2. 直流扫描分析

各位同学，欢迎来到第二讲。上一讲我们聊了SPICE的基本语法和网表结构，今天咱们来点实在的——把电路里最常用的那几个元器件，一个一个说清楚。

电阻、电容、电感、独立源、受控源，还有MOS管。这些家伙你天天见，但真到了仿真收敛出问题的时候，往往就是它们没写对。我这些年调试过的仿真，少说有一半的收敛失败，根源都在器件模型调用上。

好，咱们开始。

2.1 电阻、电容、电感——最基础，也最容易翻车

先看电阻。SPICE里电阻的语法很简单：

R<name> <+节点> <-节点> <阻值>

举个例子：

R1 1 0 1k

这就表示一个1kΩ的电阻，接在节点1和地之间。嗯，这里要注意——节点编号别搞反了，虽然电阻是双向器件，但后续你挂探针、看波形的时候，电流方向默认是从正节点流向负节点。

电容和电感也类似：

C<name> <+节点> <-节点> <容值>
L<name> <+节点> <-节点> <感值>

比如：

C1 1 0 10p
L1 2 3 100n

我个人习惯，电容值用pF、nF，电感用nH、uH，这样数值比较干净，不容易看错。

另外，电阻、电容、电感都支持模型调用。比如你想模拟一个实际电容的ESR和ESL：

.MODEL CAP_MOD C
+ C=10u
+ ESR=0.1
+ ESL=1n

然后调用：

C1 1 0 CAP_MOD

这样仿真出来的结果，才更接近真实情况。

2.2 独立源——V源和I源，别搞混了

独立源分两种：电压源（V）和电流源（I）。语法如下：

V<name> <+节点> <-节点> <值>
I<name> <+节点> <-节点> <值>

比如：

VDD 1 0 3.3
IREF 2 0 10u

这里有个关键点——电压源的正节点是电流流入端，电流源的正节点是电流流出端。你想想看，如果搞反了，整个电路的偏置就全错了。

独立源还支持多种波形，比如脉冲、正弦、分段线性等。我常用的PULSE：

VCLK 3 0 PULSE(0 3.3 0 1n 1n 50n 100n)

参数依次是：初始值、峰值、延迟时间、上升时间、下降时间、脉宽、周期。这个顺序我背了十年，还是得查手册确认——别笑，老工程师也这样。

2.3 受控源——模拟IC的灵魂

受控源有四种：VCVS（压控压源）、VCCS（压控流源）、CCVS（流控压源）、CCCS（流控流源）。

语法格式统一为：

E<name> <输出+> <输出-> <控制+> <控制-> <增益>  ; VCVS
G<name> <输出+> <输出-> <控制+> <控制-> <跨导> ; VCCS
H<name> <输出+> <输出-> <控制源名> <增益>      ; CCVS
F<name> <输出+> <输出-> <控制源名> <增益>      ; CCCS

举个例子，一个增益为10的VCVS：

EAMP 3 0 1 2 10

这就表示V(3,0) = 10 * V(1,2)。

VCCS更常用，比如用Gm单元模拟OTA：

GOTA 4 0 1 2 1m

输出电流I(4,0) = 1mS * V(1,2)。

流控源需要先定义一个独立电压源作为电流传感器：

VSENSE 5 6 DC 0
F1 7 0 VSENSE 100

这里VSENSE是0V电压源，只用来测电流。F1输出电流是VSENSE电流的100倍。

2.4 MOS管——NMOS与PMOS的模型调用

MOS管是模拟IC的核心器件。SPICE里基本语法：

M<name> <漏极> <栅极> <源极> <衬底> <模型名> [W=<宽> L=<长>]

比如：

M1 2 1 0 0 NMOS_WML W=10u L=0.18u

这里漏极接2，栅极接1，源极和衬底都接地，模型名叫NMOS_WML，宽10μm，长0.18μm。

PMOS类似，只是衬底通常接最高电位：

M2 4 3 5 5 PMOS_WML W=20u L=0.18u

源极和衬底都接节点5（通常是VDD）。

模型定义一般在网表开头或单独的模型文件里：

.MODEL NMOS_WML NMOS
+ VTO=0.7
+ KP=200u
+ GAMMA=0.5
+ LAMBDA=0.01
+ ...

这里VTO是阈值电压，KP是跨导系数，GAMMA是体效应系数，LAMBDA是沟道长度调制系数。不同工艺节点，这些参数差异很大。

另外，MOS管的宽长比（W/L）直接影响电流能力。我建议在原理图阶段就把W/L算好，别指望仿真时随便填——那样收敛会很痛苦。

2.5 知识结构总览

下面这张图，把本章的核心器件和它们的关系画出来了。你可以把它当作一个快速参考。

2.6 模型调用对比表

为了方便你快速查阅，我把这几种器件的模型调用方式整理成了表格：

器件类型	SPICE关键字	基本语法示例	模型调用方式	常见坑点
电阻	R	R1 1 0 1k	.MODEL RMOD R ...	单位混淆（m vs MEG）
电容	C	C1 1 0 10p	.MODEL CMOD C ...	初始条件未设置
电感	L	L1 2 3 100n	.MODEL LMOD L ...	直流短路未处理
电压源	V	VDD 1 0 3.3	不支持模型（直接赋值）	正负节点接反
电流源	I	IREF 2 0 10u	不支持模型（直接赋值）	电流方向搞错
VCVS	E	E1 3 0 1 2 10	不支持模型	增益过大导致收敛失败
VCCS	G	G1 4 0 1 2 1m	不支持模型	跨导单位写错
CCVS	H	H1 5 0 VSENSE 100	不支持模型	控制源必须是Vxxx
CCCS	F	F1 6 0 VSENSE 100	不支持模型	控制源必须是Vxxx
NMOS	M	M1 2 1 0 0 NMOD W=10u L=0.18u	.MODEL NMOD NMOS ...	衬底悬空
PMOS	M	M2 4 3 5 5 PMOD W=20u L=0.18u	.MODEL PMOD PMOS ...	衬底未接最高电位