	MEG	MEG (eller meg)	MEG
Mikro (10⁻⁶)	U	U	U eller µ	U
Matematik	V(1)*V(2)	{V(1)*V(2)}	V(1)*V(2)	V(1)*V(2)
Kommentar	*	* eller ;	* eller ;	* eller ;
Fortsættelseslinje	+ i start	+ i start	+ i slutning	+ i start
Parametre	.PARAM	.PARAM	.PARAM	.PARAM
Funktioner	-	.FUNC	.FUNC	.FUNC

ngspice kompatibilitet:

ngspice kan sættes til at forstå LTspice/PSpice syntaks med kommandoen:

set ngbehavior=ltpsa

Dette gør det nemmere at importere netlister fra andre simulatorer. Placer kommandoen i spice.rc filen eller kør den før simulering. Alternativt kan du bruge set ngbehavior=ps for PSpice kompatibilitet.

Håndtering af krypterede modeller:

Led efter "behavioral models" eller "encrypted" i model-beskrivelsen - disse er oftest låst
Prøv at finde ækvivalente modeller fra andre kilder (f.eks. standardmodeller)
Opret selv en simpel model baseret på datablad (værdier fra datasheet)
Brug generic modeller (f.eks. standard NMOS/PMOS i stedet for specifik chip)
Kontakt producenten for en ikke-krypteret version (sjældent succesfuldt)
Brug SPICE Model Editor til at ekstrahere parametre hvis muligt

Oversættelse mellem simulatorer:

Når du konverterer netlister mellem simulatorer, vær opmærksom på:

Math expressions: PSpice bruger { } om udtryk, mens LTspice og ngspice ikke gør
Device models: Nogle modeller findes kun i specifikke biblioteker
Global nodes: Måden at definere globale noder (f.eks. VCC) varierer
Digital komponenter: XSPICE (ngspice) og PSpice digital har forskellig syntaks
Initial conditions: .IC og .NODESET kan have forskellig effekt

Enheder & Suffix

SPICE bruger standard SI-enheder og tillader præfiks-suffix for at angive størrelsesordner. Dette er essentielt for at skrive læsbare netlister. Enhederne er valgfrie - SPICE kan regne ud hvad der menes baseret på kontekst, men det er god praksis at inkludere dem.

Standard enheder:

Volt

Spænding (V)

V, MV, KV, UV, MV

Ampere

Strøm (A)

A, MA, UA, NA, PA

Ohm

Modstand (Ω)

OHM (valgfrit)

Farad

Kapacitet (F)

F, UF, NF, PF, FF

Henry

Induktans (H)

H, MH, UH, NH

Hertz

Frekvens (Hz)

HZ, KHZ, MEGHZ

Sekund

Tid (s)

S, MS, US, NS, PS

Watt

Effekt (W)

W, MW, UW

Numeriske suffix (præfiks):

Suffix	Navn	Faktor	Eksempel	Bemærkning
F	femto	10⁻¹⁵	10F = 10e-15	Meget sjældent brugt
P	pico	10⁻¹²	10P = 10pF	Små kondensatorer
N	nano	10⁻⁹	10N = 10nF	Keramiske kondensatorer
U	mikro	10⁻⁶	10U = 10µF	LTspice accepterer også µ
M	milli	10⁻³	10M = 10mA	IKKE mega!
K	kilo	10³	10K = 10kΩ	Modstande
MEG	mega	10⁶	10MEG = 10MΩ	VIGTIG: Brug MEG, ikke M
G	giga	10⁹	10G = 10GHz	Høje frekvenser
T	tera	10¹²	10T = 10e12	Meget sjældent brugt

⚠️ VIGTIGT: M vs MEG

I SPICE betyder M altid milli (10⁻³), aldrig mega! Dette er en af de mest almindelige fejl.

Eksempel på fejl: R1 1 0 1M betyder 1 milliohm, ikke 1 megaohm! Dette vil skabe en næsten kortslutning.

Korrekt: R1 1 0 1MEG eller R1 1 0 1000000

Temperatur-enheder:

SPICE bruger som standard Celsius for input, men interne beregninger bruger Kelvin. Nogle simulatorer accepterer også 'C' suffix (f.eks. 25C), men standard er at angive temperatur med .TEMP kommandoen uden enhed.

.TEMP 25 50 100 ; Simuler ved 25°C, 50°C og 100°C

Vinkelenheder:

I AC analyse angives fase i grader (°). I nogle matematiske funktioner kan radianer være nødvendige, men SPICE output er altid i grader for fase.

Hvad er SPICE?

Historien bag SPICE

CANCER (1969)

SPICE1 (1972)

SPICE2 (1975)

SPICE3 (1985)

Hvorfor bruge SPICE?

Matematisk baggrund

SPICE-familien i dag

ngspice

NI Multisim

PSpice (Cadence)

LTspice

HSPICE (Synopsys)

TINA-TI (Texas Instruments)

Vigtig bemærkning om kompatibilitet

Netlisten & Anatomi

Grundlæggende regler:

Bogstavkoder for komponenter:

Kilde-funktioner (Waveforms):

Eksempel på simpel netliste:

Analyse-metoder

DC Analyse (.DC)

Transient (.TRAN)

AC Analyse (.AC)

Detaljeret oversigt over analyse-kommandoer:

Bemærk om .AC analyse:

Bemærk om .TRAN analyse:

Dot-Commands (Styringskommandoer)

Fælles Kommandoer (alle simulatorer):

Simulator-specifikke kommandoer:

PSpice Specifikt

LTspice Specifikt

ngspice Specifikt

Multisim Specifikt

Eksempel på .MODEL:

Eksempel på .SUBCKT:

Dialekter & Kryptering

Syntaks-forskelle mellem dialekter:

ngspice kompatibilitet:

Håndtering af krypterede modeller:

Oversættelse mellem simulatorer:

Enheder & Suffix

Standard enheder:

Numeriske suffix (præfiks):

⚠️ VIGTIGT: M vs MEG

Temperatur-enheder:

Vinkelenheder:

Manualer og Dokumentation

ngspice

LTspice

PSpice (OrCAD)

Multisim

Yderligere Ressourcer:

Tip til brug af manualer:

Find SPICE-modeller – Ressourcer og søgetips

Avanceret: kun officielle modeller (site-søgning)

Tip (hurtigere fund)

✅ LTspice – hvor finder man modeller (verificerede links)

✅ PSpice – hvor finder man modeller (verificerede links)

✅ Ngspice – hvor finder man modeller (verificerede links)

✅ Praktisk tommelfingerregel

SPICE Netliste Eksempler

1. Common Emitter Forstærker

2. RC Lavepas Filter

3. Brokoblet modstande (Wheatstone)

4. Differential Forstærker

5. Parametrisk Sweep

6. Subcircuit (Underkredsløb)

7. Diode Karakteristik

8. MOSFET Inverter

Tips til fejlfinding:

Konvergenshjælp:

Matematiske teknikker i SPICE-simulatorer

1. Differentialligninger

2. Numerisk integration

3. Matricer & Lineære ligningssystemer

4. Ikke-lineære ligninger & Newton-Raphson

5. Modified Nodal Analysis (MNA)

Andre vigtige koncepter