Altium第五章

1、SPICE混合電路仿真介紹何賓何賓2013.112Copyright 2009 Altium Limited學習內(nèi)容和目標學習內(nèi)容和目標n Altium Designer軟件SPICE仿真功能導論n SPICE電子線路SPICE描述。 Copyright 2009 Altium LimitedAltium Designer軟件軟件SPICE仿真導論仿真導論Altium Designer軟件SPICE構(gòu)成n Altium Designer的混合電路信號仿真工具，使得在電路原理圖設計階段，實現(xiàn)對數(shù)模混合信號電路的功能設計仿真。n 同時，配合簡單易用的參數(shù)配置窗口，完成基于時序、離散度、信噪比等多種

2、數(shù)據(jù)的分析。n Altium Designer可以在原理圖中提供完善的混合信號電路仿真功能，除了對XSPICE標準的支持之外，還支持對SPICE模型和電路的仿真。Altium Designer軟件軟件SPICE仿真導論仿真導論n SPICE3f5模擬器件模型，包括：p 電阻p 電容p 電感p 電壓和電流源p 傳輸線p 開關n 五類主要的通用半導體器件模型，包括：p 二極管p BJTp JFETp MESFETp MOSFETCopyright 2009 Altium LimitedCopyright 2009 Altium LimitedAltium Designer軟件SPICE仿真導論n

3、XSPICE模擬器件模型是針對一些可能會影響到仿真效率的冗長的、而無需開發(fā)的局部電路，而設計的復雜的、非線性器件特性模型代碼。p 包括：特殊功能函數(shù)，比如：增益、磁滯效應、限電壓及限電流、s域傳輸函數(shù)精確度等。n 局部電路模型是指更復雜的器件，比如：用局部電路語法描述的操作運放、時鐘、晶體等。p 每個局部電路都保存在*.ckt文件中，并在模型名稱的前面加上大寫的X。Copyright 2009 Altium LimitedAltium Designer軟件SPICE仿真導論n 數(shù)字器件模型是使用數(shù)字SimCode語言所編寫生成的。p 數(shù)字器件模型是由事件驅(qū)動型XSPICE模型擴展而來的。p 專

4、門用于仿真數(shù)字器件的特殊的描述語言，是一種類C語言。p SimCode語言可以實現(xiàn)對數(shù)字器件的行為及特征的描述，參數(shù)包括：傳輸時延、負載特性等信息；p 行為可以通過真值表、數(shù)學函數(shù)和條件控制參數(shù)進行描述等。它來源于標準的XSPICE代碼模型。p 在SimCode中，仿真文件采用ASCII碼字符并且保存成.TXT后綴的文件，編譯后生成*.scb模型文件?？梢詫⒍鄠€數(shù)字器件模型寫在同一個文件中。 Copyright 2009 Altium LimitedAltium Designer軟件SPICE仿真導論仿真電路建立及與仿真模型的連接n 在AD 軟件中，采用了集成庫技術，即：原理圖符號中包含了對應

5、的仿真模型。因此，原理圖可直接用來作為仿真電路。注：注：99SE99SE中的仿真電路則需要另行建立并單獨加載各元器件的仿真模型。中的仿真電路則需要另行建立并單獨加載各元器件的仿真模型。外部仿真模型的加入n 在AD軟件中，提供了大量的仿真模型。但是，在實際電路設計中仍然需要補充、完善仿真模型集。n 設計者可編輯系統(tǒng)自帶的仿真模型文件來滿足仿真需求或直接將外部標準的仿真模型導入系統(tǒng)中。Copyright 2009 Altium LimitedAltium Designer軟件軟件SPICE仿真導論仿真導論仿真功能及參數(shù)設置n AD的仿真程序可以完成各種形式的信號分析.n 在仿真程序的分析設置對話框

6、中，通過全局設置頁面，允許設計者指定仿真的范圍和自動顯示仿真的信號。n 每一項分析類型可以在獨立的設置頁面內(nèi)完成。 Altium Designer軟件SPICE仿真導論n AD中允許的分析類型包括：p 直流工作點分析。 p 瞬態(tài)分析和傅立葉分析p 交流小信號分析p 阻抗特性分析p 噪聲分析p Pole-Zero分析p 傳遞函數(shù)分析p 蒙特卡羅分析p 參數(shù)掃描p 溫度掃描等Copyright 2009 Altium LimitedCopyright 2009 Altium LimitedAltium Designer軟件軟件SPICE仿真導論仿真導論直流工作點分析n 直流工作點分析用在測量帶有短

7、路電感和開路電容電路的直流工作點。n 在測定瞬態(tài)初始化條件時，除了已經(jīng)在瞬態(tài)或者傅里葉分析設置中使能了Use Initial Conditions參數(shù)的情況外，直流工作點分析將優(yōu)先于瞬態(tài)分析。n 同時，直流工作點分析優(yōu)先于交流小信號、噪聲和Pole-Zero分析。為了保證測量的線性化，電路中使用非線性的小信號模型。n 在直流工作點分析中將不考慮任何交流源的干擾因素。Copyright 2009 Altium LimitedAltium Designer軟件軟件SPICE仿真導論仿真導論直流掃描分析n 直流掃描分析就是直流轉(zhuǎn)移特性。n 當輸入在一定范圍內(nèi)變化時，輸出一個曲線軌跡。n 通過執(zhí)行一系

8、列直流工作點分析，設計者可以修改所選定信號源的電壓。從而，可以得到一個直流傳輸曲線。Altium Designer軟件軟件SPICE仿真導論仿真導論傳遞函數(shù)分析（也稱為直流小信號分析）n 傳遞函數(shù)分析將計算每個電壓節(jié)點上的直流輸入電阻、直流輸出電阻和直流增益值。n 作為參考指定計算每個特定電壓節(jié)點的電路節(jié)點。默認，設置為0。n 利用傳遞函數(shù)分析可以計算整個電路中直流輸入、輸出電阻和直流增益三個小信號的值。Copyright 2009 Altium LimitedCopyright 2009 Altium LimitedAltium Designer軟件SPICE仿真導論交流小信號分析n 交流分

9、析是在一定的頻率范圍內(nèi)計算電路和響應。n 如果電路中包含非線性器件或元件，在計算頻率響應之前，就應該得到此元器件的交流小信號參數(shù)。n 在進行交流分析之前，必須保證電路中至少有一個交流信號源，即：在激勵源中的AC屬性域中設置一個大于零的值。Copyright 2009 Altium LimitedAltium Designer軟件軟件SPICE仿真導論仿真導論瞬態(tài)分析n 瞬態(tài)分析在時域中描述瞬態(tài)輸出變量的值。n 在未使能Use Initial Conditions參數(shù)時，對于固定偏置點，在計算偏置點和非線性元件的小信號參數(shù)時，節(jié)點初始值也應考慮在內(nèi)。因此，對于有初始值的電容和電感，也被看作是電路

10、的一部分。 Altium Designer軟件軟件SPICE仿真導論仿真導論傅立葉分析n 一個設計的傅立葉分析是基于瞬態(tài)分析中最后一個周期的數(shù)據(jù)完成的。參數(shù)設置包括：pEnable Fourier 在仿真中執(zhí)行傅立葉分析，默認設置為Disable。pFourier Fundamental Frequency 由正弦曲線波疊加近似而來的信號頻率值。pFourier Number of Harmonics 在分析中應注意的諧波數(shù)；每一個諧波均為基頻的整數(shù)倍。Copyright 2009 Altium LimitedAltium Designer軟件軟件SPICE仿真導論仿真導論阻抗特性分析n 將顯

11、示電路中任意兩個終端源之間的阻抗特征。n 該分析沒有獨立的設置頁面，通常只作為交流小信號分析中的一個部分。n 阻抗測量將通過輸入電源電壓值除以輸出電流值得到。n 要獲得一個電路輸出阻抗的阻抗特征圖，須滿足下面的條件：p 從輸入端刪除信號源。p 輸入電源與地短接。p 刪除任意連入電路的負載。p 連接輸出兩端的源，即正電源連接到輸出端，負端接地。Copyright 2009 Altium LimitedAltium Designer軟件軟件SPICE仿真導論仿真導論噪聲分析n利用噪聲譜密度，測量由電阻和半導體器件的噪聲影響。n通常，由V2/Hz表征測量噪聲值。n電阻和半導體器件等都能產(chǎn)生噪聲，噪聲

12、電平取決于頻率。n電阻和半導體器件產(chǎn)生不同類型的噪聲。注：在噪聲分析中，電容、電感和受控源視為無噪聲元器件。Copyright 2009 Altium LimitedAltium Designer軟件軟件SPICE仿真導論仿真導論Pole-Zero（零極點）分析n 在單輸入/輸出的線性系統(tǒng)中，利用電路的小信號交流傳輸函數(shù)，通過極點或零點的計算，用零點-極點進行穩(wěn)定性分析。n 將電路的直流工作點線性化，以及對所有非線性器件匹配小信號模型。n 傳輸函數(shù)可以是電壓增益（輸出與輸入電壓之比）或阻抗（輸出電壓與輸入電流之比）中的任意一個。Copyright 2009 Altium LimitedAlti

13、um Designer軟件軟件SPICE仿真導論仿真導論蒙特卡羅分析n 是一種統(tǒng)計模擬方法。n 它是在給定電路元器件參數(shù)容差為統(tǒng)計分布規(guī)律的情況下，用一組組偽隨機數(shù)求得元器件參數(shù)的隨機抽樣序列，然后對這些隨機抽樣的電路進行直流掃描、直流工作點、傳遞函數(shù)、噪聲、交流小信號和瞬態(tài)分析。n 通過多次分析結(jié)果估算出電路性能的統(tǒng)計分布規(guī)律。n 蒙特卡羅分析可以進行最壞情況分析，Altium Designer的蒙特卡羅分析在進行最壞情況分析時有著強大且完備的功能。Copyright 2009 Altium LimitedAltium Designer軟件軟件SPICE仿真導論仿真導論溫度掃描n 溫度掃描是

14、指在一定的溫度范圍內(nèi)進行電路參數(shù)計算，用以確定電路的溫度漂移等性能指標。n 參數(shù)設置包括：pStart Temperature 起始溫度。單位為攝氏度。pStop Temperature 截止溫度。單位為攝氏度。p（3）Step Temperature 在溫度變化區(qū)間內(nèi)，遞增變化的溫度大小。Copyright 2009 Altium LimitedAltium Designer軟件軟件SPICE仿真導論仿真導論參數(shù)掃描n 它可以與直流、交流或瞬態(tài)分析等分析類型配合使用，對電路所執(zhí)行的分析進行參數(shù)掃描，對于研究電路參數(shù)變化對電路特性的影響提供了很大的方便。n 在分析功能上與蒙特卡羅分析和溫度分析

15、類似，它是按掃描變量對電路的所有分析參數(shù)掃描。n 分析結(jié)果產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)列表或一組曲線圖。n 同時，設計者還可以設置第二個參數(shù)掃描分析，但參數(shù)掃描分析所收集的數(shù)據(jù)不包括子電路中的器件。Copyright 2009 Altium LimitedCopyright 2009 Altium LimitedAltium Designer軟件軟件SPICE仿真導論仿真導論-Altium Designer軟件軟件SPICE仿真流程仿真流程SPICE包含下面的基本程序模塊組成：n 電原理圖輸入程序。n 激勵源編輯程序。n 電路仿真程序SPICE。n 輸出結(jié)果繪圖程序。n 模型參數(shù)提取程序。n 帶有SPICE元

16、器件模型參數(shù)庫。Copyright 2009 Altium LimitedAltium Designer軟件軟件SPICE仿真導論仿真導論-Altium Designer軟件軟件SPICE仿真流程仿真流程左圖給出了SPICE仿真處理流程。右圖給出了基于AD軟件SPICE電路分析和設計流程。 Copyright 2009 Altium LimitedAltium Designer軟件軟件SPICE仿真導論仿真導論-電子線路電子線路SPICE描述描述電子線路構(gòu)成n 一個SPICE分析程序依賴于一個完整的電路描述結(jié)構(gòu)。Copyright 2009 Altium LimitedAltium Desig

17、ner軟件軟件SPICE仿真導論仿真導論-電子線路電子線路SPICE描述描述n 一個電路的完整結(jié)構(gòu)，應該包含電子元器件和用于連接電子元器件的電路結(jié)構(gòu)。n 在圖上可以看到1、2、3、4、5、6和7的標號，這些標號從電子設計角度來說，稱之為網(wǎng)絡。n 網(wǎng)絡用來標識電子線路中，每個元件的位置。這種表示方法，是電子設計自動化（Electronic Design Automation，EDA）軟件標識電路結(jié)構(gòu)的常用方法。Copyright 2009 Altium LimitedAltium Designer軟件軟件SPICE仿真導論仿真導論-電子線路電子線路SPICE描述描述Altium Designer

18、軟件軟件SPICE仿真導論仿真導論-電子線路電子線路SPICE描述描述標題行n 該行必須是輸入文件的第一行。例如：PCB_Project1。注釋行n 注釋行以*符號開始。例如： *SPICE Netlist generated by Advanced Sim server on 2013/3/7 23:19:58 *Schematic Netlist:結(jié)束行n .END用于標識輸入文件的結(jié)束，它是輸入文件的最后一行。Copyright 2009 Altium LimitedCopyright 2009 Altium LimitedAltium Designer軟件軟件SPICE仿真導論仿真導論

19、-電子線路SPICE描述器件模型描述n 器件模型的通用格式為：.MODEL MNAME TYPE(PNAME1=PVAL1 PNAME2=PVAL2 . )例如： .MODEL 2N3904 NPN(IS=1.4E-14 BF=300 VAF=100 IKF=0.025 ISE=3E-13 BR=7.5 RC=2.4 + CJE=4.5E-12 TF=4E-10 CJC=3.5E-12 TR=2.1E-8 XTB=1.5 KF=9E-16 )注： 1對于一些參數(shù)較多的電子元器件使用單獨的.MODEL行進 行說明，并且分配一個唯一的模型名字。 2MNAME表示模型的名字； 3TYPE表示模型的類

20、型，如下表所示Altium Designer軟件軟件SPICE仿真導論仿真導論-電子線路SPICE描述類型名字說明R半導體電阻模型C半導體電容模型SW電壓控制的開關CSW電流控制的開關URC均勻分布的RC模型LTRA有損傳輸線模型D二極管模型NPNNPN BJT模型PNPPNP BJT模型NJFN-溝道JFET模型PJFP-溝道JFET模型NMOSN-溝道MOSFET模型PMOSP-溝道MOSFET模型NMFN-溝道MESFET模型PMFP-溝道MESFET模型Copyright 2009 Altium LimitedCopyright 2009 Altium LimitedAltium De

21、signer軟件軟件SPICE仿真導論仿真導論-電子線路SPICE描述子電路描述n 可以定義由SPICE元件構(gòu)成的子電路，可以通過類似于調(diào)用器件模型的方法進行引用。n 在輸入文件中，通過一組元件行定義子電路。然后，程序自動的在引用子電路的地方插入該組元件。n 對子電路的大小和復雜度沒有限制，并且子電路還可以包含其它的子電路。 Copyright 2009 Altium Limited電子Altium Designer軟件軟件SPICE仿真導論仿真導論-電子線路SPICE描述下面仿真一個四位的加法器，使用了不同的子電路描述整個電路的不同部分電子Altium Designer軟件軟件SPICE仿真

22、導論仿真導論-電子線路SPICE描述Copyright 2009 Altium Limited.SUBCKT ONEBIT 1 2 3 4 5 6* NODES: INPUT(2), CARRY-IN, OUTPUT, CARRY-OUT, VCCX1 1 2 7 6 NANDX2 1 7 8 6 NANDX3 2 7 9 6 NANDX4 8 9 10 6 NANDX5 3 10 11 6 NANDX6 3 11 12 6 NANDX7 10 11 13 6 NANDX8 12 13 4 6 NANDX9 11 7 5 6 NAND.ENDS ONEBIT電子Altium Designer軟

23、件軟件SPICE仿真導論仿真導論-電子線路SPICE描述Copyright 2009 Altium Limited.SUBCKT TWOBIT 1 2 3 4 5 6 7 8 9* NODES: INPUT - BIT0(2) / BIT1(2), OUTPUT - BIT0 / BIT1,* CARRY-IN, CARRY-OUT, VCCX1 1 2 7 5 10 9 ONEBITX2 3 4 10 6 8 9 ONEBIT.ENDS TWOBIT.SUBCKT FOURBIT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15* NODES: INPUT - BIT0

24、(2) / BIT1(2) / BIT2(2) / BIT3(2),* OUTPUT - BIT0 / BIT1 / BIT2 / BIT3, CARRY-IN, CARRY-OUT, VCCX1 1 2 3 4 9 10 13 16 15 TWOBITX2 5 6 7 8 11 12 16 14 15 TWOBIT.ENDS FOURBIT電子Altium Designer軟件軟件SPICE仿真導論仿真導論-電子線路SPICE描述Copyright 2009 Altium Limited* DEFINE NOMINAL CIRCUIT.MODEL DMOD D.MODEL QMOD NPN(

25、BF=75 RB=100 CJE=1PF CJC=3PF)VCC 99 0 DC 5VVIN1A 1 0 PULSE(0 3 0 10NS 10NS 10NS 50NS)VIN1B 2 0 PULSE(0 3 0 10NS 10NS 20NS 100NS)VIN2A 3 0 PULSE(0 3 0 10NS 10NS 40NS 200NS)VIN2B 4 0 PULSE(0 3 0 10NS 10NS 80NS 400NS)VIN3A 5 0 PULSE(0 3 0 10NS 10NS 160NS 800NS)VIN3B 6 0 PULSE(0 3 0 10NS 10NS 320NS 1600

26、NS)VIN4A 7 0 PULSE(0 3 0 10NS 10NS 640NS 3200NS)VIN4B 8 0 PULSE(0 3 0 10NS 10NS 1280NS 6400NS)X1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0 13 99 FOURBITRBIT0 9 0 1KRBIT1 10 0 1KRBIT2 11 0 1KRBIT3 12 0 1KRCOUT 13 0 1K* (FOR THOSE WITH MONEY (AND MEMORY) TO BURN).TRAN 1NS 6400NS.END電子Altium Designer軟件軟件SPICE仿真導論仿真

27、導論-電子線路SPICE描述Copyright 2009 Altium Limited.SUBCKT行n .SUBCKT行用于說明一個電路定義的開始。格式如下：p.SUBCKT subnam N1 n 例如：.SUBCKT OPAMP 1 2 3 4 其中：n subnam表示子電路的名字。n N1，N2，.表示外部的節(jié)點。n 在一個子電路定義中，不顯示控制行。n 子電路可以包含其他，包括：其它子電路定義、器件模型和調(diào)用子電路。Copyright 2009 Altium Limited電子Altium Designer軟件軟件SPICE仿真導論仿真導論-電子線路SPICE描述.ENDS行n .

28、ENDS行用于說明子電路定義的結(jié)束。格式如下：.ENDS n 例如： .ENDS OPAMP 電子Altium Designer軟件軟件SPICE仿真導論仿真導論-電子線路SPICE描述調(diào)用子電路n 格式如下： XYYYYYYY N1 SUBNAMn 例如： X1 2 4 17 3 1 MULTIn 通過帶有字母X開頭的偽元素（后面是子電路節(jié)點），在SPICE中所指定使用的子電路。Copyright 2009 Altium LimitedCopyright 2009 Altium Limited電子Altium Designer軟件軟件SPICE仿真導論仿真導論-電子線路SPICE描述合并文件

29、n 格式如下： .INCLUDE filenamen 例如：INCLUDE /users/spice/common/wattmeter.cirn 在幾個輸入文件中，經(jīng)常復用電路描述的一部分，特別是那些公共的模型和子電路。n 在任何一個SPICE輸入文件內(nèi)，.include行可以用于復制其它一些文件。 39Copyright 2009 Altium Limited電子Altium Designer軟件軟件SPICE仿真導論仿真導論-電子線路SPICE描述注意： 1. 嚴格的，任何作為一個子電路定義內(nèi)的器件模型或者子電路定義，都是本地的，即：這些模型和定義，對于子電路定義的外部來說都是未知的。 2

30、. 同樣的，除了0（地）總是全局的以外，任何不在.SUBCKT行的元素節(jié)點都是本地的。40Copyright 2009 Altium Limited電子Altium Designer軟件軟件SPICE仿真導論仿真導論-SPICE程序相關命令分析命令 這些命令用于控制SPICE執(zhí)行的分析功能，以及輸出什么樣的結(jié)果。下面對這些命令進行介紹。n .AC小信號AC分析，常用的格式如下：.AC DEC ND FSTART FSTOP.AC OCT NO FSTART FSTOP.AC LIN NP FSTART FSTOP 例如：.AC DEC 10 1 10K.AC DEC 10 1K 100MEG.

31、AC LIN 100 1 100HZ41Copyright 2009 Altium Limited電子Altium Designer軟件軟件SPICE仿真導論仿真導論-SPICE程序相關命令n .DC DC傳輸函數(shù)分析，常用的格式如下： .DC SRCNAM VSTART VSTOP VINCR SRC2 START2 STOP2 INCR2例如：.DC VIN 0.25 5.0 0.25.DC VDS 0 10 .5 VGS 0 5 1.DC VCE 0 10 .25 IB 0 10U 1U其中：p SRCNAM 為獨立電壓源或者獨立電流源的名字。p VSTART、VSTOP、 VINCR 表示開始值、停止值和遞增的值。42Copyright 2009 Altium Limited電子Altium Designer軟件軟件SPICE仿真導論仿真導論-SPICE程序相關命令命令常用的格式例子解釋.NOISE.NOISE V(OUTPUT