《電路仿真與PCB設計》課件第1章

1.1緒論

1.2PSpice的基本組成及主要功能

第1章電路設計仿真概述1.1.1PSpice的發(fā)展過程

1.?Spice通用電路分析程序

Spice的發(fā)展已走過40多年的歷程。美國加利福尼亞大學伯克利分校(D.c.Berkeley)于20世紀60年代末開發(fā)了CANCER電路分析程序，并在此基礎上，于1972年推出了Spice程序。1975年推出了升級版的Spice2，隨后又相繼推出了Spice2G，Spice3A，…，Spice3G。1.1緒論

Spice程序具有面板、示波器等整個電子實驗室的功能，可對復雜的電路與系統(tǒng)進行分析，這主要是由于Spice程序含有高精度元器件模型。獲取準確的器件模型參數(shù)對于電路分析和設計人員來說是非常重要的。Spice程序具有龐大的器件庫，其中包括無源器件模型，如電阻、電容、電感、傳輸線等；半導體器件模型，如二極管、雙極型晶體管、結型場效應管(JFET)、MOS場效應管(MOSFET)等；各種電源，包括線性和非線性的受控源，如獨立電壓源、電流源，受控電壓源、電流源等；模/數(shù)(A/D)、數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換接口電路以及數(shù)字電路器件庫。應用Spice程序，可以建立許多宏模型電路，這使得運算放大器、電壓比較器等電路功能的模擬成為可能。應用Spice程序還可以進行多種電路分析，這些分析包括：非線性直流分析(DC)，計算電路的直流工作點；線性小信號分析(AC)，分析電路的頻率響應；瞬態(tài)分析(TRAN)，確定電路的時域響應；小信號電路直流傳輸特性分析(TF)；直流小信號靈敏度分析(SENS)；畸變分析(伴隨交流分析)；噪聲分析(NOISE，伴隨交流分析)，計算特定輸出和輸入節(jié)點的等效輸出、輸入噪聲；輸出變量的傅里葉分析(FOUR)(與瞬態(tài)分析同時完成)；溫度分析(TEMP)；數(shù)字電路分析，包括電路的邏輯運算和延遲時間的計算、D/A轉(zhuǎn)換電路的分析。

2.?DOS版PSpice

DOS版PSpice軟件包具有通用、高效和多功能特點，它適用面廣，可仿真模擬、數(shù)字、接口等全部通用電路，同時具有電子工程設計的全部分析功能。另外，PSpiee極具特色的探測器(PROBE)功能，提供了全功能、全頻段的測試儀器平臺，其主要功能如下：

(1)直流分析：可實現(xiàn)工作點分析(OP)、掃描分析(DC)、小信號靈敏度分析(ENS)、轉(zhuǎn)移函數(shù)計算等。

(2)頻域分析：可實現(xiàn)頻響分析及噪聲分析。

(3)時域分析：可實現(xiàn)瞬態(tài)分析、頻譜分析、失真度分析和快速傅里葉變換(FFT)。

(4)器件容差統(tǒng)計分析：包括蒙特卡羅分析(MC)、靈敏度分析和最壞情況分析(WCASE)。

(5)溫度掃描分析。

(6)激勵波形編輯修改功能。

(7)器件模型參數(shù)建庫和修改功能。

DOS版的PSpice由以下3個部分組成：

(1)電路輸入文件編輯器Edit。將需要分析的電路按電路描述語言和規(guī)則進行輸入、編輯，加入控制指令，生成擴展名為“.dl”的文件。有語法錯誤時，編輯器會有錯誤信息提示。

(2)電路分析程序PSpice。PSpice可將電路輸入文件filename.eir按分析指令進行相應分析，生成filename.dat數(shù)據(jù)文件和filename.out輸出文件。filename.dat和filename.out文件可直接進行打印。

(3)曲線顯示處理器Probe程序。Probe程序可以顯示filename.dat數(shù)據(jù)文件記錄的輸入輸出曲線，可以以各種比例的線性坐標、對數(shù)坐標等方式顯示。

DOS版的PSpice還包括電源波形編輯產(chǎn)生器，可編輯、顯示各種輸入激勵源波形；模型組件庫產(chǎn)生器Parts，可以進行模型參數(shù)提取，建立新組件庫?？刂瞥绦駽S(ControlShell)將以上PSpice各種功能和各組成部分以窗口形式組合起來，產(chǎn)生一個良好的人機交互界面，便于用戶進行操作。

3.?Windows版PSpice

Windows版PSpice與DOS版PSpice的區(qū)別，主要在于用戶作業(yè)文件的輸入方式。DOS版的用戶作業(yè)文件只有一種文本方式，它需要用戶編寫待分析電路系統(tǒng)的PSpice源程序。而Windows版不僅可接收作業(yè)源程序，而且還可以以作業(yè)電路原理圖方式輸入。這樣對于習慣畫電路圖的工程技術人員來說就比較方便、直觀。隨著PSpice版本的更新，PSpice8.0軟件的功能和庫文件比以前增加了許多，用戶可以利用現(xiàn)有的庫資源分析電路與系統(tǒng)，應用范圍比以前大大擴展。1.1.2PSpice仿真軟件的優(yōu)越性

PSpice具有以下特點：

(1)圖形界面友好，易學易用，操作簡單。從DOS版的PSpice到Windows版的PSpice，該軟件由原來單一的文本輸入方式升級為原理圖輸入方式，使電路設計更加直觀形象。PSpice6.0以上版本全部采用菜單式結構，只要熟悉Windows操作系統(tǒng)就很容易掌握，利用鼠標和熱鍵一起操作，既提高了工作效率，又縮短了設計周期。即使沒有參考書，用戶只要具備一定的英語基礎就可以通過實際操作很快掌握該軟件。

(2)實用性強，仿真效果好。在PSpice中，對元件參數(shù)的修改很容易，它只需存一次盤、創(chuàng)建一次連接表，就可以實現(xiàn)一個復雜電路的仿真。如果用Protel等軟件進行參數(shù)修改仿真，則過程十分繁瑣。在改變一個參數(shù)時，哪怕是一個電阻阻值的大小都需要重新建立網(wǎng)絡表的連接，設置其他參數(shù)更為復雜。

(3)功能強大，集成度高。在PSpice內(nèi)集成了許多仿真功能，如直流分析、交流分析、噪聲分析、溫度分析等，用戶只需在所要觀察的節(jié)點放置電壓(電流)探針，就可以在仿真結果圖中觀察到其“電壓(或電流)-時間圖”。而且該軟件還集成了諸多數(shù)學運算功能，不僅為用戶提供了加、減、乘、除等基本的數(shù)學運算，還提供了正弦、余弦、絕對值、對數(shù)、指數(shù)等基本的函數(shù)運算，這些都是其他軟件所無法比擬的。1.2.1PSpice的基本組成

(1)設計管理器DesignManager。DesignManager可幫助管理設計文件，它有強大的文件管理能力，可以將一個設計中所有的輸入輸出文件以及電路圖等文件當作一個整體進行處理，并能觀察它們的結構。1.2PSpice的基本組成及主要功能

(2)電路圖輸入程序Schematics。PSpice的輸入形式一般有電路原理圖和網(wǎng)單文件兩種。采用電路原理圖的形式輸入比較簡單、直觀。在PSpice的電路元器件符號庫中除了必需有的電阻、電容、電感、晶體管等基本元器件外，還有運算放大器等宏模型符號，以及數(shù)字電路中的寄存器、門電路等。用戶在設計中，可以避開輸入麻煩的電路描述語句，而只需非常直觀地用電路圖編輯器進行電路圖的編輯。編輯成功后，可以利用電路原理圖編譯器把電路圖轉(zhuǎn)化成電路網(wǎng)單文件，并標上節(jié)點號，提供給仿真工具進行模擬，這樣對于習慣畫圖的工程技術人員來說比較方便、直觀。

(3)輸出結果繪圖程序Probe。Probe是PSpice8.0的輸出圖形后處理軟件包。它接收仿真程序輸出的繪圖文件(*.dat)，在屏幕上繪出波形曲線供仿真人員分析電路性能，并可輸出到打印機上。

(4)電路仿真程序PSpiceA/D。電路仿真工具是PSpice8.0的核心部分，它包括以下功能：直流工作點的分析、直流轉(zhuǎn)移特性分析、傳輸函數(shù)的計算、交流小信號分析、交流小信號的噪聲分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析、直流靈敏度分析、溫度分析、最壞情況分析和蒙特卡羅統(tǒng)計分析等，同時它還能夠?qū)?shù)?；旌想娐愤M行仿真。在使用過程中，它接受網(wǎng)單文件的輸入，并列方程進行計算求解，最后輸出結果。仿真的結果一般由圖形文件(*.dat)和數(shù)據(jù)文件(*.out)兩部分組成。

(5)激勵源編輯程序StimulusEditor。PSpice8.0中的信號源種類較多，尤其是瞬態(tài)分析的信號源，包括正弦源、脈沖源、指數(shù)源、分段線性源、單頻調(diào)頻源等。為了方便用戶設定這些信號源，PSpice8.0用激勵源編輯程序幫助用戶快速地建立輸入信號源波形。

(6)模型參數(shù)提取程序Parts。在實際電路設計中需要的元器件多種多樣，而模型參數(shù)庫中的模型是有限的。針對這一問題，PSpice給出了一個從元器件特性中直接提取參數(shù)模型的軟件包Parts。Parts是一個優(yōu)化提取的程序，可根據(jù)用戶給出的元器件特性或參數(shù)初值用曲線擬合等優(yōu)化算法，得到參數(shù)的最優(yōu)解，進而有了元器件的模型，然后將該模型放入庫中，就可以利用該模型進行仿真了。同時，PSpice8.0還允許用戶對已有的模型參數(shù)進行修改。

(7)電路設計優(yōu)化程序Optimizer。PSpice所提供的優(yōu)化工具Optimizer用于針對已經(jīng)具有大致基本功能的電路進行優(yōu)化。Optimizer將調(diào)整電路中某些參數(shù)的值，觀察參數(shù)的微弱變化對電路性能的影響，然后再次調(diào)整參數(shù)，直到達到要求為止。當對電路的性能要求較多時，需要調(diào)整的參數(shù)就多，這時Optimizer就會體現(xiàn)出它的強大功能。

(8)文本編輯器TextEdit。文本編輯器可以對輸入文件進行編輯，也可以瀏覽輸出的網(wǎng)單文件等。1.2.2PSpice的主要功能

PSpice8.0程序的主要功能有非線性直流分析、非線性暫態(tài)分析、線性小信號交流分析、靈敏度分析和統(tǒng)計分析。

1.直流分析

非線性直流分析功能簡稱直流分析。它是計算直流電壓源或直流電流源作用于電路時電路的工作狀態(tài)的。對電路進行的直流分析主要包括直流工作點分析、直流掃描分析和轉(zhuǎn)移函數(shù)分析。直流工作點是電路正常工作的基礎。通過對電路進行直流工作點的分析，可以知道電路中各元件的電壓和電流，從而知道電路是否正常工作以及工作的狀態(tài)。一般在對電路進行仿真的過程中，首先要對電路的靜態(tài)工作點進行分析和計算。

直流掃描分析主要是將電路中的直流電源、工作溫度、元件參數(shù)作為掃描變量，對這些參量以特定的規(guī)律進行掃描，從而獲取這些參量變化對電路各種性能參數(shù)的影響。直流掃描分析主要是為了獲得直流大信號暫態(tài)特性。與直流掃描分析相類似的還有溫度分析。在這種分析過程中，將電路的溫度作為掃描變量進行分析。因為電路的主要器件的特性都是與溫度有關的，所以這就為分析電路在環(huán)境變化時的工作情況提供了一種非常有用的工具。特別重要的是，通過這種分析，我們可以預測電路在某些特殊環(huán)境，如極端溫度條件、極端電源電壓條件或元件開路短路條件下的工作情況，從而在進行電路設計時采取必要的預防措施。

2.暫態(tài)分析

非線性暫態(tài)分析簡稱為暫態(tài)分析。暫態(tài)分析計算電路中電壓和電流隨時間的變化，即進行電路的時域分析。時域分析是指分析在某一函數(shù)激勵下電路的時域響應特性。通過時域分析，設計者可以清楚地了解到電路中各點的電壓和電流波形以及它們的相位關系，從而知道電路在交流信號作用下的工作狀況，檢查它們是否滿足電路設計的要求。

3.交流分析

線性小信號交流分析簡稱為交流分析。它是PSpice程序的主要分析功能。它能在交流小信號的條件下，選擇合適的線性模型將電路的非線性元件在其直流工作點附近線性化，然后在用戶指定的范圍內(nèi)輸入一個掃頻信號，并計算出電路的幅頻特性、相頻特性、輸入電阻、輸出電阻等。這種分析等效于電路的正弦穩(wěn)態(tài)分析即頻域分析。頻域分析用于分析電路的頻域響應即頻率響應特性。這種分析主要用于分析電路的幅頻特性和相頻特性。小信號轉(zhuǎn)移特性分析主要分析在小信號輸入的情況下電路的各種轉(zhuǎn)移函數(shù)，通常分析的是電路的電壓放大倍數(shù)。噪聲分析是電路設計的重要內(nèi)容之一。在模擬電路中，無源器件和有源器件均會產(chǎn)生噪聲，主要包括電阻產(chǎn)生的熱噪聲，半導體器件產(chǎn)生的散粒噪聲和閃爍噪聲。在噪聲分析時，將元件的噪聲等效為對一個輸入信號進行的交流分析。通過噪聲分析可以計算出各器件在某一輸出節(jié)點產(chǎn)生的總噪聲以及某一輸入節(jié)點的等效輸入噪聲，從而可以分析一個電路產(chǎn)生噪聲的主要來源，采取一定的電路設計措施來減小噪聲的影響。

4.靈敏度分析

靈敏度分析包括直流靈敏度分析和蒙特卡羅分析兩種。直流靈敏度分析也稱為靈敏度分析。它是在工作點附近將所有的元件線性化后，計算各元件參數(shù)值變化對電路