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SPICE ( Programa de Simulación con Énfasis en Circuitos Integrados ) [ 1 ] [ 2 ] es un simulador de circuitos electrónicos analógicos de código abierto y de propósito general . ...

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SPICE ( Programa de Simulación con Énfasis en Circuitos Integrados ) [ 1 ] [ 2 ] es un simulador de circuitos electrónicos analógicos de código abierto y de propósito general . Es un programa utilizado en el diseño de circuitos integrados y placas para verificar la integridad de los diseños de circuitos y predecir su comportamiento.

Introducción

A diferencia de los diseños a nivel de placa, compuestos por componentes discretos, no es práctico realizar prototipos de circuitos integrados antes de su fabricación. Además, los elevados costes de las máscaras fotolitográficas y otros requisitos de fabricación hacen imprescindible diseñar el circuito para que sea lo más perfecto posible antes de su primera fabricación.

La simulación del circuito con SPICE es el método estándar de la industria para verificar el funcionamiento del circuito a nivel de transistor antes de fabricar un circuito integrado. Los simuladores SPICE ayudan a predecir el comportamiento del circuito integrado bajo diferentes condiciones de funcionamiento, como distintos niveles de voltaje y corriente, variaciones de temperatura y ruido. [ 3 ]

Los diseños de circuitos a nivel de placa a menudo se pueden probar en una placa de prototipos. Incluso con una placa de prototipos, algunas propiedades del circuito pueden no ser precisas en comparación con la placa de cableado impresa final, como las resistencias y capacitancias parásitas , cuyos efectos suelen estimarse con mayor precisión mediante simulación. Además, los diseñadores pueden necesitar más información sobre el circuito de la que proporciona un solo prototipo. Por ejemplo, el rendimiento del circuito se ve afectado por las tolerancias de fabricación de los componentes. En estos casos, es común usar SPICE para realizar simulaciones de Monte Carlo del efecto de las variaciones de los componentes en el rendimiento, una tarea que resulta poco práctica con cálculos manuales para un circuito de complejidad considerable.

Los programas de simulación de circuitos, entre los que SPICE y sus derivados son los más destacados, toman una lista de conexiones de texto que describe los elementos del circuito ( transistores , resistencias , condensadores , etc.) y sus conexiones, y traducen [ 4 ] esta descripción en ecuaciones que deben resolverse. Las ecuaciones generales resultantes son ecuaciones diferenciales algebraicas no lineales , que se resuelven mediante métodos de integración implícita , el método de Newton y técnicas de matrices dispersas .

Orígenes

SPICE fue desarrollado en el Laboratorio de Investigación Electrónica de la Universidad de California, Berkeley, por Laurence W. Nagel bajo la dirección de su asesor de investigación, el profesor Donald Pederson . SPICE1 es en gran medida un derivado del programa CANCER, [ 5 ] en el que Nagel había trabajado con el profesor Ronald A. Rohrer . CANCER es un acrónimo de "Análisis Computacional de Circuitos No Lineales, Excluyendo la Radiación". [ 6 ] En ese momento, muchos simuladores de circuitos se desarrollaban bajo contratos con el Departamento de Defensa de los Estados Unidos que requerían la capacidad de evaluar la resistencia a la radiación de un circuito. Cuando el asesor original de Nagel, el profesor Rohrer, dejó Berkeley, el profesor Pederson se convirtió en su asesor. Pederson insistió en que CANCER, un programa propietario, se reescribiera lo suficiente como para eliminar las restricciones y que el programa pudiera ser de dominio público . [ 7 ]

SPICE1 se presentó por primera vez en una conferencia en 1973. [ 1 ] SPICE1 está codificado en FORTRAN y para construir las ecuaciones del circuito utiliza análisis nodal , que tiene limitaciones en la representación de inductores, fuentes de voltaje flotantes y las diversas formas de fuentes controladas. [ 8 ] SPICE1 tiene relativamente pocos elementos de circuito disponibles y utiliza un análisis transitorio de paso de tiempo fijo . La verdadera popularidad de SPICE comenzó con SPICE2 en 1975. [ 2 ] SPICE2, también codificado en FORTRAN, es un programa mucho mejorado con más elementos de circuito, análisis transitorio de paso de tiempo variable utilizando ya sea el trapezoidal ( método de Adams-Moulton de segundo orden ) o el método de integración de Gear (también conocido como BDF ), formulación de ecuaciones a través de análisis nodal modificado (evitando las limitaciones del análisis nodal), [ 9 ] y un innovador sistema de asignación de memoria basado en FORTRAN. [ 10 ] Ellis Cohen dirigió el desarrollo desde la versión 2B hasta el estándar industrial SPICE 2G6, la última versión FORTRAN, publicada en 1983. [ 11 ] [ 12 ] SPICE3 fue desarrollado por Thomas Quarles (con A. Richard Newton como asesor) en 1989. Está escrito en C , utiliza la misma sintaxis de lista de conexiones y añade la representación gráfica del sistema X Window . [ 13 ]

Como uno de los primeros programas de software de dominio público con código fuente disponible, [ 14 ] SPICE fue ampliamente distribuido y utilizado. Su ubicuidad llegó a tal punto que "compilar un circuito con SPICE" sigue siendo sinónimo de simulación de circuitos. [ 15 ] El código fuente de SPICE fue distribuido desde el principio por UC Berkeley por un precio simbólico (para cubrir el costo de la cinta magnética). La licencia originalmente incluía restricciones de distribución para países que no se consideraban amigos de los EE. UU., pero actualmente el código fuente está cubierto por la licencia BSD .

El nacimiento de SPICE fue reconocido como un hito del IEEE en 2011; la entrada menciona que SPICE "evolucionó hasta convertirse en el simulador de circuitos integrados estándar a nivel mundial". [ 16 ] Nagel recibió el premio IEEE Donald O. Pederson de 2019 en circuitos de estado sólido por el desarrollo de SPICE. [ 17 ]

Sucesores

Sucesores de código abierto

No se han publicado versiones más recientes de Berkeley SPICE después de la versión 3f5 en 1993. [ 18 ] Desde entonces, las continuaciones de código abierto o académicas de SPICE incluyen:

No es descendiente, pero es compatible:

  • QUCS , que utiliza un backend Qucsator desarrollado de forma independiente pero entiende la entrada SPICE. La variante QUCS-S admite el uso de un backend derivado de SPICE. [ 24 ]
  • Xyce, trabajo independiente pero compatible de los Laboratorios Nacionales Sandia. C++ paralelo (MPI) para alto rendimiento y grandes listas de conexiones. [ 25 ]

Versiones comerciales y productos derivados

Berkeley SPICE inspiró y sirvió de base para muchos otros programas de simulación de circuitos, tanto en el ámbito académico como en la industria y en productos comerciales. La primera versión comercial de SPICE es ISPICE, [ 26 ] una versión interactiva en un servicio de tiempo compartido, National CSS . Las versiones comerciales más destacadas de SPICE incluyen HSPICE (comercializada originalmente por Ashawna y Kim Hailey de Meta Software, pero ahora propiedad de Synopsys ) y PSPICE (ahora propiedad de Cadence Design Systems ). La industria de los circuitos integrados adoptó SPICE rápidamente, y hasta que las versiones comerciales estuvieron bien desarrolladas, muchas empresas de diseño de circuitos integrados tenían versiones propietarias de SPICE. [ 27 ]

Hoy en día, algunos fabricantes de circuitos integrados, generalmente las empresas más grandes, cuentan con grupos que continúan desarrollando programas de simulación de circuitos basados ​​en SPICE. Entre ellos se encuentran:

Tanto LTspice como TINA-TI vienen con modelos de sus respectivas compañías. [ 30 ] [ 31 ]

Otras compañías mantienen simuladores de circuitos internos que no se basan directamente en SPICE, entre ellas PowerSpice de IBM , TITAN de Infineon Technologies , Lynx de Intel Corporation y Pstar de NXP Semiconductors . [ 32 ]

Características y estructura del programa

SPICE se popularizó porque contenía los análisis y modelos necesarios para diseñar circuitos integrados de la época, y era lo suficientemente robusto y rápido como para ser práctico de usar. [ 33 ] Los precursores de SPICE a menudo tenían un único propósito: el programa BIAS [ 34 ] , por ejemplo, realizaba simulaciones de puntos de operación de circuitos de transistores bipolares; el programa SLIC [ 35 ] solo realizaba análisis de pequeña señal. SPICE combinó soluciones de puntos de operación, análisis transitorio y varios análisis de pequeña señal con los elementos de circuito y modelos de dispositivos necesarios para simular con éxito muchos circuitos.

Análisis

SPICE2 incluye los siguientes análisis:

  • Análisis de CA ( análisis lineal de pequeña señal en el dominio de la frecuencia)
  • Análisis de CC (cálculo no lineal del punto de reposo )
  • Análisis de la curva de transferencia de CC (una secuencia de puntos de operación no lineales calculados mientras se varía un voltaje o corriente de entrada, o un parámetro del circuito).
  • Análisis de ruido (un análisis de señales pequeñas realizado mediante una técnica de matriz adjunta, que suma corrientes de ruido no correlacionadas en un punto de salida elegido).
  • Análisis de la función de transferencia (cálculo de la ganancia de entrada/salida y la impedancia para señales pequeñas)
  • Análisis transitorio (solución de grandes señales en el dominio del tiempo de ecuaciones diferenciales algebraicas no lineales)

Dado que SPICE se utiliza generalmente para modelar circuitos con elementos no lineales , los análisis de pequeña señal necesariamente van precedidos de un cálculo del punto de reposo en el que se linealiza el circuito. SPICE2 también incluye código para otros análisis de pequeña señal: análisis de sensibilidad , análisis de polos y ceros , y análisis de distorsión de pequeña señal . El análisis a diferentes temperaturas se realiza actualizando automáticamente los parámetros del modelo de semiconductores según la temperatura, lo que permite simular el circuito en temperaturas extremas.

Otros simuladores de circuitos han incorporado desde entonces numerosos análisis más allá de los de SPICE2 para responder a las cambiantes exigencias de la industria. Se añadieron barridos paramétricos para analizar el rendimiento de los circuitos con variaciones en las tolerancias de fabricación o las condiciones de funcionamiento. Se añadieron cálculos de ganancia de bucle y estabilidad para circuitos analógicos. Se incorporaron análisis de equilibrio armónico o de estado estacionario en el dominio del tiempo para el diseño de circuitos de RF y de condensadores conmutados. Sin embargo, aún no ha surgido un simulador de circuitos de dominio público que contenga los análisis y las características modernas necesarias para convertirse en un sucesor popular de SPICE. [ 33 ]

Es muy importante utilizar análisis apropiados con parámetros cuidadosamente seleccionados. Por ejemplo, la aplicación del análisis lineal a circuitos no lineales debe justificarse por separado. Asimismo, la aplicación del análisis transitorio con parámetros de simulación predeterminados puede llevar a conclusiones cualitativamente erróneas sobre la dinámica del circuito. [ 36 ]

Modelos de dispositivos

SPICE2 incluye numerosos modelos compactos de dispositivos semiconductores : tres niveles de modelo MOSFET , un modelo bipolar combinado de Ebers-Moll y Gummel-Poon , un modelo JFET y un modelo para un diodo de unión . Además, cuenta con muchos otros elementos: resistencias, condensadores, inductores (incluido el acoplamiento ), fuentes de tensión y corriente independientes , líneas de transmisión ideales , componentes activos y fuentes controladas de tensión y corriente.

SPICE3 incorporó modelos MOSFET más sofisticados, necesarios debido a los avances en la tecnología de semiconductores. En particular, se añadió la familia de modelos BSIM , desarrollada también en la Universidad de California en Berkeley.

Los simuladores SPICE comerciales e industriales han incorporado muchos otros modelos de dispositivos a medida que la tecnología avanzaba y los modelos anteriores resultaban inadecuados. Para intentar estandarizar estos modelos, de modo que un conjunto de parámetros pueda utilizarse en diferentes simuladores, se formó un grupo de trabajo de la industria, el Compact Model Council , [ 37 ] para seleccionar, mantener y promover el uso de modelos estándar. Los modelos estándar actuales incluyen BSIM3 , BSIM4 , BSIMSOI , PSP , HICUM y MEXTRAM .

Spice puede utilizar modelos de dispositivos de los PDK de fundición .

Entrada y salida: Listas de conexiones, captura de esquemas y representación gráfica.

SPICE2 toma como entrada una lista de conexiones en texto y produce como salida listados para impresora de línea, que se ajustaban al entorno informático de 1975. Estos listados son columnas de números que corresponden a salidas calculadas (normalmente voltajes o corrientes) o gráficos de caracteres para impresora de línea . SPICE3 conserva la lista de conexiones para la descripción del circuito, pero permite controlar los análisis desde una interfaz de línea de comandos similar a la shell C. SPICE3 también incorporó la representación gráfica básica en X , a medida que UNIX y las estaciones de trabajo de ingeniería se hicieron comunes.

Diversos proveedores y proyectos de software libre han incorporado interfaces de captura de esquemas a SPICE, lo que permite dibujar el diagrama esquemático del circuito y generar automáticamente la lista de conexiones para su transferencia a distintos sistemas de procesamiento de SPICE. Asimismo, se han añadido interfaces gráficas de usuario para seleccionar las simulaciones y manipular los vectores de salida de voltaje y corriente. Además, se han incorporado potentes herramientas gráficas para visualizar formas de onda y gráficos de dependencias paramétricas. Existen varias versiones gratuitas de estos programas ampliados.

Uso de SPICE más allá de la simulación electrónica

Dado que SPICE generalmente resuelve ecuaciones diferenciales algebraicas no lineales, puede aplicarse a simulaciones que van más allá del ámbito eléctrico.

En el caso más simple, SPICE puede usarse para simular otros flujos . Por ejemplo, el flujo de calor en los sistemas sigue un comportamiento similar al de los elementos de un circuito eléctrico ideal: la temperatura corresponde al voltaje , la capacidad calorífica a la capacitancia , la conductancia (térmica) a la conductancia (eléctrica) y el flujo de calor a la corriente. [ 38 ] SPICE puede simular simultáneamente tanto el comportamiento electrónico de un circuito como sus requisitos de disipación de calor. [ 39 ] Asimismo, se han modelado circuitos microfluídicos con SPICE mediante la analogía hidrodinámica. [ 40 ] SPICE se ha aplicado en la investigación operativa para evaluar cadenas de suministro perturbadas , [ 41 ] y redes regulatorias en biología sintética . [ 42 ]

Sin embargo, la dinámica de transporte no es un requisito para la simulación SPICE. En una máquina rotativa , el par corresponde al voltaje, la velocidad angular a la corriente, la fricción viscosa a la resistencia y la inercia a la inductancia. [ 43 ] [ 44 ] SPICE se ha utilizado para modelar altavoces, auriculares y audífonos. [ 45 ] Estos transductores electromecánicos suelen tener impedancias de entrada complejas (véase, por ejemplo, Características eléctricas de los altavoces dinámicos ) que presentan dificultades para los circuitos diseñados para controlarlos. El modelado integrado de ambos componentes resuelve este problema.

El modelado electromagnético es accesible a un simulador SPICE mediante el método PEEC (circuito equivalente de elementos parciales). [ 46 ] Se han mapeado las ecuaciones de Maxwell, se han modelado RLC, el efecto piel, materiales dieléctricos o magnéticos y campos incidentes o radiados. Sin embargo, a partir de 2019, SPICE no puede simular dinámicas fotónicas arbitrarias cuando los circuitos presentan fuertes efectos cuánticos. [ 47 ]

Véase también

Referencias

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  14. ↑ history-of-spice Archivado el 9 de octubre de 2016 en Wayback Machine en allaboutcircuits.com. "El origen de SPICE se remonta a otro programa de simulación de circuitos llamado CANCER. Desarrollado por el profesor Ronald Rohrer de la UC Berkeley junto con algunos de sus estudiantes a finales de la década de 1960, CANCER continuó mejorándose hasta principios de la década de 1970. Cuando Rohrer dejó Berkeley, CANCER fue reescrito y renombrado como SPICE, publicado como versión 1 en el dominio público en mayo de 1972. La versión 2 de SPICE se publicó en 1975 (la versión 2g6, la versión utilizada en este libro, es una revisión menor de esta publicación de 1975). El profesor Donald Pederson de Berkeley fue fundamental en la decisión de publicar SPICE como programa informático de dominio público, pues creía que todo progreso técnico significativo se produce cuando la información se comparte libremente. Le agradezco su visión."
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  • Especias en UC Berkeley

Historias, documentos originales

  • El documento original de SPICE1
  • Tesis doctoral de LW Nagel (SPICE2)
  • Tesis doctoral de Thomas Quarles (SPICE3)
  • Breve historia de SPICE
  • SPICE2 y SPICE3 en UC Berkeley
  • Sidra en UC Berkeley
  • SPICE: cómo elegir un análisis
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