第六章 電路CAD 電路仿真測試

第6章

電路仿真測試

6.1電路仿真操作步驟6.2仿真元件及參數(shù)設(shè)置6.3電路仿真操作初步6.4常用仿真方式及應(yīng)用6.5仿真綜合應(yīng)用舉例6.6常用元器件仿真模型6.7創(chuàng)建仿真元件

6.1電路仿真操作步驟

在Protel99中進(jìn)行電路仿真分析的操作過程可概括如下：1)編輯原理圖利用原理圖編輯器（SchematicEdit）編輯仿真測試原理圖，在編輯原理圖過程中，除了導(dǎo)線、電源符號、接地符號外，原理圖中所有元件的電氣圖形符號均要取自電路仿真測試專用電氣圖形符號數(shù)據(jù)庫文件包Sim.ddb內(nèi)相應(yīng)元件電氣圖形符號庫文件（.lib），否則仿真時因找不到元件參數(shù)（如三極管的放大倍數(shù)、C-E結(jié)反向漏電流）而給出錯誤提示并終止仿真過程。2)放置仿真激勵源(包括直流電壓源)在仿真測試電路中，必須包含至少一個仿真激勵源。仿真激勵源被視為一個特殊的元件，放置、屬性設(shè)置、位置編輯等操作方法與一般元件（如電阻、電容等）完全相同。仿真激勵源電氣圖形符號位于仿真測試專用元件電氣圖形文件包Sim.ddb內(nèi)的SimulationSymbols.lib元件圖形庫文件中。3)放置節(jié)點網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號在需要觀察電壓波形的節(jié)點上，放置節(jié)點網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號，以便觀察到指定節(jié)點的電壓波形，原因是Protel99仿真程序只能自動檢測支路電流、元件阻抗，沒有節(jié)點電壓。4)選擇仿真方式并設(shè)置仿真參數(shù)在原理圖編輯窗口內(nèi)，指向并單擊“Simulate”菜單下的“Setup…”命令（或直接單擊主工具欄內(nèi)的“仿真設(shè)置”工具）進(jìn)入“AnalysesSetup”仿真設(shè)置窗口，選擇仿真方式及仿真參數(shù)。5)執(zhí)行仿真操作在原理圖編輯窗口內(nèi)，指向并單擊“Simulate”菜單下的“Run”命令（或直接單擊主工具欄內(nèi)的“執(zhí)行仿真”工具）啟動仿真過程，等待一段時間后即可在屏幕上看到仿真結(jié)果。6)觀察仿真結(jié)果仿真操作結(jié)束后，自動啟動波形編輯器并顯示仿真數(shù)據(jù)文件（.sdf）的內(nèi)容（或在“設(shè)計文件管理器”窗口內(nèi)，單擊對應(yīng)的.sdf文件）。在波形編輯器窗口內(nèi)，觀察仿真結(jié)果，若不滿意，可修改仿真參數(shù)或元件參數(shù)后，再執(zhí)行仿真操作。7)保存或打印仿真波形仿真結(jié)果除了保存在?.sdf文件中外，還可以在打印機(jī)上打印出來。

6.2仿真元件及參數(shù)設(shè)置

在Protel99中，每一仿真元件的特性由元件電氣圖形符號庫和元件模型參數(shù)數(shù)據(jù)庫描述。仿真測試原理圖內(nèi)元件電氣圖形符號存放在DesignExplorer99\Library\SCH\Sim.ddb仿真分析用元件電氣圖形符號庫文件包內(nèi)，共收錄了5800多個元器件，分類存放在如下元件電氣圖形符號庫(.lib)文件中：74XX.lib 74系列TTL數(shù)字集成電路7SEGDISP.lib 7段數(shù)碼顯示器BJT.lib 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)雙極型晶體管BUFFER.lib 緩沖器CAMP.lib 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電流反饋高速運(yùn)算放大器CMOS.lib CMOS數(shù)字集成電路元器件Comparator.lib 比較器Crystal.lib 晶體振蕩器Diode.lib 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)二極管IGBT.lib 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)絕緣柵雙極型晶體管JFET.lib 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)型場效應(yīng)管MATH.lib 二端口數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換函數(shù)MESFET.lib MES場效應(yīng)管Misc.lib 雜合元件MOSFET.lib 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MOS場效應(yīng)管OpAmp.lib 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通用運(yùn)算放大器OPTO.lib 光電耦合器件（實際上該庫文件僅含有4N25和通用的光電耦合器件OPTOISO兩個元件）Regulator.lib 電壓變換器，如三端穩(wěn)壓器等Relay.lib 繼電器類SCR.lib 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可控硅SimulationSymbols.lib 仿真測試用符號元件庫Switch.lib 開關(guān)元件Timer.lib 555及556定時器Transformer.lib 變壓器TransLine.lib 傳輸線TRIAC.lib 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)雙向可控硅TUBE.lib 電子管UJT.lib 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)單結(jié)管在放置元件過程中，按下Tab鍵調(diào)出元件屬性窗口，設(shè)置元件有關(guān)參數(shù)時，必須注意：一般僅需要指定必須參數(shù)，如序號、型號、大?。ㄈ绻蛩銖碾娫韴D獲取自動布局所需的網(wǎng)絡(luò)表文件時，則需要給出元器件的封裝形式）；而對于可選參數(shù)，一般用“*”代替（即采用缺省值），除非絕對必要，否則不宜改變。1.物理量單位及數(shù)據(jù)格式在設(shè)置元件仿真參數(shù)、仿真運(yùn)行參數(shù)時，往往使用定點數(shù)形式輸入，且不用輸入?yún)?shù)的物理量單位，即電容容量默認(rèn)為F（法拉）、阻值為Ω（歐姆）、電感為H（亨）、電壓為V(伏特)、電流為A（安培）、頻率為Hz（赫茲）等2.元件電氣圖形符號及參數(shù)仿真測試原理圖中所用的分立元件的電氣圖形符號，如電阻、電容、電感等均取自SimulationSymbols.lib元件庫文件內(nèi)，下面簡要介紹其中幾種常用分立元件有關(guān)參數(shù)的含義。1)電阻器2)電容器3)電感器4)保險絲5)變壓器6)繼電器7)晶體振蕩器8)二極管、三極管及結(jié)型場效應(yīng)管9)?MOS場效應(yīng)管10)可控硅及雙向可控硅11)運(yùn)算放大器、比較器12)?TTL及CMOS數(shù)字集成電路13)節(jié)點電壓初始值（.IC）14)節(jié)點電壓設(shè)置(.NS)3.仿真信號源及參數(shù)在電路仿真過程中需要各種各樣的激勵源，這些激勵源也取自sim.ddb數(shù)據(jù)庫文件包內(nèi)的SimulationSymbols.lib元件庫文件中，包括直流電壓激勵源VSRC(voltagesource)與直流電流激勵源ISRC(currentsource)、正弦波電壓激勵源VSIN(voltagesource)與正弦波電流激勵源ISIN(currentsource)、周期性脈沖信號激勵源VPULSE(voltagesource)與IPULSE(currentsource)、分段線性激勵源VPWL(voltagesource)與IPWL(currentsource)等。常用的直流電壓激勵源VSRC、正弦電壓激勵源VSIN、脈沖電壓激勵源VPLUS可通過單擊“Simulate”菜單下的“Source”命令選擇相應(yīng)激勵源后，將其拖到原理圖編輯區(qū)內(nèi)。1)直流電壓激勵源VSRC與直流電流激勵源ISRC這兩種激勵源作為仿真電路工作電源，在屬性窗口內(nèi)，只需指定序號（Designator，如VDD、VSS等）及大?。≒artType，如5、12等），如圖6-1所示。圖6-1直流電源屬性設(shè)置窗2)正弦波信號激勵源（SinusoidWaveform）正弦波激勵源在電路仿真分析中常作為瞬態(tài)分析、交流小分析的信號源，執(zhí)行菜單命令“Simulate\Source”，選擇SineWave類型的激勵源，就可以放置正弦波激勵源，其參數(shù)設(shè)置對話框如圖6-2所示。圖6-2正弦信號屬性設(shè)置窗由如圖6-2所示的參數(shù)描述的正弦信號源的波形特征如圖6-3所示，可見當(dāng)直流偏壓Offset不為0時相當(dāng)于波形上移。圖6-3正弦波形信號3)脈沖激勵源（Pulse）脈沖激勵源在瞬態(tài)分析中用得比較多，放置脈沖激勵源的方法是：執(zhí)行菜單命令“Simulate\Source”，在彈出的子菜單內(nèi)選擇“Pulse”類型的激勵源即可。雙擊脈沖激勵源符號，將彈出如圖6-4所示的屬性設(shè)置對話框。圖6-4脈沖信號激勵源屬性設(shè)置窗脈沖信號激勵源波形特征可用圖6-5形象地描述（其中Pulsed=100mV，Period=8ms，脈沖寬度Plus=3ms）。圖6-5脈沖激勵源波形圖4)分段線性激勵源VPWL與IPWL（PieceWiseLinear）

分段線性激勵源的波形由幾條直線段組成，是非周期信號激勵源。為了描述這種激勵源的波形特征，需給出線段各轉(zhuǎn)折點時間——電壓（或電流）坐標(biāo)（對于VPWL信號源來說，轉(zhuǎn)折點坐標(biāo)由“時間/電壓”構(gòu)成；對于IPWL信號源來說，轉(zhuǎn)折點坐標(biāo)由“時間/電流”構(gòu)成），如圖6-6所示。由如圖6-6所示的參數(shù)構(gòu)成的分段線性激勵源的波形特征可用圖6-7形象地描述。圖6-6分段線性激勵源屬性圖6-7分段線性激勵源波形5)調(diào)頻波激勵源——VSFFM（電壓調(diào)頻波）和ISFFM（電流調(diào)頻波）調(diào)頻波激勵源也是高頻電路仿真分析中常用到的激勵源，調(diào)頻波激勵源位于Sim.ddb數(shù)據(jù)庫文件包內(nèi)的SimulationSymbols.lib元件庫文件中，放置調(diào)頻波信號源的操作方法與放置電阻、電容等的方法相同，調(diào)頻波信號源屬性如圖6-8所示。由圖6-8屬性設(shè)置窗所示參數(shù)生成的調(diào)頻波激勵源信號波形如圖6-9所示，其頻譜特性如圖6-10所示。圖6-8屬性設(shè)置窗所示參數(shù)圖6-9調(diào)頻波激勵源波形圖6-10調(diào)頻波信號頻譜此外，SimulationSymbols.lib元件庫內(nèi)尚有其他激勵源，如受控激勵源、指數(shù)函數(shù)、頻率控制的電壓源等，這里就不一一列舉了，根據(jù)需要可從該元件庫文件中獲取。如果實在無法確定某一激勵源或元件參數(shù)如何設(shè)置時，除了從“幫助”菜單中獲得有關(guān)信息外，還可以從Protel99的仿真實例中受到啟發(fā)。在DesignExplorer99\Examples\CircuitSimulation文件夾內(nèi)含有數(shù)十個典型仿真實例，打開這些實例，即可了解元件、仿真激勵源參數(shù)設(shè)置方法。6.3電路仿真操作初步

在介紹了電路仿真操作步驟、元件及激勵信號源屬性設(shè)置方法后，下面以圖6-11所示的共發(fā)射極放大電路為例，說明Protel99仿真操作過程。圖6-11分壓式偏置電路6.3.1編輯電原理圖在仿真操作前，先建立原理圖文件。原理圖文件的編輯方法在前面章節(jié)中已介紹過，這里不再重復(fù)。在編輯過程中，只需注意：電路圖中所有元件的電氣圖形符號一律取自“DesignExplorer99\Library\Sch”文件夾下的Sim.ddb仿真測試用元件電氣圖形符號數(shù)據(jù)庫文件包內(nèi)相應(yīng)的元件庫文件；在元件未固定前必須按下Tab鍵，在元件屬性窗口內(nèi)，設(shè)置元件的屬性選項(Designate、Part及PartFields1-16)，然后放置相應(yīng)的仿真激勵信號源；接著在感興趣的節(jié)點上，放置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號。具體操作過程如下：(1)在“DesignExplorer”窗口內(nèi)，單擊“File”菜單下的“New…”命令創(chuàng)建一個新的設(shè)計文件，接著輸入新設(shè)計文件名，并指定存放路徑。(2)單擊“設(shè)計文件管理器”前的“+”，顯示設(shè)計文件包結(jié)構(gòu)，并單擊其中的“Documents”文件夾。(3)單擊“File”菜單下的“New…”命令，在彈出的文檔類型選擇框內(nèi)，雙擊“SchematicDocument”(原理圖文件)，即可在“Documents”文件夾窗口內(nèi)建立文件名為“Sheetx”的原理圖文件，輸入文件名并按回車鍵（如果不輸入文件，而直接按回車鍵，將使用Sheet1、Sheet2作為原理圖的文件名）。(4)單擊原理圖文件圖標(biāo)，進(jìn)入原理圖編輯狀態(tài)。(5)單擊“DesignExplorer”（設(shè)計文件管理器）窗口的“BrowseSch”標(biāo)簽，并選擇“Library”作為瀏覽對象。(6)單擊“Add/Remove…”按鈕，選擇“DesignExplorer99\Library\Sch”文件夾下的Sim.ddb仿真測試用元件電氣圖形符號庫文件包作為當(dāng)前庫文件包，然后即可選擇Sim.ddb數(shù)據(jù)文件包內(nèi)相應(yīng)的元件庫，如SimulationSymbols.Lib庫文件作為當(dāng)前使用的元件庫文件。(7)在元件列表窗內(nèi)找出并單擊特定的元件名稱后，再單擊“Place”按鈕，將選定的元件拖到原理圖編輯區(qū)內(nèi)。(8)在元件未固定前，按下Tab鍵,進(jìn)入元件屬性設(shè)置窗。在屬性窗口內(nèi)，單擊“Attributes”標(biāo)簽，設(shè)置元件序號、大小或型號；再依次單擊“PartFields1-8”和“PartFields9-16”標(biāo)簽，輸入元件仿真參數(shù)。(9)放置并設(shè)置仿真激勵源。(10)放置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號。6.3.2選擇仿真方式并設(shè)置仿真參數(shù)完成原理圖編輯后，下一步就是選擇仿真方法和設(shè)置仿真參數(shù)：在原理圖編輯窗口內(nèi)，指向并單擊“Simulate”菜單下的“Setup…”命令（或直接單擊主工具欄內(nèi)的“仿真設(shè)置”工具）進(jìn)入如圖6-12所示的“AnalysesSetup”仿真設(shè)置窗口，選擇仿真方式及仿真參數(shù)。圖6-12仿真方式設(shè)置窗在“有效信號”列表窗口內(nèi)，除了顯示已定義的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號，如Vin、Vout等信號名外，還列出了元器件電流——帶后綴“(i)”、功率——帶后綴“(p)”以及激勵源阻抗——帶后綴“(z)”等參量，其中激勵源阻抗定義為激勵源電壓瞬時值與流過激勵源電流瞬時值之比，即激勵源阻抗等于被分析電路的輸入阻抗Zi等，例如：C1(i)——表示電容C1中的電流，當(dāng)器件電流從第一引腳流向第二引腳時為正，反之為負(fù)。C1(p)——表示電容C1消耗的功率。VCC#branch——表示流過VCC支路的電流，流入正極時為正，流出正極時為負(fù)。Netr1-2——表示電阻R1第2引腳節(jié)點電壓。對于沒有定義的節(jié)點電壓，Protel仿真程序用Net元件名-元件引腳編號表示節(jié)點電壓信號。1.選擇仿真分析方式在“General”標(biāo)簽窗口中，單擊相應(yīng)仿真方式前的選項框，允許或禁止相應(yīng)仿真方式。本例僅選擇“OperatingPointAnalyses”（工作點分析）和“Transient/FourierAnalysis”（瞬態(tài)特性/傅立葉分析）。2.選擇計算及可立即觀察的信號1)選擇仿真過程需要計算的信號類型仿真過程中僅計算“有效信號”列表窗內(nèi)的信號，設(shè)置過程如下：在如圖6-12所示的窗口內(nèi)，單擊“CollectDataFor”(收集數(shù)據(jù)類型)下拉按鈕，選擇仿真過程中需要計算的數(shù)據(jù)類型3.設(shè)置仿真參數(shù)并執(zhí)行仿真操作除了“OperatingPointAnalyses”仿真方式不需要設(shè)置仿真參數(shù)外，選擇了某一仿真方式后，尚需要設(shè)置仿真參數(shù)。在本例中，單擊“Transient/FourierAnalysis”標(biāo)簽，在如圖6-13所示的“Transient/FourierAnalysis”（瞬態(tài)特性/傅立葉分析）參數(shù)設(shè)置窗口內(nèi)，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。圖6-13“Transient/FourierAnalysis”（瞬態(tài)特性/傅立葉分析）參數(shù)設(shè)置4.高級選項設(shè)置（可選）必要時，在如圖6-12所示的仿真方式設(shè)置窗口內(nèi)，單擊“Advanced…”(高級選項)按鈕。在如圖6-14所示的高級選項設(shè)置框內(nèi)，選擇仿真計算模型、數(shù)字集成電路電源引腳對地參考電壓、瞬態(tài)分析參考點、缺省的仿真參數(shù)等。但必須注意，一般并不需要修改高級選項設(shè)置，尤其是不熟悉Spice電路分析軟件定義的器件參數(shù)含義、取值范圍以及仿真算法的初學(xué)者，更不要隨意修改高級選項設(shè)置，否則將引起不良后果。圖6-14高級選項設(shè)置5.啟動仿真計算過程設(shè)置了仿真參數(shù)后，可立即單擊“RunAnalyses”按鈕，啟動仿真計算過程。當(dāng)然，也可以單擊“Close”按鈕關(guān)閉仿真設(shè)置窗口，需要仿真時，再單擊原理圖編輯窗口內(nèi)主工具欄中的“運(yùn)行仿真”工具（或執(zhí)行“Simulate”菜單下的“Run”命令），啟動仿真過程。運(yùn)行仿真后，將按?.cfg文件設(shè)定的仿真方式及參數(shù)，對電路進(jìn)行一系列的仿真計算，以便獲得相應(yīng)的仿真結(jié)果。仿真結(jié)果記錄在.sdf（SimulationDataFile）文件內(nèi)，該文件以文本（如工作點仿真分析）或圖形方式（如瞬態(tài)特性、直流傳輸特性分析等）記錄了仿真計算結(jié)果，如圖6-15所示。在仿真計算過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)設(shè)定的仿真方式或參數(shù)不正確時，可隨時單擊仿真窗口內(nèi)主工具欄中的“停止仿真”工具，中斷仿真計算過程。圖6-15仿真波形觀察窗口6.3.3仿真結(jié)果觀察及波形管理在仿真數(shù)據(jù)文件（.sdf）編輯窗口內(nèi)，通過如下方式觀察仿真結(jié)果：1)調(diào)整仿真波形觀察窗口內(nèi)信號的顯示幅度將鼠標(biāo)移到仿真輸出信號下方橫線上，當(dāng)鼠標(biāo)箭頭變?yōu)樯舷码p向箭頭時，按下左鍵不放，拖動鼠標(biāo)器，松手后即可發(fā)現(xiàn)橫線上方仿真輸出信號幅度被拉伸或壓縮。2)調(diào)整仿真波形窗口內(nèi)信號的顯示位置將鼠標(biāo)移到波形窗口內(nèi)相應(yīng)的仿真輸出信號名上，按下鼠標(biāo)左鍵不放，拖動鼠標(biāo)器，即可發(fā)現(xiàn)一個虛線框（代表信號名）隨鼠標(biāo)的移動而移動。當(dāng)虛線框移到另一信號顯示單元格內(nèi)時松手，即可發(fā)現(xiàn)兩個信號波形出現(xiàn)在同一顯示單元格內(nèi)，如圖6-16所示。圖6-16信號波形重疊顯示3)改變顯示刻度在“Scaling”（刻度）選擇框內(nèi)，單擊相應(yīng)刻度（如X軸）文本框右側(cè)上下(增加或減小)按鈕，即可改變X軸、Y軸或偏移量大?。ó?dāng)然也可以在文本框中直接輸入相應(yīng)的數(shù)值）。4)在仿真波形窗口內(nèi)添加未顯示的信號波形在“Waveforms”（波形列表）窗口內(nèi)找出并單擊需要顯示的信號，如VB，然后再單擊“Show”（顯示）按鈕，即可在仿真波形觀察窗口內(nèi)顯示出指定的信號，如圖6-17所示。圖6-17添加了VB信號的仿真波形窗口5)隱藏仿真波形觀察窗口內(nèi)的信號波形將鼠標(biāo)移到波形觀察窗口內(nèi)需要隱藏的信號名上，單擊左鍵使目標(biāo)信號處于選中狀態(tài)（選中后信號波形線條變寬，同時信號名旁邊出現(xiàn)一個小黑點，如圖6-16中的ui），然后再單擊“Hide”（隱藏）按鈕，相應(yīng)仿真信號即從波形觀察窗口內(nèi)消失。6)波形測量單擊如圖6-15所示的窗口內(nèi)“MeasurementCursors”(測量曲線)框中“A”右側(cè)的下拉按鈕，選擇被測量信號名（如uo），“A”框下方即顯示出被測信號點X、Y的值，同時波形窗口上方出現(xiàn)測量標(biāo)尺，如圖6-18所示。圖6-18測量標(biāo)尺7)只觀察一個單元格內(nèi)的信號將鼠標(biāo)移到某一信號單元格內(nèi)，單擊左鍵，然后執(zhí)行“View”選擇框內(nèi)的“SingleCells”選項（或?qū)⑹髽?biāo)移到某一信號單元格內(nèi)，單擊右鍵，調(diào)出快捷菜單，指向并單擊“ViewSingleCell”命令），即可顯示該單元格內(nèi)的信號，如圖6-19所示。圖6-19僅顯示一個單元格內(nèi)的信號8)選擇X、Y軸刻度單位及Y軸度量對象根據(jù)觀察信號的類型，必要時可執(zhí)行“View”菜單下的“Scaling…”命令，在如圖6-20所示的窗口內(nèi)，重新選擇X、Y軸度量單位?？晒┻x擇的X軸度量單位：Linear(線性)、Log(對數(shù))。9)設(shè)置波形窗口其他選項——背景顏色、顯示計算點等必要時，可執(zhí)行“View”菜單下的“Options…”命令，在如圖6-21所示的窗口內(nèi)，重新選擇波形窗口背景、前景以及柵格線顏色等。圖6-20刻度選擇圖6-21波形窗口選項設(shè)置10)切換到另一仿真方式波形窗口如果在仿真時，同時執(zhí)行了多種仿真操作，例如在如圖6-12所示的仿真方式設(shè)置窗口內(nèi)，同時選擇了“OperatingPointAnalyses”（靜態(tài)工作點）和“TransientAnalysis”（瞬態(tài)特性），則仿真波形窗口下方將列出相應(yīng)仿真結(jié)果波形標(biāo)簽，單擊相應(yīng)的仿真波形標(biāo)簽，即可觀察到對應(yīng)仿真方式的結(jié)果。11)設(shè)置窗口的顯示方式當(dāng)需要在屏幕上同時顯示多個文件窗口時，如同時顯示原理圖文件窗口和仿真波形窗口時，可將鼠標(biāo)移到當(dāng)前文件窗口的文件圖標(biāo)上（如圖6-19中的“Sheet1.sdf”），單擊右鍵，指向并單擊如下命令之一，即可重新設(shè)定窗口的顯示方式:Close 關(guān)閉當(dāng)前文件窗口SplitVertical 按垂直方式分割窗口SplitHorizontal 按水平方式分割窗口TileAll 重疊所有窗口，即屏幕上只觀察到當(dāng)前文件窗口MergeAll 同時顯示所有已打開的文件窗口，在這種方式下可同時觀察到多個文件，如屏幕上同時顯示原理圖窗口和仿真波形窗口單擊窗口上的“關(guān)閉”按鈕或執(zhí)行“File(文件)”菜單下的“Close”命令即可關(guān)閉當(dāng)前窗口。

6.4常用仿真方式及應(yīng)用

6.4.1工作點分析(OperatingPointAnalyses)在進(jìn)行工作點分析時，仿真程序?qū)㈦娐分械碾姼性暈槎搪?，電容視為開路，然后計算出電路中各節(jié)點對地電壓、各支路（每一元件）電流——這就是常說的靜態(tài)工作點分析。在如圖6-12所示的仿真方式設(shè)置窗口內(nèi)，單擊“OperatingPointAnalyses”選項前的復(fù)選框，選中“工作點分析”選項；執(zhí)行仿真操作后，單擊如圖6-15所示的仿真波形觀察窗口下方“仿真結(jié)果列表”欄內(nèi)的“OperatingPoint”，即可在仿真波形窗口內(nèi)觀察到工作點計算結(jié)果，如圖6-22所示。圖6-22工作點分析結(jié)果6.4.2瞬態(tài)特性分析(TransientAnalysis)與傅立葉分析(FourierAnalysis)TransientAnalysis屬于時域分析，用于獲得節(jié)點電壓、支路電流或元件功率等信號的瞬時值，即信號隨時間變化的瞬態(tài)關(guān)系，相當(dāng)于在示波器上直接觀察信號的波形，因此TransientAnalysis是一種最基本、最常用的仿真分析方式。在設(shè)置FourierAnalysis參數(shù)時，對于周期信號來說，基波就是被分析信號周期的倒數(shù)，分析的最大諧波與信號性質(zhì)有關(guān)，對于方波信號來說，取10次諧波已足夠；而對于調(diào)幅、調(diào)頻波來說，為了獲得正確結(jié)果，基波按下列關(guān)系選擇：基波=載波頻率/調(diào)制信號頻率6.4.3參數(shù)掃描分析(ParameterSweepAnalysis)參數(shù)掃描分析用于研究電路中某一元器件參數(shù)變化時，對電路性能的影響，常用于確定電路中某些關(guān)鍵元件參數(shù)的取值。在進(jìn)行瞬態(tài)特性分析、交流小信號分析或直流傳輸特性分析時，同時啟動“參數(shù)掃描”分析，即可非常迅速、直觀地了解到電路中特定元件參數(shù)變化時，對電路性能的影響。在如圖6-12所示的仿真參數(shù)設(shè)置窗口內(nèi)，單擊“ParameterSweep”標(biāo)簽，即可獲得如圖6-23所示的ParameterSweep（參數(shù)掃描）設(shè)置窗口。圖6-23參數(shù)掃描設(shè)置窗口參數(shù)掃描設(shè)置過程如下：(1)單擊“ParameterSweepFirst”（主掃描參數(shù)）選擇框內(nèi)“Parameter”下拉列表盒右側(cè)的下拉按鈕，選擇參數(shù)變化的元件，如R1、C1、Q1（BF）等，其中Q1（BF）表示三極管Q1的電流放大倍數(shù)β。(2)在“StartValue”文本盒內(nèi)輸入元件參數(shù)的初值；在“StopValue”文本盒內(nèi)輸入元件參數(shù)的終值；在“StepValue”文本盒內(nèi)輸入?yún)?shù)變化增量。圖6-24三極管Q1放大倍數(shù)β變化對應(yīng)的輸出信號從圖6-24中可以看出：在如圖6-11所示的放大電路中，三極管Q1放大倍數(shù)β對電路性能指標(biāo)的影響不大，即當(dāng)β>50后，放大器輸出信號Vout基本重疊。當(dāng)選擇R5作為主掃描參數(shù)時，即可獲得交流負(fù)反饋電阻對放大器放大倍數(shù)的影響，例如R5從10?Ω增加到時100?Ω（增量為10），輸出信號Vout振幅如圖6-25所示。圖6-25電阻R5變化時對應(yīng)輸出信號6.4.4交流小信號分析（ACSmallSignalAnalysis）1.AC小信號分析的主要功能AC小信號分析用于獲得電路中，如放大器、濾波器等的頻率特性。一般來說，電路中的器件參數(shù)，如三極管共發(fā)射極電流放大倍數(shù)β并不是常數(shù)，而是隨著工作頻率的升高而下降。2.AC小信號分析參數(shù)設(shè)置單擊“Simulate”菜單，指向并單擊“Setup”命令，在“AnalysesSetup”對話框內(nèi)，單擊“ACSmallSignal”標(biāo)簽，即可進(jìn)入如圖6-26所示的“ACSmallSignal”設(shè)置框。圖6-26AC小信號分析參數(shù)設(shè)置StartFrequency：掃描起始頻率。StopFrequency：掃描終了頻率。TestPoints：分析頻率點的數(shù)目，當(dāng)“SweepType”按線性變化時，則測試點數(shù)就是總的測試點數(shù)；當(dāng)“SweepType”按級數(shù)（10倍頻，即取對數(shù)刻度）變化時，則TestPoints為每10倍頻內(nèi)測試點的個數(shù)，總測試點個數(shù)是TestPoints*（StopFrequency-StartFrequency）/10，如上圖中，如果每10倍頻測試點取1000個，則總測試點約為4700個。圖6-27給出了低通濾波電路及AC小信號分析結(jié)果。對于如圖6-28所示的并聯(lián)諧振電路來說，利用AC小信號分析觀察并聯(lián)諧振曲線將非常方便、直觀，如圖6-29所示（其中AC小信號分析參數(shù)為：StartFrequency=1?Hz，StopFrequency=1MHz，TestPoints=1000）。圖6-27低通濾波器幅頻特性圖6-28并聯(lián)諧振電路圖6-29諧振特性曲線在AC小信號分析中，結(jié)合參數(shù)掃描分析，能非常直觀地了解到電路中某一元件參數(shù)對電路幅－頻特性的影響。例如，在如圖6-11所示的電路中，選擇發(fā)射極交流旁路電容C3作為主掃描參數(shù)（初值取0.1?μ，終值取2?μ，增量為0.3?μ），并將AC小信號分析參數(shù)設(shè)為：StartFrequency=1Hz，StopFrequency=10kHz，測試點數(shù)取1000，即可迅速了解到電容C3對放大器低頻特性的影響，如圖6-30所示。圖6-30電容C3對放大器低頻特性的影響6.4.5阻抗特性分析（ImpedancePlotAnalysis）Protel99仿真程序具有阻抗特性分析功能，只是不單獨(dú)列出，而是放在AC小信號分析方式中，即在AC小信號波形窗口內(nèi)選擇激勵源阻抗，如Vin(z)、VCC(z)等作為觀察對象，即可得到電路的輸入、輸出阻抗曲線。由于電路輸入阻抗是前一級電路或信號源的負(fù)載，而電路輸出阻抗體現(xiàn)了電路輸出級的負(fù)載驅(qū)動能力，因此在電路設(shè)計中常需要了解電路的輸入、輸出阻抗。1.求輸入阻抗Ri根據(jù)電路輸入阻抗Ri的定義，求電路輸入阻抗Ri時，無須改動電路結(jié)構(gòu)。在AC小信號分析窗口內(nèi)，選擇輸入信號源阻抗，如圖6-11中的信號源的阻抗V1(z)作為觀察對象即可獲得放大器輸入阻抗Ri曲線，如圖6-31所示（中頻段約為7.1k）。圖6-31輸入阻抗Ri特性曲線在輸入阻抗、放大倍數(shù)估算過程中，將三極管B-E極電阻rbe近似為常數(shù)，但實際上rbe隨發(fā)射極電流IE(引起re變化)的增大而減小、隨集電結(jié)偏壓VCB（引起rbb′變化）的增大而增大。例如，在如圖6-11所示的分壓式偏置電路中，基極電壓基本保持不變，當(dāng)發(fā)射極電阻R4增大時，發(fā)射極電流IE減小，導(dǎo)致發(fā)射結(jié)電阻re增大，結(jié)果輸入阻抗Ri增大，如圖6-32所示。圖6-32R4變化對輸入阻抗Ri的影響由于VCE=VCC-IC*R3-IE*(R4+R5)，因此當(dāng)集電極電阻R3增大時，VCE將減小，即集電結(jié)反向偏壓VCB變小，使集電結(jié)耗盡層減小，導(dǎo)致基區(qū)厚度增加，使rbb′減小，最終使輸入阻抗Ri減小，如圖6-33所示。圖6-33R3變化對輸入阻抗Ri的影響2.求輸出阻抗Ro根據(jù)輸出阻抗的定義，求輸出阻抗時，需要按以下步驟修改電路結(jié)構(gòu)：(1)用導(dǎo)線將輸入信號源短路，但要保留輸入信號源的內(nèi)阻。(2)負(fù)載RL開路。在操作上，可先刪除RL，將輸入信號源移到RL位置，用導(dǎo)線連接與輸入信號源相連的兩個節(jié)點。(3)在輸出端接一信號源，這樣信號源兩端電壓與流過該信號源的電流之比，就是輸出電阻Ro。(4)然后執(zhí)行AC小信號分析，在AC小信號分析窗口內(nèi)，選擇信號源阻抗作為觀察對象即可。求如圖6-11所示的放大電路的輸出阻抗電路如圖6-34（a）所示，而輸出阻抗特性曲線如圖6-34（b）所示。圖6-34輸出阻抗求解電路及結(jié)果(a)求輸出阻抗電路；(b)輸出阻抗曲線圖6-34輸出阻抗求解電路及結(jié)果(a)求輸出阻抗電路；(b)輸出阻抗曲線6.4.6直流掃描分析(DCSweepAnalysis)直流掃描分析(DCSweep)方法是在指定范圍內(nèi)，輸入信號源電壓變化時，進(jìn)行一系列的工作點分析以獲得直流傳輸特性曲線，常用于獲取運(yùn)算放大器、TTL、CMOS等電路的直流傳輸特性曲線，以確定輸入信號的最大范圍和噪聲容限。“直流掃描分析”也常用于獲取場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線，但直流掃描分析不適用于獲取阻容耦合放大器的輸入/輸出特性曲線。在原理圖編輯窗口內(nèi)，單擊“Simulate\Setup”命令，在“AnalysesSetup”對話框內(nèi)，單擊“DCSweep”標(biāo)簽，即可進(jìn)入如圖6-35所示的直流掃描仿真設(shè)置框：圖6-35直流掃描分析參數(shù)設(shè)置各參數(shù)含義如下：DCSweepPrimary 主變化信號源Secondary 第二變化信號源，在直流掃描仿真分析中，允許兩個信號源同時變化，然后分別計算工作點SourceName 變化的信號源StartValue 初始電壓值StopValue 終止電壓值StepValue 電壓變化步長例如，利用直流掃描分析即可獲取如圖6-36所示的運(yùn)算放大器的直流傳輸特性曲線，操作過程如下：圖6-36運(yùn)算放大器(1)在原理圖編輯窗口內(nèi)，執(zhí)行“Simulate”菜單下的“Setup…”命令。(2)在“AnalysesSetup”窗口內(nèi)，單擊“DCSweep”標(biāo)簽，在如圖6-35所示的窗口內(nèi)設(shè)置直流掃描參數(shù)，如圖6-37所示。(3)啟動仿真分析后，打開.sdf文件，并選擇“DCSweep”，即可觀察到仿真結(jié)果，如圖6-38所示。圖6-37直流掃描分析設(shè)置窗圖6-38直流傳輸特性曲線利用直流掃描分析，將非常容易獲得如圖6-39所示的74LS00與非門電路的直流傳輸特性曲線，如圖6-40所示，可以看出：74LS系列門電路最大輸入低電平電壓小于0.9V，最小輸入高電平電壓必須大于1.2V。圖6-39由74LS00組成的與非門電路圖6-4074LS門電路的直流傳輸特性曲線利用“直流掃描分析”即可獲得如圖6-41（a）所示的N溝道結(jié)型場效應(yīng)管2N3684的轉(zhuǎn)移特性曲線，如圖6-41（b）所示（對V1電壓源進(jìn)行掃描，初始電壓為-3.5V，終了電壓為0，步長為10mV）。圖6-41結(jié)型場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性(a)轉(zhuǎn)移特性測試原理圖；(b)轉(zhuǎn)移特性曲線圖6-41結(jié)型場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性(a)轉(zhuǎn)移特性測試原理圖；(b)轉(zhuǎn)移特性曲線6.4.7溫度掃描分析(TemperatureSweepAnalysis)

一般說來，電路中元器件的參數(shù)隨環(huán)境溫度的變化而變化，因此溫度變化最終會影響電路的性能指標(biāo)。溫度掃描分析就是模擬環(huán)境溫度變化時電路性能指標(biāo)的變化情況，因此溫度掃描分析也是一種常用的仿真方式，在瞬態(tài)分析、直流傳輸特性分析、交流小信號分析時，啟用溫度掃描分析即可獲得電路中有關(guān)性能指標(biāo)隨溫度變化的情況。溫度掃描分析應(yīng)用舉例：分析環(huán)境溫度對如圖6-42所示的基本放大電路放大倍數(shù)的影響。操作過程如下：(1)編輯電路圖。(2)在“AnalysesSetup”窗口內(nèi)，單擊“TemperatureSweep”標(biāo)簽，在如圖6-43所示的窗口設(shè)置溫度掃描參數(shù)。圖6-42共發(fā)射極基本放大電路

圖6-43溫度掃描參數(shù)設(shè)置窗口(3)設(shè)置了溫度掃描參數(shù)后，啟動仿真過程，結(jié)果如圖6-44所示。圖6-44輸出電壓Vout隨溫度變化的情況6.4.8傳輸函數(shù)分析(TransferFunctionAnalysis)傳輸函數(shù)分析用于獲得模擬電路直流輸入電阻、直流輸出電阻以及電路的直流增益等，這里不進(jìn)行詳細(xì)介紹。6.4.9噪聲分析(NoiseAnalysis)1.噪聲分析功能電路中每個元器件在工作時都要產(chǎn)生噪聲，由于電容、電感等電抗元件的存在，不同頻率范圍內(nèi)，噪聲大小不同。例如運(yùn)算放大器對直流噪聲比較敏感，而對頻率變化較快的高頻噪聲反映遲鈍。為了定量描述電路中噪聲的大小，仿真軟件采用了一種等效計算方法，具體計算步驟如下：(1)

選定一個節(jié)點作為輸出節(jié)點，在指定頻率范圍內(nèi)，將電路中每個電阻和半導(dǎo)體器件等噪聲源在該節(jié)點處產(chǎn)生的噪聲電壓均方根(RMS)值做疊加。(2)

選定一個獨(dú)立電壓源或獨(dú)立電流源，計算電路中從該獨(dú)立電源（電流源）到上述輸出節(jié)點處的增益，再將第(1)步計算得到的輸出節(jié)點處總噪聲除以該增益就得到在該獨(dú)立電壓源（或電流源）處的等效噪聲。2.噪聲分析的參數(shù)設(shè)置在“AnalysesSetup”窗口內(nèi)，單擊“Noise”標(biāo)簽，在如圖6-45所示的窗口設(shè)置噪聲分析參數(shù)。圖6-45噪聲分析參數(shù)設(shè)置窗口當(dāng)參考節(jié)點(ReferenceNode)為0時，以接地點作為計算參考點，即輸出節(jié)點噪聲大小相對地電平而言。如圖6-36所示的運(yùn)算放大器噪聲分析結(jié)果如圖6-46所示，可見該電路在低頻段噪聲輸出電壓均方值較大。圖6-46運(yùn)算放大器噪聲特性曲線

6.5仿真綜合應(yīng)用舉例

6.5.1數(shù)字電路仿真實例對如圖6-47（a）所示的電路進(jìn)行參數(shù)掃描分析，即可直觀地了解到74LS系列TTL門電路輸出高電平的負(fù)載能力，結(jié)果如圖6-47（b）所示。圖6-4774LS系列集成電路高電平負(fù)載能力(a)輸出高電平測試電路；(b)輸出高電平隨負(fù)載電阻的變化圖6-4774LS系列集成電路高電平負(fù)載能力(a)輸出高電平測試電路；(b)輸出高電平隨負(fù)載電阻的變化操作過程如下：(1)在原理圖編輯窗口內(nèi)編輯原理圖，在操作過程中必須注意，TTL數(shù)字電路隱藏的電源引腳標(biāo)號為VCC，且仿真程序默認(rèn)的TTL電源為+5V，因此可以不用繪制電源供電電路，也就是說可以不用放置V3和電源符號VCC。

(2)單擊主工具欄內(nèi)的“仿真設(shè)置”工具或執(zhí)行“Simulate”菜單下的“Setup…”命令，在如圖6-12所示的仿真方式設(shè)置窗口內(nèi)，分別單擊“Transient/FourierAnalysis”、“ParameterSweep”標(biāo)簽，參數(shù)掃描分析參數(shù)（對RL進(jìn)行掃描，起始值為100，終了值為5kΩ，增量為500），然后運(yùn)行仿真操作，即可得到如圖6-47(b)所示的結(jié)果，可見負(fù)載越重，輸出高電平電壓越小。圖6-4874LS系列TTL電路輸出低電平負(fù)載能力測試電路圖6-4974LS系列TTL電路輸出低電平負(fù)載能力6.5.2模擬、數(shù)字混合電路仿真分析實例圖6-50是單片機(jī)系統(tǒng)常用的復(fù)位、掉電信號生成電路，分析上電、掉電期間復(fù)位信號以及掉電信號波形是否滿足要求。圖6-50MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)常用的掉電、復(fù)位電路下面通過瞬態(tài)仿真分析檢查各點波形時序是否滿足設(shè)計要求，操作過程如下：(1)編輯原理圖，放置激勵源。用分段線性激勵VPWL模擬上電、掉電波形，V1激勵源參數(shù)為：00.02m5.010m5.011m0.030m0.032m5.0，即上電時間為2ms，電源由正常值5.0V下降到0V，時間1ms，停電時間為19ms，V1波形如圖6-48所示。(2)單擊主工具欄內(nèi)的“仿真設(shè)置”工具或執(zhí)行“Simulate”菜單下的“Setup…”命令，在如圖6-12所示的仿真方式設(shè)置窗口內(nèi)，單擊“Transient/FourierAnalysis”標(biāo)簽，設(shè)置瞬態(tài)分析參數(shù)，如圖6-51所示。(3)運(yùn)行仿真操作，結(jié)果如圖6-52所示，可見電源波形、掉電信號以及復(fù)位信號時序滿足設(shè)計要求，即電源V+小于4.75V時，掉電信號INT0為低電平有效，CPU響應(yīng)INT0中斷后進(jìn)入掉電操作狀態(tài)；上電時，電源供電正常后，即V+大于4.75V后，復(fù)位信號為高電平，使CPU進(jìn)入復(fù)位操作，經(jīng)過大約5ms的延遲后返回低電平，滿足了MCS-51系列單片機(jī)對復(fù)位信號的要求。圖6-51瞬態(tài)分析參數(shù)圖6-52各測試點電壓波形6.5.3“數(shù)學(xué)函數(shù)”庫內(nèi)信號合成函數(shù)的應(yīng)用MATH.lib（位于DesignExplorer99\Library\Sch\Sim.ddb數(shù)據(jù)庫文件內(nèi)）元件庫中含有許多二端口數(shù)學(xué)函數(shù)，如節(jié)點電壓加、減、乘、除函數(shù)，支路電流加、減、乘、除函數(shù)等。這些數(shù)學(xué)函數(shù)被視為特殊元件（放置、移動、編輯等操作方式與電阻、電容等完全相同），在電路仿真分析中，靈活使用這些數(shù)學(xué)函數(shù)可迅速獲得電路的有關(guān)參數(shù)。1.利用電壓除法函數(shù)獲得放大器電壓增益例如，在如圖6-11所示的電路中，增加DIVV（電壓除法）函數(shù)，即可在瞬態(tài)分析窗口內(nèi)直接獲取電壓增益Au。操作過程如下：(1)在原理圖編輯狀態(tài)下，在“元件庫”(lib)列表窗口內(nèi)，找出并單擊MATH.lib庫文件，將MATH.lib元件庫文件作為當(dāng)前庫文件。(2)在“元件”列表窗口內(nèi)，找出并單擊DIVV（電壓除法）函數(shù)。(3)單擊“Place”按鈕，將DIVV元件拖到原理圖編輯區(qū)內(nèi)，同時按下Tab鍵，進(jìn)入元件屬性設(shè)置窗口，設(shè)置仿真參數(shù)（對于DIVV函數(shù)來說，只需指定序號，如M1、M2等）。(4)用導(dǎo)線（或標(biāo)號）分別將V1、V2端連接到需要做除法運(yùn)算的節(jié)點上，并在輸出端放置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號，如Au等即可，如4-53所示。圖6-53增加DIVV函數(shù)(5)在仿真設(shè)置窗口內(nèi)，指定仿真方式、仿真參數(shù)（這里選擇瞬態(tài)仿真方式）、仿真觀察信號，并運(yùn)行仿真操作，結(jié)果如圖6-54所示。圖6-54DIVV函數(shù)2.利用電壓減法函數(shù)求出電路中任意兩個節(jié)點的電位差在Protel99仿真操作過程中，選擇節(jié)點電壓作為觀察對象即可獲得電路中任一點對的電壓信號。當(dāng)需要獲得任意兩個節(jié)點間的電位差，如圖6-11中，集電極與發(fā)射極之間的電壓差，即Q1管VCE，可通過電壓差函數(shù)實現(xiàn)。操作過程如下：(1)在原理圖編輯狀態(tài)下，在“元件庫”(lib)列表窗口內(nèi)，找出并單擊MATH.lib庫文件，將MATH.lib元件庫文件作為當(dāng)前庫文件。(2)在“元件”列表窗口內(nèi)，找出并單擊SUBV（電壓差）函數(shù)。(3)單擊“Place”按鈕，將SUBV元件拖到原理圖編輯區(qū)內(nèi)，同時按下Tab鍵，進(jìn)入元件屬性設(shè)置窗口，設(shè)置仿真參數(shù)（對于SUBV函數(shù)來說，只需指定序號，如M1、M2等）。(4)用導(dǎo)線（或標(biāo)號）分別將V1、V2端連接到需要做減法運(yùn)算的節(jié)點上，并在輸出端放置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號，如VCE等即可，如4-55所示。圖6-55通過SUBV函數(shù)求任意兩點的電位差(5)在仿真設(shè)置窗口內(nèi)，指定仿真方式、仿真參數(shù)（這里可選擇工作點仿真方式和瞬態(tài)仿真方式）、觀察對象，并運(yùn)行仿真操作，結(jié)果如圖6-56所示。圖6-56通過SUBV函數(shù)求出VCE

3.利用電流除法函數(shù)獲得放大器電流增益利用電流除法函數(shù)DIVI即可迅速獲得如圖6-57(a)所示的三極管直流電流放大倍數(shù)IC/IB，操作過程如下：(1)在原理圖編輯狀態(tài)下，在“元件庫”(lib)列表窗口內(nèi)，找出并單擊MATH.lib庫文件，將MATH.lib元件庫文件作為當(dāng)前庫文件。(2)在“元件”列表窗口內(nèi)，找出并單擊DIVI（電流除法）函數(shù)。(3)單擊“Place”按鈕，將DIVI元件拖到原理圖編輯區(qū)內(nèi)，同時按下Tab鍵進(jìn)入元件屬性設(shè)置窗口，設(shè)置仿真參數(shù)（對于DIVI函數(shù)來說，只需指定序號，如M1、M2等）。(4)用導(dǎo)線（或標(biāo)號）分別將被除數(shù)支路電流、除數(shù)支路電流端連接到需要做除法運(yùn)算的支流上，并在輸出端放置一個假負(fù)載，如圖6-57(b)所示。由于R5支路與待分析電路沒有公共參考點，因此需要在R5一端加虛擬接地點，否則仿真不能進(jìn)行，這點非常重要，對含有變壓器、光耦元件等電路進(jìn)行仿真分析時，也同樣需要加虛擬接地點。(a)圖6-57通過電流除法函數(shù)求兩支路電流比圖6-57通過電流除法函數(shù)求兩支路電流比(b)(c)圖6-57通過電流除法函數(shù)求兩支路電流比(5)在仿真設(shè)置窗口內(nèi)，指定仿真方式、仿真參數(shù)——這里選擇工作點、直流掃描（V1從0.0V變化到5.0V時）、仿真觀察信號(選擇R5支路電流)，并運(yùn)行仿真操作，結(jié)果如圖6-57（c）所示。

6.6常用元器件仿真模型

在Protel99中，每一仿真元件特性由元件電氣圖形符號和元件仿真模型文件描述。其中仿真元件電氣圖形符號分類存放在DesignExplorer99\Library\Sch\Sim.ddb數(shù)據(jù)庫文件包內(nèi)不同的元件庫(.lib)文件中，而元件仿真模型參數(shù)以文本文件形式分類存放在DesignExplorer99\Library\Sim\SimulationModels.ddb庫文件包內(nèi)，每一元件或同類元件對應(yīng)一個仿真模型文件（擴(kuò)展名為.mdl或.ckt），它記錄了器件的仿真模型參數(shù)。1.仿真模型文件格式及內(nèi)容模擬電路元件仿真模型文件一般由下列語句組成：1)注釋語句注釋語句由“*”開始，用于說明器件的基本功能或參數(shù)以及器件參數(shù)來源等，例如：*Si500mW40V800mA300MHzpkg:TO-183,2,12)模型語句一些器件，如二極管、雙極型晶體管、結(jié)型場效應(yīng)管、MOS管等有許多參數(shù)，這些參數(shù)通過模型語句描述。3)子電路描述語句對于復(fù)合元件，如達(dá)林頓晶體管，由兩個或兩個以上基本元件組成，這類元件的仿真模型參數(shù)文件擴(kuò)展名除了使用(.ckt)做標(biāo)記外，還用子電路描述語句和元件描述語句。4)元件描述語句元件描述語句格式與元件類型有關(guān)，用于描述子電路內(nèi)各元件的連接關(guān)系，如電阻元件描述語句格式如下：Partnamen1n2Value[TC=TC1[,TC2]]2.瀏覽、編輯元件仿真模型文件需要注意的是，用戶不要隨意修改各元件的模型文件內(nèi)容，否則可能丟失元件的仿真參數(shù)，仿真時出錯，或計算結(jié)果不正確。6.6.1二極管二極管模型既適用于結(jié)型二極管，也適用于肖特基勢壘二極管，模型描述語句如下：.MODELMNAMED[param1=Val1param2=Val2…例如，1N5408整流二極管模型參數(shù)如下所示：.MODEL1N5408D(IS=4.26NRS=14MN=1.7BV=1E+03IBV=165U+CJO=125PVJ=0.75M=0.333TT=4.32U)二極管模型參數(shù)及默認(rèn)值如表6-1所示。

表6-1二極管模型參數(shù)及默認(rèn)值名稱缺省值單位參數(shù)意義IS1e－14A反向飽和電流RS0.0Ω串聯(lián)歐姆電阻（包括引線電阻和體電阻）N1.0－發(fā)射系數(shù)CJ00.0F/m2零偏壓結(jié)電容VJ1.0V結(jié)電勢M0.5－梯度因子FC0.5－正偏電容系數(shù)TT0.0S渡越時間EG1.11eV禁帶寬度KF0－閃爍噪聲系數(shù)AF1.0－閃爍噪聲指數(shù)XTI3.0－飽和電流溫度系數(shù)BV∞V反向擊穿電壓IBV1e－10A反向擊穿電流6.6.2三極管模型三極管的模型描述為：.MODELMNAMENPN（PNP）[Param1=Val1,Param2=Val2…]雙極型三極管模型關(guān)鍵詞為NPN或PNP，其模型為來自SPECE2G.6中的GP模型，三極管的模型參數(shù)及其含義如表6-2所示。表6-2三極管模型參數(shù)及其含義名稱缺省值單位含義IS1e－16A飽和電流BF100.0－正向電流增益βFIKF∞A大電流時正向β的下降點NF1.0－正向電流發(fā)射系數(shù)BR1.0－理想最大反向電流增益βRIKR∞A大電流時反向β的下降點NR1.0－反向電流發(fā)射系數(shù)ISE0.0ABE結(jié)泄漏飽和電流NE1.5ΩBE結(jié)泄漏發(fā)射系數(shù)ISC0.0ABC結(jié)泄漏飽和電流名稱缺省值單位含義NC2.0－BC結(jié)泄漏發(fā)射系數(shù)RB0.0Ω基極體電阻RBM0.0RB基極電阻最小值IRB∞A基極電阻下降到最小值和最大值的中點時的基極電流RC0.0Ω集電極電阻RE0.0Ω發(fā)射極電阻CJE0.0FBE結(jié)零偏電容VJE0.75VBE結(jié)自建電勢MJE0.33－BE結(jié)電容梯度因子CJC0.0FBC結(jié)零偏置電容VJC0.75VBC結(jié)自建電勢MJC0.33－BC結(jié)電容梯度因子XCJC1.0－BC結(jié)電容連到基極內(nèi)節(jié)點的百分?jǐn)?shù)CJS0.0F零偏集電極—襯底電容VJS0.75VC—襯底結(jié)內(nèi)建電勢MJS0.0－襯底結(jié)電容梯度因子VAF1e+6V正向Early電壓VAR1e+6V反向Early電壓FC0.5－正偏電容系數(shù)EG1.11eV禁帶寬度TB0.0－β的溫度指數(shù)XTI3.0－飽和電流溫度指數(shù)TF0.0S理想正向渡越時間TR0.0S理想反向渡越時間XTF0.0－TF隨偏置變化系數(shù)VTF∞V描述TF隨VBC變化的電壓ITF0.0ATF的大電流參數(shù)TRE10.0－RE（T）的溫度系數(shù)TRE20.0－RE（T2）的溫度系數(shù)TRB10.0－RB（T）的溫度系數(shù)TRB20.0－RB（T2）的溫度系數(shù)TRC10.0－RC（T）的溫度系數(shù)TRC20.0－RC（T2）的溫度系數(shù)TRM10.0－RBM（T）的溫度系數(shù)TRM20.0－RBM（T2）的溫度系數(shù)KF0－閃爍噪聲系數(shù)AF1.0－閃爍噪聲指數(shù)雙極型晶體管模型有NPN和PNP兩種類型。直流模型參數(shù)中IS、BF、NF、ISE、IKF和NE決定正向電流增益，IS、BR、NR、ISC、1KR和NC決定反向電流增益。與BE結(jié)電容有關(guān)的參數(shù)是CJE、FJE、MFE和FC，與BC結(jié)勢壘電容有關(guān)的參數(shù)是CJC、VJC、MJC。VAR和VAR參數(shù)決定正向和反向輸出電導(dǎo)。6.6.3結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）模型結(jié)型場效應(yīng)管模型描述語句格式如下：.MODELTYPENJF(PJF)[Param1=Val1Param2=Val2…]例如，2N3824結(jié)型場效應(yīng)管模型參數(shù)如下：.model2N3824NJF(Beta=436.4uRd=1Rs=1Lambda=5.333mVto=-2.139+Is=181.3fCgd=4pPb=.5Fc=.5Cgs=4.627pKf=3.783E-18Af=1)結(jié)型場效應(yīng)管各模型參數(shù)含義如表6-3所示。

表6-3結(jié)型場效應(yīng)管各模型參數(shù)名稱缺省值單位含義VTO－2.0V閾值電壓BETA1.0e－4A/V2跨導(dǎo)參數(shù)LAMBDA0.0V－1溝道長度調(diào)制系數(shù)IS1e－14A柵結(jié)飽和電流RD0.0Ω漏極串聯(lián)電阻RS0.0Ω源極串聯(lián)電阻CGD0.0F零偏GD結(jié)電容CGS0.0F零偏GS結(jié)電容PB1V柵結(jié)內(nèi)建電勢FC0.5－正偏電容系數(shù)KF0－閃爍噪聲系數(shù)AF1.0－閃爍噪聲指數(shù)6.6.4MOS場效應(yīng)管模型MOS場效應(yīng)管模型是集成電路中常用的器件，隨著集成度的不斷提高，MOS管尺寸不斷縮小，已達(dá)到亞微米數(shù)量級。MOS管模型在Sim99中分為6級模型，參數(shù)有40~60個，大多是工藝參數(shù)。其模型描述格式為：.MODELMNAMENMOS(PMOS)[LEVEL=x]Param1=Val1Param2=Val2…MOS場效應(yīng)管的模型參數(shù)，不同的級別有不同的參數(shù)，大部分都是廠家制作時的工藝參數(shù)，其中所有級別的MOS場效應(yīng)管共用的參數(shù)如表6-4所示。表6-4MOS場效應(yīng)管共用的參數(shù)名稱缺省值單位含義CREC0.0F/mG/S—D間覆蓋電容/單位溝道寬度CGSO0.0F/m與CREC同義CGDO0.0F/m與CREC同義PB0.8V襯底結(jié)電勢CGBO0.0F/mG—B間覆蓋電容/單位溝道寬度CJ0.0F/m2零偏襯底電容/每平方米CJSW0.0F/m零偏襯底電容/單位周邊長度MJ0.5—襯底結(jié)電容梯度因子MJSW0.33—襯底周邊電容梯度因子IS0.0A襯底結(jié)飽和電流JS0.0A/m2IS/每平方米LDIF0.0M橫向擴(kuò)散寬度FC0.5—正偏電容系數(shù)RD0.0Ω漏極歐姆電阻RS0.0Ω源極歐姆電阻RDC0.0Ω漏極接觸電阻RSC0.0Ω源極接觸電阻RSH0.0Ω/m2漏源擴(kuò)散區(qū)薄層電阻（單位面積）

6.7創(chuàng)建仿真元件

在介紹了元件仿真模型文件結(jié)構(gòu)、參數(shù)含義后，下面再簡要介紹仿真元件的創(chuàng)建過程。前面說過，在Protel99仿真操作過程中，仿真元件特性由元件電氣圖形符號和模型參數(shù)文件描述，因此創(chuàng)建仿真元件的過程如下：(1)在SchLib編輯狀態(tài)下，使用“畫圖”工具編輯生成仿真元件的電氣圖形符號，并保存到DesignExplorer99\Library\Sch\Sim.ddb文件包內(nèi)的某一元件庫文件(.lib)中。(2)在“DesignExplorer99\Library\sim\SimulationModels.ddb”仿真模型文件包內(nèi)相應(yīng)目錄下，建立仿真元件的模型參數(shù)文件。(3)在原理圖編輯狀態(tài)下，對仿真元件進(jìn)行測試，以檢驗元件參數(shù)的正確性。6.7.1生成仿真電氣圖形符號創(chuàng)建仿真元件電氣圖形符號的操作過程與第2章介紹的元件電氣圖形符號編輯與創(chuàng)建過程基本相同，區(qū)別僅在于一定要在如圖2-99所示的“ComponentTextFields”窗口內(nèi)設(shè)置元件仿真參數(shù)，具體操作如下：(1)打開“DesignExplorer99\Library\Sch\Sim.ddb”文件包。(2)在SchLib編輯狀態(tài)下，執(zhí)行“File”菜單下的“New…”命令，建立新元件電氣圖形符號庫文件(.lib)?；蛑苯釉谙鄳?yīng)類型元件電氣圖形庫文件內(nèi)，創(chuàng)建新元件電氣圖形符號，例如，可直接在BJT.lib庫元件內(nèi)建立新的雙極型晶體管元件。(3)在SchLib編輯器窗口內(nèi)，執(zhí)行“Tools”菜單下的“NewComponent”命令，生成新元件編輯區(qū)。(4)利用“畫圖”工具，編輯生成新元件電氣圖形符號。(5)在如圖2-98所示的窗口內(nèi)，單擊“Description”按鈕，進(jìn)入如圖2-99所示的“ComponentTextFields”(元件參數(shù)描述文本)窗口內(nèi)，分別單擊“LibraryFields”、“Designator”、“PartFieldNames”標(biāo)簽，設(shè)置元件仿真參數(shù)。(6)確認(rèn)無誤后，單擊“OK”按鈕，即完成了仿真元件電氣圖形符號的編輯過程。1.“LibraryFields”（庫參數(shù)）標(biāo)簽仿真程序通過調(diào)用“LibraryFields”標(biāo)簽內(nèi)TextField1～8（如圖6-58所示）項參數(shù)獲取仿真元件模型文件記錄的元件參數(shù)，它實際上就是元件屬性窗口內(nèi)“ReadOnlyFields”標(biāo)簽中Field1～8項顯示的信息，其中：圖6-58庫參數(shù)設(shè)置框1)TextField1TextField1用于定義仿真元件類型，語法格式為：type=<DeviceType>(<SPICEPrefix>)其中，SPICEPrefix是SPICE前綴，DeviceType是器件類型，如：NPN——NPN雙極型晶體管。PNP——PNP雙極型晶體管。2)?TextField2TextField2用于定義仿真元件模型名，語法格式如下：model=<model_name>model_name是元件模型文件名，例如model=CAPSEMImodel=<parttype>3)TextField3TextField3用于指示TextField2項定義的模型名文件存放位置，語法格式如下：File={model_path}\<subpath>\<model_name>.<ext>其中，“file={model_path}\”是關(guān)鍵字，subpath是模型文件存放目錄路徑，model_name就是TextField2項指定的模型文件名，ext是模型文件擴(kuò)展名。4)?TextField4TextField4用于定義元件引腳編號，語法格式如下：pins=<part_no>:[<pin1>,<pin2>,<pin3>,...]...其中，part_no是同一封裝內(nèi)元件套號，而<pin1>,<pin2>,<pin3>是引腳編號。例如，對于LM324運(yùn)算放大器來說，同一封裝內(nèi)包含4套運(yùn)算放大器，則TextField4項內(nèi)容為pins=1:[3,2,4,11,1]2:[5,6,4,11,7]3:[10,9,4,11,8]4:[12,13,4,11,14]表明LM324運(yùn)算放大器內(nèi)第1套運(yùn)放占用3,2,4,11,1引腳；第2套運(yùn)放占用5,5,4,11,7引腳。而對于標(biāo)準(zhǔn)雙極型晶體管來說，TextField4項內(nèi)容為pins=1:[1,2,3]表明只有一套元件，引腳編號為1，2，3。值得注意的是，TextField4項列出的引腳順序并不重要，但引腳排列順序必須與元件模型文件頭給出的引腳排列順序相同。5)TextField5在TextField5文本盒內(nèi)輸入元件SPICE仿真參數(shù)，使用了類似于DOS批處理文件的啞元參數(shù)，語法格式如下：netlist=<SPICEData>|<SPICEDataline2>|...2.PartFieldNames單擊圖2-99中的“PartFieldNames”標(biāo)簽，在如圖6-59所示的窗口內(nèi)輸入元件仿真參數(shù)PartField1～16對應(yīng)的參數(shù)名稱字符串。圖6-59定義元件屬性窗口內(nèi)PartField1～16參數(shù)名稱在參數(shù)名中可以使用空格，但元件屬性窗口內(nèi)PartField1～16項中只顯示第一個空格前的單詞，如正弦信號Vsin元件“PartFieldNames”窗口內(nèi)第一個PartField文本盒內(nèi)容為“DCMagnitude”。但在原理圖中，雙擊正弦信號源后，在元件屬性窗口內(nèi)的“PartField1～8”標(biāo)簽窗口內(nèi)，僅觀察到“DC”，即不顯示參數(shù)名中空格后的文字信息。6.7.2創(chuàng)建仿真元件模型參數(shù)文本文件形式的仿真元件模型參數(shù)文件存放在“DesignExplorer99\Library\sim\SimulationModels.ddb”文件包內(nèi)相應(yīng)的文件夾中，打開SimulationModels.ddb文件后，直接在文本編輯狀態(tài)下輸入仿真元件參數(shù)文件即可。由