2. SPICE 模型入门：SPICE 语法基础、网表结构、元件声明
SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）是集成电路仿真的事实标准。无论是提取 PN 结电容还是调试收敛问题，第一步都是读懂并编写正确的 SPICE 网表。本节从语法、网表结构和元件声明三个层面建立基础。
2.1 SPICE 网表结构
一个完整的 SPICE 网表由标题行、注释、元件声明、分析语句、控制语句和结束行组成。网表是纯文本文件，不区分大小写，但节点编号必须连续且唯一。
| 组成部分 | 说明 | 示例 |
|---|---|---|
| 标题行 | 网表第一行，任意字符串，被仿真器忽略 | PN Junction Capacitance Extraction |
| 注释 | 以 * 开头的行为注释 |
* This is a comment |
| 元件声明 | 定义电路中的器件及其连接 | D1 1 0 DIODE |
| 分析语句 | 指定仿真类型（DC、AC、瞬态等） | .DC VIN 0 5 0.1 |
| 控制语句 | 模型参数、选项、初始条件等 | .MODEL DIODE D(IS=1e-14) |
| 结束行 | 网表最后一行，必须是 .END |
.END |
关键规则： 网表第一行不能是
.END 或空行；节点 0 固定为全局地（GND）；每行最多 80 个字符（传统限制），续行使用 + 符号。
2.2 元件声明语法
SPICE 元件声明的通用格式为：
<元件名> <正节点> <负节点> <模型名> [参数值]元件名第一个字母标识器件类型：
| 首字母 | 器件类型 | 示例 |
|---|---|---|
| R | 电阻 | R1 1 0 1k |
| C | 电容 | C1 1 0 10p |
| D | 二极管（PN 结） | D1 1 0 DIODE |
| Q | 双极型晶体管 | Q1 1 2 0 NPN |
| M | MOSFET | M1 1 2 0 0 NMOS |
| V | 独立电压源 | VIN 1 0 DC 5 |
| I | 独立电流源 | IIN 0 1 DC 1m |
提示： 二极管（D）是 PN 结电容提取的核心器件。其模型参数
CJO（零偏结电容）、VJ（内建电势）、M（梯度因子）直接决定电容-电压特性。
2.3 模型参数声明
元件的行为由 .MODEL 语句定义。模型参数可以写在网表内，也可以引用外部库文件。
.MODEL <模型名> <类型>(<参数1>=<值1> <参数2>=<值2> ...)以 PN 结二极管为例，关键模型参数如下：
| 参数 | 含义 | 典型值 | 单位 |
|---|---|---|---|
| IS | 饱和电流 | 1e-14 | A |
| RS | 串联电阻 | 10 | Ω |
| CJO | 零偏结电容 | 1e-12 | F |
| VJ | 内建电势 | 0.8 | V |
| M | 梯度因子（突变结 0.5，缓变结 0.33） | 0.5 | — |
| FC | 正偏电容拟合系数 | 0.5 | — |
2.4 完整网表示例：PN 结电容提取
以下是一个用于提取 PN 结电容的 SPICE 网表，包含直流扫描和交流小信号分析：
PN Junction C-V Extraction
* 网表：提取二极管零偏和反偏电容
VBIAS 1 0 DC 0V
D1 1 0 DIODE
.MODEL DIODE D(
+ IS=1e-14
+ RS=10
+ CJO=1e-12
+ VJ=0.8
+ M=0.5
+ FC=0.5
)
* 直流扫描：从 -5V 到 0.5V，步长 0.1V
.DC VBIAS -5 0.5 0.1
* 交流小信号分析：频率 1MHz，幅度 1V
.AC DEC 10 1e6 1e6
* 输出电容（通过电流虚部计算）
.PROBE
.END
注意： 在
.AC 分析中，电容值通过 Imag(I(D1)) / (2 * π * freq) 计算。如果仿真不收敛，首先检查 RS 是否过小（导致电流过大）或 CJO 是否过大（导致时间常数异常）。
2.5 SPICE 网表结构图
下图展示了 SPICE 网表的完整结构层次，从标题行到结束行的数据流：
2.6 常见语法错误与避坑
- 节点编号冲突： 节点 0 是全局地，不能用于其他连接；节点编号建议从 1 开始连续递增。
- 模型名未定义： 元件声明引用的模型名必须在
.MODEL语句中定义，否则仿真器报错。 - 单位后缀错误： SPICE 使用标准后缀（
k=1e3,m=1e-3,u=1e-6,n=1e-9,p=1e-12,f=1e-15）。注意M表示 1e6，m表示 1e-3，大小写敏感。 - 缺少
.END： 网表最后一行必须是.END，否则仿真器无法识别结束位置。 - 续行格式： 长语句换行时，续行行首必须使用
+符号，且+前不能有空格。
调试建议： 当仿真不收敛时，首先检查网表语法。使用
.OPTIONS NOPAGE 关闭分页输出，使用 .OPTIONS RELTOL=1e-6 提高收敛精度。对于 PN 结电容提取，确保 CJO 和 RS 的乘积（时间常数）远小于仿真步长。