電子線路CAD技術（第二版）課件：電路仿真技術

電路仿真技術11.1概述

11.2電路仿真設計的一般流程

11.3繪制仿真電路圖

11.4實際電路仿真分析及其設置 11.1概述

在電路設計的始末，設計者總要對所設計的電路性能進行預測、判斷和校驗，過去常用的方法是數(shù)學和物理方法。這兩種方法對設計規(guī)模較小的電路是可行的，但存在某些局限和致命的缺陷。隨著電子技術的發(fā)展，構(gòu)成電路的元器件類型和數(shù)量也在不斷增多，對電路的可靠性、性價比的要求也越來越高，單純的數(shù)學和物理方法已經(jīng)不能滿足要求，因而計算機輔助電路仿真分析已成為現(xiàn)代電路設計師的主要助手和工具。

所謂電路仿真就是在電路模型上進行的系統(tǒng)性能分析與研究的方法，它所遵循的基本原則是相似原理。電路仿真按電路的類型不同，其分析的內(nèi)容也不同。

ProtelAdvancedSIM99是Protel99SE提供的一個功能強大的數(shù)/模混和信號電路仿真器，能提供連續(xù)的模擬信號和離散的數(shù)字信號仿真，并包含一個數(shù)目龐大的仿真庫。該仿真器運行于Protel99SE集成環(huán)境下，與Protel99SESchematic原理圖輸入程序協(xié)同工作，為用戶提供了一個完整的從設計到驗證的仿真設計環(huán)境，能夠很好地滿足電路仿真的需要。在Protel99SE中執(zhí)行仿真，只需要簡單地從仿真元件庫中放置所需的元件，連接好原理圖，加上激勵源，然后單擊仿真按鈕即可自動開始。設計者可以同時觀察復雜的模擬信號和數(shù)字信號波形，可以得到整個電路性能的全部波形。

Protel99SE中支持的電路仿真類型有：交流小信號分析，瞬態(tài)分析，噪聲分析，直流分析，參數(shù)掃描分析，溫度掃描分析，傅里葉分析和蒙特卡羅分析等。

11.2電路仿真設計的一般流程

在進行仿真之前首先要完成一張可以用于仿真的電路原理圖，這張電路原理圖必須滿足如下要求：

(1)所有元器件必須有相應的模型。

(2)必須要有激勵源。

(3)必須建立網(wǎng)絡標號來識別所分析的節(jié)點。

(4)如需要，應設定初始條件。

采用SIM99進行混合電路仿真的設計流程如圖11-1所示。圖11-1電路仿真的一般流程11.2.1SIM99仿真環(huán)境窗口及管理

下面以Protel99SE提供的范例介紹電路仿真的基本知識。打開D:\ProgramFiles\DesignExplorer99SE\Examples\

CircuitSimulation\555AstableMultivibrator.ddb設計數(shù)據(jù)庫，將看到如圖11-2所示的窗口。圖11-2SIM99仿真環(huán)境窗口在顯示仿真結(jié)果的窗口單擊鼠標左鍵，即進入查看仿真波形環(huán)境，瀏覽管理器將變成如圖11-3所示的BrowseSimData對話框。在BrowseSimData頁面中，窗口被分為四大部分：仿真信號列表區(qū)、觀察方式設置區(qū)、顯示比例、光標測量區(qū)。通過該窗口可以選擇所要顯示的信號以及顯示選擇項，例如選擇顯示單個信號(Single)或同時顯示所有信號(AllCells)等，同時可以打開測量光標來測量波形數(shù)據(jù)。圖11-3BrowseSimData對話框在仿真數(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

將鼠標移到仿真輸出信號下方橫線上，當鼠標箭頭變?yōu)槿鐖D11-4所示上下雙向箭頭時，按下左鍵不放，拖動鼠標，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。圖11-4調(diào)整顯示幅度

2.調(diào)整仿真波形窗口內(nèi)信號的顯示位置

將鼠標移到波形窗口內(nèi)相應的仿真輸出信號名稱上，按下鼠標左鍵不放，拖動鼠標器，即可發(fā)現(xiàn)一個虛線框(代表信號名稱)隨鼠標的移動而移動。當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11-5所示即為波形重疊顯示。圖11-5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軸或偏移量大小(當然也可以在文本框直接輸入相應的數(shù)值)。

改變顯示刻度后，在X、Y方向上可能觀察不到完整的波形，這時可執(zhí)行View菜單下的FitWaveforms(適合波形)命令或在波形顯示區(qū)域單擊右鍵，選擇FitWaveforms，如圖11-6所示，即可重新調(diào)節(jié)波形大小。圖11-6改變顯示刻度

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)窗口內(nèi)找出并單擊需要顯示的信號，如vcc，然后再單擊【Show】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11-7所示。

當需要將Waveforms窗口內(nèi)多個相鄰的信號波形同時加入到波形觀察窗口內(nèi)時，可按如下步驟操作：將鼠標移到Waveforms窗口內(nèi)第一個需要顯示的信號上，單擊左鍵，按下Shift鍵不放，再將鼠標移到最后一個需要顯示的信號上單擊左鍵，即可選擇多個相鄰的信號，然后釋放Shift鍵，再單擊【Show】按鈕即可。當需要將Waveforms窗口內(nèi)多個不相鄰的信號波形同時加入到波形觀察窗口內(nèi)時，按如下步驟操作：將鼠標移到Waveforms窗口內(nèi)第一個需要顯示的信號上，單擊左鍵，按下Ctrl鍵不放，再將鼠標移到需要顯示的信號上并單擊左鍵，直到選中了所有需要顯示的信號，然后釋放Ctrl鍵，再單擊【Show】按鈕即可。圖11-7添加vcc后的仿真波形對話框

5.隱藏仿真波形觀察窗口內(nèi)的信號波形

將鼠標移到波形觀察窗口內(nèi)需要隱藏的信號名上，單擊鼠標左鍵，使目標信號處于選中狀態(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11-8中的trigger，然后再單擊【Hide】按鈕，相應仿真信號即從波形觀察窗口內(nèi)消失。圖11-8處于選中狀態(tài)的trigger信號

6.波形測量

單擊圖11-3所示窗口內(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out)，“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)測量標尺；或者選中目標信號后單擊右鍵，選擇CursorA或者CursorB。如圖11-9所示為測量標尺對話框。圖11-9測量標尺對話框?qū)⑹髽艘频綔y量標尺上，按下左鍵不放并移動鼠標，即可從X、Y坐標上了解到波形任一點處的準確數(shù)值。用戶可同時測量兩個信號，即在“A”框內(nèi)選擇某一測量信號后，還可在“B”窗口內(nèi)選擇另一信號，結(jié)果波形窗口上將同時出現(xiàn)A、B信號測量標尺，這樣即可從“B-A”窗口內(nèi)了解到當前A、B兩信號點的差(同一信號兩點之間的差或不同信號兩點之間的差)、最小值(MinimumA..B)、最大值(MaximumA..B)、平均值(AverageA..B)、均方值(RMSA..B)、頻率差(FrequencyA..B)等。

7.只觀察一個單元格內(nèi)的信號

將鼠標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髽艘频侥骋恍盘枂卧駜?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11-10所示僅顯示一個單元格內(nèi)的信號。圖11-10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11-11所示刻度選擇對話框內(nèi)，重新選擇X、Y軸度量單位。

可供選擇的X軸度量單位：Linear(線性)、Log(對數(shù))。

可供選擇的Y軸度量單位與被觀察信號的類型有關，其中：

Real：實數(shù)或復數(shù)信號形式中的實部。

Imaginary：復數(shù)信號形式中的虛部。

Magnitude：幅度(Uo/Ui)。MagnitudeInDecibels：以分貝表示的幅度，即Au=20lg(Uo/Ui)。

PhaseInDegrees：相位(度)。

PhaseInRadians：相位(梯度)。圖11-11刻度選擇對話框

9.設置波形窗口其他選項——背景顏色、顯示計算點

可執(zhí)行View菜單下的Option…命令，在如圖11-12所示的波形窗口設置對話框內(nèi)，重新選擇波形窗口背景、前景以及柵格線顏色等。圖11-12波形窗口設置對話框

10.創(chuàng)建新的觀察對象

Protel99SE仿真功能做了較大的改進，可以使用Waveforms窗口內(nèi)的【New】按鈕，創(chuàng)建更為復雜的觀察對象。下面以建立R1兩端的壓降為例，介紹新波形的創(chuàng)建過程。

(1)在圖11-3中，單擊Waveforms窗口內(nèi)的【New】按鈕，進入圖11-13所示CreateNewWaveform(創(chuàng)建新波形)設置對話框。圖11-13創(chuàng)建新波形設置對話框

(2)由于新創(chuàng)建波形vr1=vcc-dchg，因此可在“信號列表”窗內(nèi)找出并單擊vcc信號；接著在“函數(shù)列表”(即運算符)窗內(nèi)找出并單擊“-”(即減號運算符)；再到“信號列表”窗內(nèi)找出并單擊dchg信號，Expression文本盒內(nèi)即出現(xiàn)vcc-dchg表示式，如圖11-14所示。圖11-14創(chuàng)建了vcc-dhcg

(3)單擊【Create】按鈕，新建立波形vr1=vcc-dchg即出現(xiàn)在波形窗口內(nèi)，如圖11-15所示。

這樣就可以利用已有信號通過數(shù)學函數(shù)(即運算符)構(gòu)造更復雜的觀察對象了。圖11-15增加了新波形vcc-dchg

11.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，本例所示仿真方式設置窗口內(nèi)，同時選擇了OperatingPointAnalyses(靜態(tài)工作點分析)和TransientAnalysis(瞬態(tài)特性分析)，則仿真波形窗口下方將列出相應仿真結(jié)果波形標簽，單擊相應的仿真波形標簽，即可觀察到對應仿真方式的結(jié)果。如圖11-16所示為仿真波形窗口切換示意圖。圖11-16仿真波形窗口的切換11.2.2Run和Sources命令

1.?Run

運行仿真命令。此命令也可以通過單擊主工具欄上的按鈕來實現(xiàn)。如果還沒有進行仿真設置，則不能馬上選擇此命令，而需要先選擇Setup命令。

有時候由于設置的仿真時間太長，或者設置的仿真步長太小而導致仿真過程較長，此時如果想終止仿真過程，可以單擊主工具欄上的Stopsimulate按鈕來結(jié)束仿真。

2.?Sources

在對電路進行仿真之前，要先給電源提供激勵源，此子菜單羅列出了較常用的激勵源，如+5V、-5V、+12V、-12V直流電壓源，頻率為1kHz、10kHz、1MHz等的正弦波以及頻率為1kHz、10kHz、1MHz等的方波。這些激勵源使用起來十分方便，在Simulate菜單中單擊Sources子菜單上的箭頭，彈出如圖11-17所示的Sources下拉菜單，然后再選擇所需的激勵源即可。圖11-17Sources子菜單11.2.3CreatSpiceNetlist命令

Protel99SE仿真引擎使用的是Spice，用Spice仿真需要使用網(wǎng)表文件，而使用Protel99SE仿真電路用戶不需編寫網(wǎng)表文件，因為這些工作都由Protel自動完成了，所獲得的網(wǎng)表文件被傳送給Spice進行仿真。

在Simulate菜單中選擇CreatSpiceNetlist子菜單，就可以生成一個名為555AstableMultivibrator.nsx的網(wǎng)表文件。11.2.4Setup命令

在對電路進行仿真之前，通常要對仿真進行相應的設置，單擊Simulate菜單中的Setup子菜單，就會彈出如圖11-18所示的AnalysesSetup對話框，在此進行仿真設置。下面主要介紹該對話框的含義。圖11-18AnalysesSetup對話框

1.選擇分析類型

圖11-18是AnalysesSetup對話框Gerneral選項。在SelectAnalysestoRun組中列出了Protel99SE所支持的分析類型：靜態(tài)工作點分析、直流掃描分析、溫度掃描分析、參數(shù)掃描分析、瞬態(tài)分析/博里葉分析、噪音分析、交流小信號分析、傳遞函數(shù)和蒙特卡羅分析等。用戶可以根據(jù)需要選擇其中一個或多個參數(shù)進行分析。

2.選擇所收集的信號類型

Protel99SE在仿真過程中產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，用戶可自由選擇保存數(shù)據(jù)的類型。比如節(jié)點電壓、節(jié)點電流、支路電流和流經(jīng)器件的電流、功率等。在圖11-18中單擊CollectDataFor收集數(shù)據(jù)類型右邊的向下箭頭，彈出如圖11-19所示的下拉選框，在此可以選擇保存何種數(shù)據(jù)到輸出結(jié)果中。圖11-19選擇所收集的信號類型以下是下拉選框中各項及其意義：

(1)?NodeVoltageandSupplyCurrent。保存每個節(jié)點的電壓和流經(jīng)每個電源的電流。

(2)?NodeVoltage，SupplyandDeviceCurrent。保存每個節(jié)點的電壓及流經(jīng)每個電源和器件的電流。

(3)?NodeVoltage，SupplyCurrents，DeviceCurrentsandPower。保存每個節(jié)點的電壓及流經(jīng)每個電源和器件的電流和功率。

(4)?NodeVoltage，SupplyCurrentandSubcircuitVARs。保存每個節(jié)點的電壓及流經(jīng)每個電源和器件或子電路中變量的電流和電壓。

(5)?ActiveSignals。只收集與所選擇的激活變量相關的數(shù)據(jù)。此選擇針對性強，但所選擇的激活變量只能是電路中的節(jié)點電壓或電源電流等。

3.選擇仿真內(nèi)容

SheetstoNetlist的下拉選框用于確定仿真內(nèi)容(如何生成網(wǎng)表文件)，圖11-20中所示的是其選項，其含義如下：

(1)?ActiveSheet。使用當前激活的電路圖文件生成網(wǎng)表文件。

(2)?Activeproject。使用當前激活的項目文件(可能會有多個電路圖文件)生成網(wǎng)表文件。

(3)?Activesheetplussubsheets。使用當前激活的電路圖文件及子電路圖文件(可能會有多個子電路圖文件)生成網(wǎng)表文件。圖11-20SheetstoNetlist下拉選框

4.選擇欲激活的信號

所謂激活的信號是指在仿真結(jié)束后，這些信號的波形或數(shù)據(jù)將被顯示到相應的區(qū)域中，以供用戶觀察和分析。如圖11-21所示，左邊是所有可選的信號，右邊是所選擇的激活信號。在仿真時，用戶可根據(jù)需要選擇所要激活的信號。表11-1所示是中間那些按鈕的功能，點擊這些按鈕就可選擇要激活的信號。圖11-21選擇欲激活信號表11-1選擇欲激活信號的按鈕功能表若想把DCHG作為激活信號，只需單擊AvailableSignals下拉選框中的DCHG信號，然后單擊按鈕即可；刪除一個信號操作與此類似。如果需要全部選中，則只需單擊按鈕即可；如果需全部刪除，則只需單擊按鈕即可。

技巧：用鼠標雙擊某個信號變量，即可把其從一邊移到另一邊。也可以使用Shift鍵(連續(xù)選)或Ctrl鍵(不連續(xù)選)來同時選擇多個信號。

5.高級選項

單擊高級選項按鈕，可進行高級仿真設置，如圖11-22所示。圖11-22高級選項設置對話框選擇仿真計算模型、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，用這些選項去控制和限制電路分析的參量。比如電流絕對精度(ABSTOL)、所有分析結(jié)束后是否輸出統(tǒng)計信息，那么就單擊ACCT后，在OptionValue的輸出框輸入YES，然后按【Enter】按鈕即可。但必須注意，一般并不需要修改高級選項設置，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者，更不要隨意修改高級選項設置，否則將引起不良后果。

6.運行仿真

在所有的設定都完畢后，即可單擊圖11-18中的按鈕對電路進行仿真了。

單擊按鈕，關閉AnalysesSetup對話框。

單擊按鈕，獲得聯(lián)機幫助。 11.3繪制仿真電路圖

11.3.1加載仿真元件庫

利用原理圖編輯器編輯仿真測試原理圖時，在編輯原理圖過程中，除了導線、電源符號、接地符號外，原理圖中所有元器件的電氣圖形符號，均要取自電路仿真測試用電氣圖形符號數(shù)據(jù)庫文件包Sim.ddb內(nèi)相應的元件電氣圖形符號庫文件*.Lib中，否則仿真時會因找不到元件模型參數(shù)(如三極管的放大倍數(shù)、C-E結(jié)反向漏電流)而終止仿真過程。為方便用戶使用，Protel99SE包含了大約5800個模擬和數(shù)字器件，它們都有與其相對應的模型。Protel99SE提供的仿真元件庫存放在*:\ProgramFiles\DesignExplorer99SE\Library\Sch\Sim.ddb(根據(jù)安裝目錄而定)中，在打開的電路原理圖界面單擊【Add/Remove】按鈕，彈出如圖11-23所示的添加、刪除庫文件對話框，在庫文件中找到Sim.ddb文件并單擊，然后單擊【Add】按鈕，再單擊【OK】按鈕即可加載仿真元件庫。圖11-23添加、刪除仿真元件庫文件11.3.2Sim99仿真庫中的元器件

在Protel99SE中，每一仿真元件的電氣特性由元件電氣圖形符號和元件模型參數(shù)描述。仿真測試原理圖用元器件電氣圖形符號(多數(shù)為工業(yè)標準)，分類存放在如下電氣圖形符號庫(.Lib)文件中，各庫文件說明如表11-2所示。表11-2電氣圖形符號庫說明元器件仿真模型參數(shù)存放在DesignExplorer99SE\

Library\Sim文件夾內(nèi)的SimulationModels.ddb文件包中。需要指出的是，元器件仿真模型參數(shù)數(shù)據(jù)庫文件為文本文件，它記錄了器件的仿真模型參數(shù)，由仿真程序調(diào)用，不可隨意修改或刪除。

在放置元件操作過程中，按Tab鍵進入元件屬性窗口后，設置元件有關參數(shù)時，必須注意，一般僅需要指定必須參數(shù)，如序號、型號、大小(如果打算從電路原理圖獲取自動布局所需的網(wǎng)絡表文件時，還需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，否則不宜修改。在SIM99的仿真元件庫(Sim.ddb)中，包含了如下的一些主要的仿真用元器件：

(1)電阻器。在庫SimulationSymbols.Lib中，包含了如下電阻器：

?RES固定電阻(定阻)。

?RESSEMI半導體電阻。

?RPOT電位計。

?RVAR變電阻。

上述符號代表了一般的電阻類型，如圖11-24所示。圖11-24仿真庫中的電阻類型這些元器件有一些特殊的仿真屬性域。在放置過程中按Tab鍵或放置完成后，雙擊該器件彈出屬性設置對話框，就可設置元器件屬性：

?Designator——電阻器名稱(如R1)。

?PartType——以歐姆(Ω)為單位的電阻值(如100kΩ)。

?L——在PartFields選項卡中設置，以米(m)為單位的電阻的長度(僅僅對半導體電阻)。

?M——在PartFields選項卡中設置，以米(m)為單位的電阻的寬度(僅僅對半導體電阻)。

??Temp——在PartFields選項卡中設置，元件工作溫度，以攝氏度(℃)為單位。默認時為27℃(僅僅對半導體電阻)。

?Set——在PartFields選項卡中設置，僅僅對電位計和可變電阻。

對于固定電阻來說，僅需在元件屬性窗口內(nèi)指定元件序號(Designator，如R1、R2等)及阻值(Part，如10K、5.1K)；對可變電阻器、電位器，還需指定SET參數(shù)，取值范圍為0～1，即SET等于電位器(或可變電阻器)第1引腳到觸點處電阻與電位器總電阻之比。除半導體電阻器RESSEMI外，固定電阻器、可變電阻器、電位器等均視為理想元件，即電阻溫度系數(shù)為0，也沒有寄生電感、寄生電容。

(2)電容器。在庫SimulationSymbols.Lib中，包含了如下電容：

?CAP定值無極性電容。

?CAP2定值有極性電容。

?CAPSEMI半導體電容。

這些符號表示了一般的電容類型，如圖11-25所示。圖11-25仿真庫中的電容類型對電容屬性有如下設置：

?Designator——電容名稱(如C1)。

?PartType——以法拉(F)為單位的電容值(如22μF)。

?L——在PartFields選項卡中設置，以米(m)為單位的電容的長度(僅僅對半導體電容)。

?M——在PartFields選項卡中設置，以米(m)為單位的電容的寬度(僅僅對半導體電容)。

?IC——在PartFields選項卡中設置，表示初始條件，即電容的初始電壓值。該項僅在仿真分析工具傅里葉變換中的使用初始條件被選中后才有效。對于固定電容來說，僅需指定電容序號(Designator，如C1、C2等)及容量(Part，如10μ、22μ)；對半導體電容器來說，還需要指定L、W參數(shù)。在瞬態(tài)特性分析及傅里葉分析(Transient/Fourie)過程中，可能還需要指定零時刻電容兩端的電壓初值IC(InitialConditions，即初始條件)，缺省時電容兩端電壓初值IC為0V。以上電容器均視為理想電容器，即溫度系數(shù)為0，且不考慮寄生電阻(如漏電阻、引線電阻)及寄生電感。

(3)電感器。在庫SimulationSymbols.Lib中，包含的電感為INDUCTOR。

對電感屬性的對話框有如下設置：

?Designator——電感名稱(如L1)。

?PartType——以亨(H)為單位的電感值(如47μH)。

IC——在PartFields選項卡中設置，表示初始條件，即電感的初始電壓值。該項僅在仿真分析工具傅里葉變換中的使用初始條件被選中后才有效。在元件屬性窗口內(nèi)僅需指定電感序號(Designator，如L1、L2等)及電感量(Part，如1m、22μ等)。在瞬態(tài)特性分析及傅里葉分析(Transient/Fourie)過程中，可能還需指定零時刻電感中的電流初值IC，缺省時電感中的電流初值IC為0A。

電感也被認為是理想元件，即溫度系數(shù)為0，忽略寄生電阻和寄生電容。

(4)二極管、三極管及結(jié)型場效應管。工業(yè)標準各類二極管(Diode)的電氣圖形符號存放在Diode.Lib元件庫文件中；工業(yè)標準各類雙極型晶體管電氣圖形符號存放在BJT.Lib元件庫文件中；單結(jié)晶體管電氣圖形符號存放在UJT.Lib元件庫文件中；各類結(jié)型場效應管(JEFT)電氣圖形符號存放在JEFT.Lib元件庫文件中，這四類元件仿真參數(shù)包括：

?Designator——二極管、三極管及結(jié)型場效應管名稱(如D1、Q1)。

?AREA：面積因子(可選)。

?OFF：靜態(tài)工作點分析時，管子的初始狀態(tài)(缺省時為關閉狀態(tài)，可選)。

?IC：零時刻二極管端電壓或流過三極管中的電流(可選)。

?TEMP：環(huán)境溫度(可選)，缺省時為27℃。

對于這類元器件來說，一般僅需要在元件屬性窗口內(nèi)給出Designator(元件序號，用如D1、D2等作為二極管序號，用Q1、Q2等作為三極管序號)。除非絕對必要，否則不要指定可選參數(shù)(即一律設為“*”，采用缺省值)。此外，對于二極管及后面介紹的三極管、場效應管、可控硅以及各類集成電路芯片等元件的Part(型號)屬性項也不能隨意更改，否則可能出現(xiàn)張冠李戴的現(xiàn)象，或因SimulationModels.ddb庫文件內(nèi)沒有相應的元件模型參數(shù)，而終止仿真過程。

如圖11-26所示，該圖簡單列出了上述庫中包含的二極管、三極管及結(jié)型場效應管的類型。圖11-26仿真庫中的二極管、三極管和結(jié)型場效應管類型

(5)?MOS場效應管。各類MOS場效應管(MOSFET)電氣圖形符號存放在MOSFET.Lib元件庫文件中，這類元件仿真參數(shù)包括：

?Designator——MOS場效應管名稱(如Q1)。

?L——溝道長度，單位為米(m)，在PartFields選項卡中設置。

?W——溝道寬度，單位為米(m)，在PartFields選項卡中設置。

?AD——漏區(qū)面積，單位為平方米(m2)，在PartFields選項卡中設置。

?AS——源區(qū)面積，單位為平方米(m2)，在PartFields選項卡中設置。

?PD——漏區(qū)周長，單位為米(m)，在PartFields選項卡中設置。

?PS——源區(qū)周長，單位為米(m)，在PartFields選項卡中設置。

?NRD——漏極的相對電阻率的方塊數(shù)，在PartFields選項卡中設置。

?NRS——源極的相對電阻率的方塊數(shù)，在PartFields選項卡中設置。

?OFF——可選項，在操作點分析中使三極管電壓為零，在PartFields選項卡中設置。

?IC——可選項，表示初始條件，即通過MOS場效應管的初始值。該項僅在仿真分析工具傅里葉變換中的使用初始條件被選中后才有效，在PartFields選項卡中設置。

?Temp——可選項，元件工作溫度，以攝氏度(℃)為單位。默認時為27℃，在PartFields選項卡中設置。

對于這類元器件來說，一般只需要在元件屬性窗口內(nèi)給出Designator(元件序號，如Q1、Q2等)。除非絕對必要，否則不改變可選參數(shù)(即一律設為“*”，采用缺省值)。如圖11-27所示，該圖簡單列出了庫中包含的MOS場效應管。圖11-27仿真庫中的MOS場效應管類型

(6)保險絲。保險絲(Fuse)電氣圖形符號存放在DesignExplorer99SE\Library\Sch\Sim.ddb文件包內(nèi)的SimulationSymbols.Lib庫文件中，在元件屬性窗口內(nèi)需要指定下列

參數(shù)：

?Designator：元件序號，如F1、F2等。

?Current：電流容量，如250mA、2.0A等。

?Resistance：串聯(lián)電阻(可選)，指保險絲的阻抗。

如圖11-28所示，該圖簡單列出了仿真庫中保險絲的形式。圖11-28仿真庫中保險絲的類型

(7)變壓器。仿真用變壓器類元件電氣圖形符號存放在DesignExplorer99SE\Library\Sch\Sim.ddb文件包內(nèi)的Transformer.Lib元件庫文件中，在元件屬性窗口內(nèi)需要指定下列參數(shù)：

?Designator：元件序號(如TF1、TF2等)。

?Ratio：次級/初級線圈電壓傳輸比，缺省時為0.1，即初次級電壓傳輸比為10∶1。必要時，還可以指定下列可選參數(shù)：

?RP：初級線圈直流電阻。

?RS：次級線圈直流電阻。

?LEAK：漏感。

?MAG：互感。

如圖11-29所示，該圖簡單列出了仿真庫中包含的變壓器類型。圖11-29仿真庫中的變壓器類型

(8)繼電器。仿真用繼電器類元件電氣圖形符號存放在DesignExplorer99SE\Library\Sch\Sim.ddb文件包內(nèi)的Relay.Lib元件庫文件中，在元件屬性窗口內(nèi)需要指定下列參數(shù)：

?Designator：元件序號，如RLY1、RLY2等。

?Pullin：吸合電壓(可選)。

?Dropoff：釋放電壓(可選)。

?Contact：接觸電阻(可選)。

?Resistance：線圈電阻(可選)。

?Inductance：線圈電感(可選)。

如圖11-30所示，該圖簡單列出了仿真庫中包含的繼電器。圖11-30仿真庫中繼電器的類型

(9)晶體振蕩器。仿真用石英晶體振蕩器元件電氣圖形符號存放在DesignExplorer99SE\Library\Sch\Sim.ddb文件包內(nèi)的Crystal.Lib元件庫文件中，在元件屬性窗口內(nèi)需要指定下列參數(shù)：

?Designator：元件序號。

?Freq：振蕩頻率，缺省值為2.5Meg。

?RS：串聯(lián)電阻(可選)。

?C：等效電容(可選)。

?Q：品質(zhì)因數(shù)(可選)。

(10)可控硅及雙向可控硅。工業(yè)標準單向可控硅元件和雙向可控硅元件的電氣圖形符號分別存放在SCR.Lib和Triac.Lib元件庫內(nèi)，在元件屬性窗口中僅需要指定Designator(元件序號)。

(11)運算放大器、比較器。工業(yè)標準通用運算放大器、比較器的電氣圖形符號分別存放在OpAmp.Lib和Comparator.Lib元件庫文件中，對于這類元件只需在其屬性窗口內(nèi)指定元件序號(如U1、U2或IC1、IC2等)，無需給出其他仿真參數(shù)。

(12)?TTL及CMOS數(shù)字集成電路。74系列TTL集成電路芯片元件電氣圖形符號存放在74XX.Lib庫文件(DesignExplorer99SE\Library\Sch\Sim.ddb)內(nèi)；4000系列CMOS集成電路芯片的電氣圖形符號存放在CMOS.Lib庫文件(DesignExplorer99SE\Library\Sch\Sim.ddb)內(nèi)。

在放置這兩類數(shù)字集成電路元器件前，需按Tab鍵進入元件屬性設置窗口，指定下列仿真參數(shù)：

?Designator：元件序號(如U1、U2或IC1、IC2等)。

?Propagation：延遲時間，可選，缺省時取典型值，可以設為Min(最小值)、“*”或空白(典型值)、Max(最大值)。

?Loading：輸入特性參數(shù)，可選，缺省時取典型值。這一設置項影響所有輸入?yún)?shù)的取值范圍，如低電平輸入電流IIL、高電平輸入電流IIH等，可以設為Min(最小值)、“*”或空白(典型值)、Max(最大值)，一般取典型值即可。

?Drive：輸出特性參數(shù)，可選，缺省時取典型值。這一設置項影響所有輸出參數(shù)的取值范圍，如高電平輸出電流IOH、低電平輸出電流IOL、短路輸出電流IOS等，可以設為Min(最小值)、“*”或空白(典型值)、Max(最大值)，一般取典型值即可。

?Current：電源電流，可選，缺省時取典型值，可以設為Min(最小值)、“*”或空白(典型值)、Max(最大值)。這一設置項影響ICCL(低電平輸出時電源電流)、ICCH(高電平輸出時電源電流)，一般取典型值即可。

?PWRValue：電源電壓(不過在指定電源電壓時，必須指定地電平)，可選(TTL集成電路芯片為+5V，CMOS集成電路芯片為+15V)。一般不用指定，即設為“*”。當需要改變電源電壓時，可在圖11-22的仿真高級選項框內(nèi)指定，或直接在仿真原理圖中給出電源供電電路。

?GNDValue：地電平，可選，一般不用指定，設為“*”即可。當指定地電平時，必須指定電源電壓。

?VILValue：低電平輸入電壓，可選，缺省時取典型值(一般不用修改，取缺省即可。TTL電路低電平輸入最大值為0.8V；CMOS電路低電平輸入最大值為0.2VDD)。

?VIHValue：高電平輸入電壓最小值，可選，缺省時取典型值(對于TTL電路約1.4V，對于CMOS電路來說，約為0.7VDD)。

?VOLValue：低電平輸出電壓，可選，缺省時取典型值(對于TTL電路，不指定時，為0.2V；對于CMOS電路，不指定時，為0.0V)。

?VOHValue：高電平輸出電壓，可選，缺省時取典型值(對于TTL電路，不指定時為4.6V；對于CMOS電路，不指定時，等于電源電壓VDD)。

?WARN：警告信息，可選。

(13)節(jié)點電壓初始值(.IC)。初始條件.IC可視為一個特殊元件，存放在SimulationSymbols.Lib元件庫內(nèi)，用于定義瞬態(tài)分析過程中零時刻某節(jié)點的電壓初值(如電容上的電壓初值)，直接放置在指定節(jié)點上。

在.IC元件屬性窗口內(nèi)僅需指定元件序號(Designator，如IC1、IC2等)及初值(Part，如1、0.5m等)。在原理圖中，用?.IC元件定義各節(jié)點電壓初值后，進行瞬態(tài)分析時如果采用初始條件的話(即選中了瞬態(tài)分析參數(shù)設置窗內(nèi)的UseInitialConditions復選項)，將不再計算電路直流工作點，而采用?.IC元件定義的節(jié)點電壓初值以及器件仿真參數(shù)中的初值IC(器件仿真參數(shù)中的IC優(yōu)先于?.IC元件定義的節(jié)點電位初值)作為瞬態(tài)分析的初始條件。

反之，如果瞬態(tài)分析時沒有選擇UseInitialConditions復選項，則進行瞬態(tài)分析前依然要進行直流工作點分析，以便獲得瞬態(tài)分析零時刻各節(jié)點電位的初值。但在計算直流工作點時，將使用.IC元件定義的電壓值作為對應節(jié)點電壓的初值，即?.IC值同樣會影響瞬態(tài)特性。

(14)節(jié)點電壓設置(.NS)。.NS也是一個特殊的元件，存放在SimulationSymbols.Lib元件庫內(nèi)。在分析雙穩(wěn)態(tài)或不穩(wěn)定電路瞬態(tài)特性時，用于定義某些節(jié)點電位直流解的預收斂值，即先假設對應節(jié)點電位收斂于?.NS指定的數(shù)值，然后進行計算，收斂后又去掉?.NS約束繼續(xù)迭代，直到真正收斂為止，也就是說?.NS并沒有影響到節(jié)點電壓的最終計算值。

此外，尚有許多的其他元器件，這里不一一列舉。在編輯原理圖過程中，可通過如下方式了解器件各參數(shù)的含義：單擊Help菜單下的Contents命令，打開ProtelHelp窗口；指向并單擊“仿真”幫助話題Workingwithsimulations(仿真操作)——如果單擊某一幫助話題后，提示沒有相應幫助文件，建議訪問Protel站點，原因是當前工作目錄不是Protel安裝目錄，可執(zhí)行“打開”命令，在OpenDesignDatabase窗口內(nèi)，選擇DesignExplorer99SE\Help目錄作為當前目錄，在不選擇任何文件的情況下，執(zhí)行其中的“打開”命令即可；然后單擊Simulationtopics(仿真話題)下的Configuringaschematicforsimulation(仿真原理圖設置)，接著單擊Links(關聯(lián)話題)中的Selectingsimulation-readyschematiccomponents(原理圖元件的選擇)，然后再單擊相應的元件類型即可獲得有關仿真參數(shù)的詳細說明。11.3.3仿真信號源及其參數(shù)

由于所有激勵源電氣圖形符號均作為元件存放在仿真符號圖形庫SimulationSymbols.Lib內(nèi)，選擇SimulationSymbols.Lib作為當前元件圖形庫后，即可在元件列表窗內(nèi)找到相應的激勵源，單擊鼠標左鍵選中后，再單擊【Place】按鈕，即可將它放到原理圖編輯區(qū)內(nèi)(與放置元件電氣圖形符號的操作方法相同)。

(1)直流電壓源VSRC與直流電流源ISRC。這兩種激勵源作為仿真電路工作電源，在庫SimulationSymbols.lib中，包含了如下的直流源器件：

?VSRC：電壓源。

?ISRC：電流源。仿真庫中的電壓/電流源符號如圖11-31所示。這些源提供了用來激勵電路的一個不變的電壓或電流輸出。對直流源其屬性對話框可如下設置：

?Designator——直流源器件名稱。

?ACMagnitude——交流源幅值。如果設計者欲在此電源上進行交流小信號分析，可在PartFields選項卡中設置此項(典型值為1)。圖11-31電壓/電流源符號

?ACPhase——交流源信號的相位，在PartFields選項卡中設置。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)、型號(PartType，即大小，如5、12、5m等)，設置屬性對話框如圖11-32所示。圖11-32直流電源屬性設置對話框

(2)正弦波信號源(SinusoidWaveform)。正弦波信號源在電路仿真分析中常作為瞬態(tài)分析、交流小信號分析的信號源。在庫SimulationSymbols.lib中，包含了如下的正弦仿真源器件：

?VSIN：正弦電壓源。

?ISIN：正弦電流源。

仿真庫中的正弦電壓/電流源符號如圖11-33所示。通過這些源可創(chuàng)建正弦波電壓和電流源。圖11-33正弦電壓/電流符號對正弦仿真源的屬性對話框有如下設置：

?Designator——設置所需的激勵源器件名稱，如INPUT。

?DCMagnitude——此項將不設置。

?ACMagnitude——AC小信號分析時的信號振幅，典型值為1V。不需要進行AC小信號分析時可設為“*”或0；對于放大器來說，一般取小于1V，如1mV、10mV等。如果設計者欲在此電源上進行小信號分析，可在PartFields選項卡設置此項(典型值為1)。

?Phase——AC小信號的電壓相位，在PartFields選項卡中設置。

?OFFSET——疊加在交流信號上的直流電壓或電流偏移量，在PartFields選項卡中設置。

?Amplitude——正弦曲線的峰值，如100V，在PartFields選項卡中設置。

?Frequency——正弦波的頻率，單位為Hz，在PartFields選項卡中設置。

?Delay——延遲時間。單位為s，在PartFields選項卡設置。

?DampingFactor——阻尼因子。每秒正弦波幅值上的減少量，設置為正值將使正弦波以指數(shù)形式減少；為負值則將使幅值增加；如果為0，則給出一個不變幅值的正弦波，在PartFields選項卡中設置。

?PhaseDelay——正弦信號相位，單位為度(阻尼因子需取缺省值“*”以外的值)。如該項設為90，就變成余弦信號源，在PartFields選項卡中設置。設置屬性對話框如圖11-34所示。

注意：對于正弦信號激勵源以及后面介紹的脈沖信號激勵源、分段線性激勵源來說，一般只需給出序號，不宜修改Part(型號)等參數(shù)。

根據(jù)圖11-34正弦信號源屬性所設置參數(shù)的正弦信號源的特征波形圖如圖11-35所示，可見當直流偏壓Offset大于0(0.200V)時相當于波形上移。圖11-34正弦信號源屬性設置對話框圖11-35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，在庫SimulationSymbols.lib中包含了如圖11-36所示的周期脈沖源器件：

?VPULSE：電壓脈沖源。

?IPULSE：電流脈沖源。圖11-36周期脈沖激勵源利用這些源可以創(chuàng)建周期的連續(xù)脈沖。對周期脈沖源的屬性對話框可如下設置：

?Designator——設置所需的激勵源器件名稱，如INPUT。

?DC——此項將被忽略，在PartFields選項卡中設置。

?AC——AC小信號分析時的信號振幅，典型值為1V。如果設計者欲在此電源上進行小信號分析，可設置此項，在PartFields選項卡中設置。

?ACPhase——AC小信號的電壓相位，在PartFields選項卡中設置。

?InitialValue——脈沖起始電壓或電流值，在PartFields選項卡中設置。

?PulsedValue——脈沖信號幅度。當脈沖信號幅度為負時，是負脈沖，上升沿將變?yōu)橄陆笛兀陆底優(yōu)樯仙?，在PartFields選項卡中設置。

?TimeDelay——延遲時間，可以為0。激勵源從初始狀態(tài)到激發(fā)時的延時，單位為s，在PartFields選項卡中設置。

?RiseTime——上升時間，必須大于0，當需要上升沿很陡的脈沖信號源時，可將上升沿設為1ns或更小)，在PartFields選項卡中設置。

?FallTime——下降時間，必須大于0，當需要下降沿很陡的脈沖信號源時，可將下降沿設為1ns或更小)，在PartFields選項卡中設置。

?PulseWidth——脈沖寬度，即脈沖激發(fā)狀態(tài)的時間，單位為s，在PartFields選項卡中設置。

?Period——脈沖周期，單位為s，如5s，在PartFields選項卡中設置。

脈沖激勵信號源屬性設置對話框如圖11-37所示。圖11-37脈沖信號激勵源屬性設置對話框上述參數(shù)描述的脈沖信號激勵源特征波形如圖11-38所示(其中PulsedValue=100mV，Period=8ms，PulseWidth=3ms)。圖11-38脈沖激勵源波形圖

(4)分段線性激勵源VPWL與IPWL。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。庫SimulationSymbols.lib中，包含了如下的分段線性源器件：

?VPWL：分段線性電壓源。

?IPWL：分段線性電流源。

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(對于VPWL信號源來說，轉(zhuǎn)折點坐標由“時間/電壓”構(gòu)成；對于IPWL信號源來說，轉(zhuǎn)折點坐標由“時間/電流”構(gòu)成)，如圖11-39所示。其中各項參數(shù)的含義如下：圖11-39分段線性激勵源器件

?Designator——設置所需的激勵源器件名稱，如INPUT。

?DCMagnitude——此項將被忽略，在PartFields選項卡中設置。

?ACMagnitude——交流小信號分析時的信號幅度。如果設計者欲在此電源上進行小信號分析，可設置此項(典型值為1)，在PartFields選項卡中設置。

?ACPhase——AC小信號的電壓相位，在PartFields選項卡中設置。

?Time/Voltage——轉(zhuǎn)折點時間/電壓坐標序列，如坐標為：(0μs5V)、(2.5μs5V)、(5.0μs2V)、(7.5μs5V)、(10μs1V)等。輸入時各數(shù)據(jù)之間用空格隔開。在PartFields選項卡中設置。

?FileName——包含分段線性源數(shù)據(jù)的外部文件。這一文件必須在同一目錄下，文件的擴展名為“.pwl”，在PartFields選項卡中設置。如圖11-40所示為分段線性激勵源的屬性設置對話框。

上述參數(shù)描述的分段線性激勵源的特征波形如圖11-41所示。圖11-40分段線性激勵源屬性設置對話框圖11-41分段線性激勵源波形圖通過設置分段線性激勵源VPWL的參數(shù)，就可以獲得電路分析所需的幾種常用信號源，如階躍函數(shù)激勵源(模擬上電波形或掉電波形)、沖激響應激勵源(脈沖幅度大，持續(xù)時間短的單個脈沖激勵源，該激勵源常用于分析干擾信號對電路性能的影響)、單脈沖激勵源(如復位脈沖信號、置位脈沖信號)以及階梯信號源等。例如，當Time/Voltage設為(00V)、(0.001μ5.0V)就是階躍函數(shù)。在分段線性激勵源中，電壓或電流是時間的單值函數(shù)，或者說信號下降沿或上升沿時間不能設為0。例如，當Time/Voltage設為(05.0V)、(20μ5.0V)、(20μ0)(含義是時間t為0時，電壓為5.0V；在0～20μs期間，電壓為5.0V；時間t大于20us后，電壓為0V)，仿真時將給出錯誤提示，可改為(05.0V)、(20μ5.0V)、(20.001μ0)。

(5)單頻調(diào)頻源——VSFFM和ISFFM。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，它位于Sim.ddb數(shù)據(jù)庫文件包內(nèi)的SimulationSymbols.Lib元件庫文件中，在庫中包含如下的單頻調(diào)頻源器件：

?VSFFM電壓源。

?ISFFM電流源。

圖11-42中是仿真庫中的單頻調(diào)頻源器件。通過這些源可創(chuàng)建一個單頻調(diào)頻波，調(diào)頻波信號源屬性如圖11-43所示。圖11-42單頻調(diào)頻源圖11-43調(diào)頻波信號源屬性設置對話框在調(diào)頻波信號源屬性設置對話框內(nèi)，需要指定下列參數(shù)：

?Designator：在原理圖中的序號(如INPUT等)。

?DCMagnitude：可以忽略的直流電壓。

?ACMagnitude：交流小信號分析時的信號振幅。

?ACPhase：交流小信號分析時的信號相位。

?Offset：疊加在調(diào)頻波上的直流偏壓。

?Amplitude：載波振幅。

?CarrierFrequency：載波頻率。

?ModulationIndex：調(diào)制系數(shù)。

?SignalFrequency：調(diào)制信號頻率。根據(jù)圖11-43所示的參數(shù)確定的調(diào)制波信號的數(shù)學表達式為

V(t)=VO+VA*sin(2*PI*Fc*t+MDI*sin(2*PI*Fs*t))

其中：VO=Offset；VA=Amplitude；Fc=Carrier；MDI=Modulation(也就是最大頻偏與調(diào)制信號頻率之比)；Fs=Signal。

根據(jù)圖11-43所示屬性設置窗中參數(shù)所定義的調(diào)頻波激勵源波形如圖11-44所示。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)如何設置，除了從“幫助”菜單中獲得有關信息外，還可以從Protel99SE的仿真實例中受到啟發(fā)。在DesignExplorer99SE\Example\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、仿真激勵源的參數(shù)設置方法。圖11-44調(diào)頻波激勵波形11.3.4繪制原理圖并標明節(jié)點序號

解決了如何使用仿真元件庫的問題，現(xiàn)在開始繪制電路原理圖。下面以圖11-45所示的雙結(jié)型晶體管放大電路為例介紹仿真原理圖繪制方法。該電路工作原理非常簡單，因此電路的靜態(tài)工作點等直流參數(shù)能夠進行手算，同時能夠根據(jù)三極管的工作原理分析此電路的交流輸出波形，可以將計算和分析結(jié)果與Protel99SE仿真結(jié)果進行比較。圖11-45雙結(jié)型晶體管放大電路下面來具體說明操作步驟：

(1)運行Protel99SE，并新建設計數(shù)據(jù)庫mydesign.ddb。

(2)加載仿真元件庫sim.ddb。

(3)放置電阻器。在Simulationsymbols.lib找到RES并選用，對照圖11-45中所示電阻(固定電阻器RES)及參數(shù)放置5個電阻(R1，R2，R3，R4，R5)。

(4)放置電容器(固定電容器CAP)。在Simulationsymbols.lib找到CAP并選用，對照圖11-45所示的電容及參數(shù)，設置3個電容(C1，C2，C3)。

(5)放置雙結(jié)型晶體管。在BJT.lib中找到2N2222A并選用，其名稱為Q1，其余屬性使用缺省值即可。

(6)加入?yún)⒖嫉鼐€和直流電源VCC。

(7)連接導線。在工作區(qū)點擊右鍵，選擇“PlaceWire”。

(8)放置正弦電壓源。在Simulationsymbols.lib找到VSIN并選用，再按下Tab鍵打開如圖11-46所示的Part屬性對話框，進行屬性設置。圖11-46正弦電壓源屬性設置對話框

(9)加入節(jié)點序號(NetLabel)IN、OUT、B、C、E。節(jié)點序號也稱網(wǎng)絡標號，它用于標示節(jié)點，以示區(qū)別。對于節(jié)點較少的簡單電路，應該為每個節(jié)點都標上節(jié)點序號，增加整個電路的可讀性。對于較大型的電路，至少要為重要節(jié)點(特別是需要觀察信號的節(jié)點)表明節(jié)點序號。完成之后的電路原理圖如圖11-45所示。 11.4實際電路仿真分析及其設置

在前面的示例中已經(jīng)看到了兩種類型的電路仿真分析，即靜態(tài)工作點分析和瞬態(tài)分析，這里將介紹使用Protel99SE對圖11-45所示的電路圖進行詳細的仿真設置。

1.靜態(tài)工作點分析

靜態(tài)工作點是在分析放大電路時提出來的，它是放大電路正常工作的重要條件。當放大器的輸入信號短路，即將圖11-45中IN直接接地，則放大器處于無信號輸入狀態(tài)，稱為靜態(tài)。如果靜態(tài)工作點選擇不合適，則波形會失真，因此設置合適靜態(tài)工作點是放大電路工作的前提。在圖11-45中R1、R3就是放大電路的偏置電阻。靜態(tài)工作點分析設置如下：

(1)在原理圖工作環(huán)境下，單擊主菜單中的Simulate菜單，并選擇Setup命令。

(2)在圖11-47所示的General頁面中，只選擇OperatingPointAnalysis項(前面打鉤)。圖11-47選擇OperatingPointAnalysis

(3)在ActiveSingles欄中選擇B、C、E三個信號。

(4)其余的按照圖中所示設置。

(5)單擊【RunAnalyses】按鈕，即得如圖11-48所示的仿真結(jié)果。圖11-48靜態(tài)分析結(jié)果前面已經(jīng)提到，靜態(tài)工作點對放大電路的工作會產(chǎn)生極大的影響，那么將R1的電阻值由18K改成100K，在圖11-47中同時選擇靜態(tài)工作點分析和瞬態(tài)分析，選擇B、C、E、IN、OUT為激活信號，然后單擊【RunAnalyses】按鈕進行仿真，其靜態(tài)工作點仿真結(jié)果如圖11-49所示，其瞬態(tài)分析結(jié)果如圖11-50所示。圖11-49R1=100K時的靜態(tài)工作點分析結(jié)果圖11-50R1=100K時的瞬態(tài)分析結(jié)果說明：很明顯，這種波形已經(jīng)嚴重變形，不是所需要的結(jié)果。應用靜態(tài)工作點及放大電路動態(tài)分析特性知識，改變電路相關參數(shù)，即可得到截止失真和飽和失真的結(jié)果。

2.直流掃描分析

直流掃描分析就是直流轉(zhuǎn)移特性分析，輸入可在一定范圍內(nèi)變化，例如某個電壓從1V變化到20V，步長可自己設定，每一個電壓都將計算出一套電壓參數(shù)，并用于顯示。下面來分析圖11-45中的電源電壓當V2從1V變化到20V，步長為1V時，觀察R1上的電流和功率。步驟如下：

(1)在繪制原理圖環(huán)境下，單擊主菜單中的Simulate菜單，并選擇Setup命令。

(2)在圖11-47所示的General頁中，只選擇DCSweep(前面打鉤)。

(3)在ActiveSingles欄中選擇R1[I]、R1[P]兩個信號。

(4)其余的按圖中所示設置。

(5)單擊【DCSweep】按鈕，按圖11-51所示完成設置。圖11-51直流掃描分析參數(shù)設置

(6)單擊【RunAnalyses】按鈕，即可得到如圖11-52所示的仿真結(jié)果。圖11-52R1上的電流及功率分析

3.交流分析

AC交流小信號分析是在一定的頻率范圍內(nèi)計算電路和響應，用于獲得電路如放大器、濾波器等的幅頻特性、相頻特性曲線。一般說來，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；另一方面，當輸入信號頻率較低時，耦合電容的影響就不能忽略，而當輸入信號頻率較高時，三極管極間寄生電容、引線電感同樣不能忽略，因此在輸入信號幅度保持不變的情況下，輸出信號的幅度或相位總是隨著輸入信號頻率的變化而變化。

AC交流小信號分析屬于線性頻域分析，仿真程序首先計算電路的直流工作點，以確定電路中非線性器件的線性化模型參數(shù)。然后在設定的頻率范圍內(nèi)，對已線性化的電路進行頻率掃描分析，相當于用掃頻儀觀察電路的幅頻特性。交流小信號分析能夠計算出電路的幅頻和相頻特性或頻域傳遞函數(shù)。在進行AC小信號分析時，輸入信號源中至少給出一個信號源的AC小信號分析幅度及相位，一般情況下，激勵源中AC小信號分析幅度設為１個單位(例如，對于電壓源來說，AC小信號分析電壓幅度為1V)，相位為0，這樣輸出量就是傳遞函數(shù)。但在分析放大器頻率特性時，由于電壓放大倍數(shù)往往大于1，且電源電壓有限，因此信號源中AC小信號分析電壓幅度須小于1V，如取1mV、10mV等，以保證放大器不因輸入信號幅度太大，使輸出信號出現(xiàn)截止或飽和失真。進行AC小信號分析時，保持激勵源中AC小信號振幅不變，而激勵源的頻率在指定范圍內(nèi)按線性或?qū)?shù)變化時，計算出每一頻率點對應的輸出信號的振幅，這樣即可獲得頻率—振幅曲線，從而獲得電路的頻譜特性(類似于通過信號源、毫伏表、頻率計等儀器儀表，在保持輸入信號幅度不變時，逐一測量不同頻率點對應的輸出信號幅度)，以便直觀地了解電路的幅頻特性、相頻特性(且從幅頻特性中還可獲得電路的增益)。下面分析圖11-45所示的頻率響應：

(1)在繪制原理圖環(huán)境下，單擊主菜單中的Simulate菜單，并選擇Setup命令。

(2)在圖11-47所示的General頁中，只選擇ACSmallSigalAnalysis(前面打鉤)。

(3)在ActiveSingles欄中選擇OUT信號。

(4)其余的按圖11-47所示設置。

(5)修改交流激勵源的AC小信號屬性，如圖11-53所示。圖11-53激勵源交流小信號設置對話框

(6)單擊【ACSmallSigalAnalysis】按鈕，按圖11-54所示完成設置。圖11-54交流分析設置

(7)單擊【RunAnalyses】按鈕，即得如圖11-55所示交流分析仿真波形。圖11-55交流分析結(jié)果

4.溫度掃描分析

溫度掃描是指在一定溫度范圍內(nèi)進行電路參數(shù)計算，從而確定電路的溫度漂移等性能指標。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。溫度掃描分析就是模擬環(huán)境溫度變化時電路性能指標的變化情況，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性能指標隨溫度變化的情況。下面以圖11-45為例，當設置溫度在－10～100℃范圍變化，步長為30℃時，觀察電路的特性。操作步驟如下：

(1)在繪制原理圖環(huán)境下，單擊主菜單中的Simulate菜單，并選擇Setup命令。

(2)在圖11-47所示的General頁中，只選擇TemperatureSweep(前面打鉤)。

(3)在ActiveSingles欄中選擇OUT信號。

(4)其余的按圖11-47所示設置。

(5)單擊【TemperatureSweep】按鈕，按圖11-56所示完成設置。圖11-56溫度掃描設置

(6)單擊【RunAnalyses】按鈕，彈出如圖11-57所示選擇配合溫度掃描分析類型對話框。圖11-57選擇配合溫度掃描分析的分析類型此對話框表明，溫度掃描分析不能單獨進行，必須在進行瞬態(tài)分析、交流分析、直流掃描或傳遞函數(shù)分析時方可進行。

(7)點擊【Yes】按鈕后將選擇瞬態(tài)分析并關閉此對話框，得到如圖11-58所示溫度掃描的結(jié)果。

圖11-58所示下面的波形是用不同顏色表示的瞬態(tài)分析結(jié)果。但是由于顯示比例太小，它們重疊在一起，幾乎看不出任何區(qū)別，因此需要進行單獨顯示，并進行局部放大，即可清楚地看到溫度對瞬態(tài)分析的影響。圖11-58溫度掃描分析結(jié)果

5.噪聲分析

電阻和半導體器件等都能產(chǎn)生噪聲，噪聲電平取決于頻率。電阻和半導體器件會產(chǎn)生不同類型的噪聲。噪聲分析在電路設計中較為常見，下面以圖11-45為例，說明噪聲分析的設置方法，其操作步驟如下：

(1)在繪制原理圖環(huán)境下，單擊主菜單中的Simulate菜單，并選擇Setup命令。

(2)在圖11-47所示的General頁中，只選擇Noise(前面打鉤)。

(3)在ActiveSingles欄中選擇OUT信號。

(4)其余的按圖11-47所示設置。(5)修改交流激勵源的AC小信號屬性，如圖11-53所示。

(6)單擊【Noise】按鈕，按圖11-59所示完成設置。圖11-59噪聲分析設置以下是各設置參數(shù)說明：

NoiseSource區(qū)域：選擇一個用于計算噪聲的參考信號源(獨立電壓源或獨立電流源)。

?StartFrequency區(qū)域：指定起始頻率。

?StopFrequency區(qū)域：指定終止頻率。

?Tes