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NGSPICE User Manual
Describes ngspice-rework-17
Draft Version 0.2
Many Authors
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OR MODIFICATIONS.
i
Table of Contents
1 Preface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
3 Release Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3.1 Reporting a bug. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
5 NGSPICE Compilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
5.1 Extracting the archive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
5.2 Configuring NGSPICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
5.3 Compiling NGSPICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
5.4 Supported systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
5.5 Platform specific issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
6 Supported Analyses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
6.1 Types of Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
6.1.1 DC Analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
6.1.2 AC Small-Signal Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
6.1.3 Transient Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
6.1.4 Pole-Zero Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
6.1.5 Small-Signal Distortion Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
6.1.6 Sensitivity Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
6.1.7 Noise Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
6.2 Analysis at Different Temperatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
6.3 Convergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
7 Circuit Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
7.1 General Structure and Conventions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
7.2 Basics: Title Line, Comment Lines and .END Line . . . . . . . . . . . . 24
7.2.1 Title Line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
7.2.2 .END Line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
7.2.3 Comments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
7.3 Device Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
7.4 Subcircuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
7.4.1 .SUBCKT Line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
7.4.2 ENDS Line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
7.4.3 Subcircuit Calls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
7.5 INCLUDE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
ii NGSPICE User Manual
8 Circuit Elements and Models . . . . . . . . . . . . . . 29
8.1 General options and information. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
8.1.1 Simulating more devices in parallel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
8.1.2 Technology scaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
8.1.3 Model binning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
8.2 Elementary Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
8.2.1 Resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
8.2.2 Semiconductor Resistors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
8.2.3 Semiconductor Resistor Model (R) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
8.2.4 Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
8.2.5 Semiconductor Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
8.2.6 Semiconductor Capacitor Model (C) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
8.2.7 Inductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
8.2.8 Inductor model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
8.2.9 Coupled (Mutual) Inductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
8.2.10 Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
8.2.11 Switch Model (SW/CSW) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
8.3 Voltage and C urrent Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
8.3.1 Independent Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
8.3.1.1 Pulse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
8.3.1.2 Sinusoidal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
8.3.1.3 Exponential. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
8.3.1.4 Piece-Wise Linear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
8.3.1.5 Single-Frequency FM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
8.3.2 Linear Dependent Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
8.3.2.1 Linear Voltage-Controlled Current Sources . . . . . . . . . . 41
8.3.2.2 Linear Voltage-Controlled Voltage Sources . . . . . . . . . . 41
8.3.2.3 Linear Current-Controlled Current Sources . . . . . . . . . . 41
8.3.2.4 Linear Current-Controlled Voltage Sources . . . . . . . . . . 41
8.3.3 Non-linear Dependent Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
8.4 Transmission Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
8.4.1 Lossless Transmission Lines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
8.4.2 Lossy Transmission Lines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
8.4.3 Lossy Transmission Line Model (LTRA) . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
8.4.4 Uniform Distributed RC Lines (Lossy) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
8.4.5 Uniform Distributed RC Model (URC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
8.5 Transistors and Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
8.5.1 Junction Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
8.5.2 Diode Model (D) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
8.5.3 Diode Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
8.5.4 Bipolar Junction Transistors (BJTs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
8.5.5 BJT Models (NPN/PNP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
8.5.6 Junction Field-Effect Transistors (JFETs) . . . . . . . . . . . . . . . 55
8.5.7 JFET Models (NJF/PJF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
8.5.8 MOSFETs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
8.5.9 MOSFET Models (NMOS/PMOS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
8.5.10 MESFETs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
8.5.11 MESFET Models (NMF/PMF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
iii
9 Analyses and Output Control. . . . . . . . . . . . . . 63
9.1 Simulator Variables (.OPTIONS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
9.2 Initial Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
9.2.1 .NODESET: Specify Initial Node Voltage Guesses . . . . . . . . 65
9.2.2 .IC: Set Initial Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
9.3 Analyses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
9.3.1 .AC: Small-Signal AC Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
9.3.2 .DC: DC Transfer Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
9.3.3 .DISTO: Distortion Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
9.3.4 .NOISE: Noise Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
9.3.5 .OP: Operating Point Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
9.3.6 .PZ: Pole-Zero Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
9.3.7 .SENS: DC or Small-Signal AC Sensitivity Analysis . . . . . . 70
9.3.8 .TF: Transfer Function Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
9.3.9 .TRAN: Transient Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
9.4 Batch Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
9.4.1 .SAVE Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
9.4.2 .PRINT Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
9.4.3 .PLOT Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
9.4.4 .FOUR: Fourier Analysis of Transient Analysis Output . . . 73
10 Interactive Interpreter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
10.1 Expressions, Functions, and Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
10.2 Command Interpretation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
10.3 Commands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
10.3.1 Ac*: Perform an AC, small-signal frequency response
analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
10.3.2 Alias: Create an alias for a command . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
10.3.3 Alter*: Change a device or model parameter . . . . . . . . . . . . 80
10.3.4 Asciiplot: Plot values using old-style character plots . . . . . 80
10.3.5 Aspice: Asynchronous ngspice run . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
10.3.6 Bug: Mail a bug report . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
10.3.7 Cd: Change directory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
10.3.8 Destroy: Delete a data set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
10.3.9 Dc*: Perform a DC-sweep analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
10.3.10 Define: Define a function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
10.3.11 Delete*: Remove a trace or breakpoint . . . . . . . . . . . . . . . . 81
10.3.12 Diff: Compare vectors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
10.3.13 Display: List known vectors and types . . . . . . . . . . . . . . . . 82
10.3.14 Echo: Print text . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
10.3.15 Edit*: Edit the current circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
10.3.16 Fourier: Perform a fourier transform . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
10.3.17 Hardcopy: Save a plot to a file for printing . . . . . . . . . . . . 83
10.3.18 Help: Print summaries of Ngspice commands . . . . . . . . . . 83
10.3.19 History: Review previous commands . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
10.3.20 Iplot*: Incremental plot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
10.3.21 Jobs: List active asynchronous ngspice runs. . . . . . . . . . . . 83
10.3.22 Let: Assign a value to a vector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
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