SPICE编程与仿真学习笔记：从网表到瞬态分析

这篇文章主要整理我在学习 SPICE 仿真过程中的基础知识，包括网表写法、器件模型、常见分析命令以及波形结果的理解。前半部分是对 SPICE 语法和仿真思路的学习记录，后半部分再用一个 CMOS反相器瞬态仿真实验做简单验证，目的是把理论理解和实际操作对应起来。

一.电路分析(电流镜为负载的共源放大器)：

1.基本电流镜

电流镜的基本思想是复制参考电流。参考管采用二极管连接，由参考电流建立栅源电压。由于两管工艺参数和栅源电压相同，相除可得 `IOUT / IREF = (W/L)2 / (W/L)1`。因此，器件尺寸之比等于工作电流与参考电流之比；若两管对称，则 `IOUT = IREF`。电流镜常用于给后续支路提供稳定的偏置电流标准。

2.电路结构

网表核心部分是：

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M1 2 1 0 0 MOSN w=5u l=1.0u
M2 2 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0u
M3 3 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0u
R1 3 0 100K
Vdd 4 0 DC 5.0

二.程序一：DC 分析

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Vin 1 0 DC 5.0

.op
.dc vin 0 5 0.1
.plot dc V(2)
.probe
该 DC 程序用于得到放大器的直流传输特性。由于 M1 为共源放大管、M2 为 PMOS 有源负载，因此电路表现为反相特性：输入电压增大时，M1 导通增强，输出电压从高电平逐渐下降到低电平。

三.程序二：AC 分析

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CL 2 0 5p
Vin 1 0 DC 1.07 AC 1.0

.op
.ac DEC 20 100 100MEG
.plot ac VDB(2) VP(2)
.probe

AC 分析是在直流工作点附近进行的小信号频率响应分析。通过设置输入源的 DC 偏置与 AC 小信号幅值，并用 .ac 命令扫频，可以得到输出增益和相位随频率变化的曲线。低频增益较大，高频由于电容效应增益下降。

说明：

1.Vin 1 0 DC 1.07 sine(2v 2v 100KHz)

（1）.这个"1V"不是说真实电路真的在 1.07V 附近上下摆 1V 还保持线性，而是说在线性化后的"小信号模型"里，把输入信号幅值规定成 1，方便直接读增益。

SPICE 做了两件事：

第一步：求静态工作点

先用 DC 1.07 求出：每个 MOS 的 𝐼𝐷，每个 MOS 的 𝑉𝐺𝑆，电路各节点静态电压

第二步：在该工作点建立"小信号等效模型"

比如对 MOS 管，SPICE 会把它换成：跨导源：𝑔𝑚，𝑣𝑔𝑠，输出电阻：𝑟𝑜，小信号结电容、寄生电容（如果模型里考虑）这时整个电路变成一个线性电路。所以 .ac 分析的本质不是在原非线性曲线上跑大信号，而是：在工作点对应的小信号等效电路上做频域分析。

（2）.小信号等效模型，像模电里的三极管等效电路，随便找个图：

（3）.ac 理解：求导后再算频响，像电路里的非线性电阻小信号法，。

2.ac DEC 20 100 100MEG

（1）DEC，对数坐标

如果用线性扫频：100Hz 到 100MHz，低频部分会全挤在左边，根本看不清截止频率附近的变化规律，而对数扫频有两个好处：

好处1：宽频范围好画

100Hz~100MHz 跨很多数量级，对数坐标最自然。

好处2：波特图规律清楚

（2）DEC

3..plot ac VDB(2) VP(2)

（1）AC 1.0 ------则直接把输出看成频率响应。

（2）AC analysis ------H(jω)

（3）AC本质------一阶低通反相放大器

四.程序三：TRAN 瞬态分析

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Vin 1 0 DC 1.07 sine(2v 2v 100KHz)

.op
.tran .1u 10u
.plot tran V(2) V(1)
.probe

TRAN 分析用于观察电路的时域响应。通过给输入端施加正弦信号，并使用 .tran 命令设定仿真时间范围，可以同时观察输入与输出波形。由于该电路是反相结构，并且输入摆幅较大，输出会出现明显非线性甚至近似翻转的现象。

五.实验-用 Tanner 做一个 CMOS 反相器的瞬态验证

实验软件是 Tanner 里的 S-Edit + T-Spice，它就是 SPICE 体系在集成电路设计里的具体工具。

S-Edit 是画电路图的工具。你在里面把晶体管、电阻、电源、输入源摆出来，再给它连线、标节点。
T-Spice 是真正做仿真计算的引擎。它会读 S-Edit 导出的网表，然后根据网表和模型库计算输出。
和 SPICE 是什么关系

SPICE 是一类电路仿真方法/语言/思想；T-Spice 是这类方法的一个具体实现。你可以直接理解成：

SPICE = 规则和语言
T-Spice = 按这套规则跑计算的程序

4.S-Edit 是画电路和导网表的前端，T-Spice 是执行 SPICE 仿真的引擎。实验课就是利用这套工具，把电路图转换成网表，再通过仿真验证它的时域或频域行为。

画电路：

导出 SPICE 网表：

打开 T-Spice-加仿真命令-1. 加 VDD 电源（恒定电压）-2. 加 IN 输入脉冲-3. 加瞬态仿真命令-4. 加输出打印：

生成命令代码：

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* SPICE netlist written by S-Edit Win32 7.03
* Written on May 29, 2026 at 13:46:19

* Waveform probing commands
.probe
.options probefilename="D:\TannerWork\inv\inv.dat"
+ probesdbfile="D:\TannerWork\inv\inv.sdb"
+ probetopmodule="Module0"
.include "D:\Tanner\TSpice70\models\ml2_125.md"
vvdd Vdd Gnd 5
Vin IN Gnd PULSE (0 5 5n 1n 1n 50n 100n)
.tran/op 10n 200n method=bdf
.print tran v(IN) v(OUT)

* Main circuit: Module0
M1 OUT IN Gnd Gnd NMOS L=2u W=22u AD=66p PD=24u AS=66p PS=24u 
M2 OUT IN Vdd Vdd PMOS L=2u W=22u AD=66p PD=24u AS=66p PS=24u
* End of main circuit: Module0
.end

网表详解：

反相器仿真结果：

从仿真结果可以看出，输入信号翻转时，输出端能够实现明显的反相响应，说明 CMOS 反相器的基本逻辑功能正确。输出波形在边沿处存在一定延迟和过渡过程，这与 MOS 管导通/截止切换以及器件寄生参数有关，也说明实际电路并非理想开关模型。