Altium Designer中的電路仿真

AltiumDesigner中的電路仿真今天看了下AltiumDesigner的電路仿真功能，發(fā)現(xiàn)它還是蠻強(qiáng)大的，按著help里面的文檔《TU0106Defining&runningCircuitSimulationanalyses.PDF》跑了一下，覺得還行，所以就把這個(gè)文檔翻譯下。。。。。其中包含了仿真功能的介紹，元件仿真模型的添加與修改，仿真環(huán)境的設(shè)置，等等。本人對(duì)SPICE仿真了解的不多，里面涉及到SPICE的文件如果有什么錯(cuò)誤，歡迎提出！一、電路仿真功能介紹AltiumDesigner的混合電路信號(hào)仿真工具，在電路原理圖設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)模混合信號(hào)電路的功能設(shè)計(jì)仿真，配合簡(jiǎn)單易用的參數(shù)配置窗口，完成基于時(shí)序、離散度、信噪比等多種數(shù)據(jù)的分析。AltiumDesigner可以在原理圖中提供完善的混合信號(hào)電路仿真功能,除了對(duì)XSPICE標(biāo)準(zhǔn)的支持之外，還支持對(duì)Pspice模型和電路的仿真。AltiumDesigner中的電路仿真是真正的混合模式仿真器，可以用于對(duì)模擬和數(shù)字器件的電路分析。仿真器采用由喬治亞技術(shù)研究所(GTRI)開發(fā)的增強(qiáng)版事件驅(qū)動(dòng)型XSPICE仿真模型，該模型是基于伯克里SPICE3代碼，并于且SPICE3f5完全兼容。SPICE3f5模擬器件模型：包括電阻、電容、電感、電壓/電流源、傳輸線和開關(guān)。五類主要的通用半導(dǎo)體器件模型，如diodes、BJTs、JFETs、MESFETs和MOSFETs。XSPICE模擬器件模型是針對(duì)一些可能會(huì)影響到仿真效率的冗長(zhǎng)的無需開發(fā)局部電路，而設(shè)計(jì)的復(fù)雜的、非線性器件特性模型代碼。包括特殊功能函數(shù)，諸如增益、磁滯效應(yīng)、限電壓及限電流、s域傳輸函數(shù)精確度等。局部電路模型是指更復(fù)雜的器件，如用局部電路語法描述的操作運(yùn)放、時(shí)鐘、晶體等。每個(gè)局部電路都下在*.ckt文件中，并在模型名稱的前面加上大寫的X。數(shù)字器件模型是用數(shù)字SimCode語言編寫的，這是一種由事件驅(qū)動(dòng)型XSPICE模型擴(kuò)展而來專門用于仿真數(shù)字器件的特殊的描述語言，是一種類C語言，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字器件的行為及特征的描述，參數(shù)可以包括傳輸時(shí)延、負(fù)載特征等信息；行為可以通過真值表、數(shù)學(xué)函數(shù)和條件控制參數(shù)等。它來源于標(biāo)準(zhǔn)的XSPICE代碼模型。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€(gè)數(shù)字器件模型寫在同一個(gè)文件中。AltiumDesigner可實(shí)現(xiàn)如下功能：1、仿真電路建立及與仿真模型的連接AD中由于采用了集成庫技術(shù)，原理圖符號(hào)中即包含了對(duì)應(yīng)的仿真模型，因此原理圖即可直接用來作為仿真電路，而99SE中的仿真電路則需要另行建立并單獨(dú)加載各元器件的仿真模型。2、外部仿真模型的加入AD中提供了大量的仿真模型，但在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中仍然需要補(bǔ)充、完善仿真模型集。一方面，用戶可編輯系統(tǒng)自帶的仿真模型文件來滿足仿真需求，另一方面，用戶可以直接將外部標(biāo)準(zhǔn)的仿真模型倒入系統(tǒng)中成為集成庫的一部分后即可直接在原理圖中進(jìn)行電路仿真。3、仿真功能及參數(shù)設(shè)置AltiumDesigner的仿真器可以完成各種形式的信號(hào)分析，在仿真器的分析設(shè)置對(duì)話框中，通過全局設(shè)置頁面，允許用戶指定仿真的范圍和自動(dòng)顯示仿真的信號(hào)。每一項(xiàng)分析類型可以在獨(dú)立的設(shè)置頁面內(nèi)完成。AltiumDesigner中允許的分析類型包括：直流工作點(diǎn)分析瞬態(tài)分析和傅立葉分析交流小信號(hào)分析阻抗特性分析噪聲分析Pole-Zero(臨界點(diǎn))分析傳遞函數(shù)分析蒙特卡羅分析參數(shù)掃描溫度掃描等二、操作步驟2.1、使用AltiumDesigner仿真的基本步驟如下：裝載與電路仿真相關(guān)的元件庫在電路上放置仿真元器件(該元件必須帶有仿真模型)繪制仿真電路圖，方法與繪制原理圖一致在仿真電路圖中添加仿真電源和激勵(lì)源設(shè)置仿真節(jié)點(diǎn)及電路的初始狀態(tài)對(duì)仿真電路原理圖進(jìn)行ERC檢查，以糾正錯(cuò)誤設(shè)置仿真分析的參數(shù)運(yùn)行電路仿真得到仿真結(jié)果修改仿真參數(shù)或更換元器件，重復(fù)5~8的步驟，直至獲得滿意結(jié)果。2.2、具體實(shí)現(xiàn)電路仿真的整個(gè)過程2.2.1、創(chuàng)建工程在工具欄選擇File?New?Project?PCBProject，創(chuàng)建一個(gè)PCB工程并保存。在工具欄選擇File?New?Schematic，創(chuàng)建一個(gè)原理圖文件并保存。2.2.2、原理圖展示測(cè)試電路如圖1：

圖12.2.3、編輯原理圖1、放置有仿真模型的元件根據(jù)上面的電路，我們需要用到元器件“LF411CN”,點(diǎn)擊左邊“Library”標(biāo)簽，使用search功能查找LF411CN。找到LF411CN之后，點(diǎn)擊“PlaceLF411CN”，放置元件，若提示元件庫未安裝，需要安裝，則點(diǎn)擊“yes”，如圖2：圖2在仿真元件之前，我們可以按“TAB”鍵打開元件屬性對(duì)話框，在“Designator”處填入U(xiǎn)1；接著查看LF411CN的仿真模型：在左下角Models列表選中Simulation，再點(diǎn)擊“Edit”，可查看模型的一些信息，如圖3。

圖3從上圖可以看出，仿真模型的路徑設(shè)置正確且?guī)斐晒Π惭b。點(diǎn)擊“ModelFile”標(biāo)簽，可查看模型文件（若找不到模型文件，這里會(huì)有錯(cuò)誤信息提示），如圖4。點(diǎn)擊“NetlistTemplate”標(biāo)簽，可以查看網(wǎng)表模板，如圖5。^DESIGNATORXI542*4^DESIGNATORXI542*4K5?MODELXU1LFtLIHSCbNet&mT已叫話弛KNetfclPreviewRModelFJe7kN戒hUTEpla煬"XPitewe項(xiàng)NbddFfe]圖5至此，可以放置此元件。2、為元件添加SIMModel文件用于電路仿真的Spice模型(.ckt和.mdl文件)位于Library文件夾的集成庫中，我們使用時(shí)要注意這些文件的后綴。模型名稱是模型連接到SIM模型文件的重要因素，所以要確保模型名稱設(shè)置正確。查找Altium集成庫中的模型文件步驟如下：點(diǎn)擊Library面板的Search按鈕，在提示框中填入：HasModel('SIM','*',False)進(jìn)行搜索；若想更具體些可填入：HasModel('SIM','*LF411*',False)。若我們不想讓元件使用集成庫中提供的仿真模型，而想用別的模型代替，我們最好將別的模型文件復(fù)制到我們的目標(biāo)文件夾中。如果我們想要用的仿真模型在別的集成庫中，我們可以：點(diǎn)擊File?Open，打開包含仿真模型的庫文件(.intlib)。在輸出文件夾(打開集成庫時(shí)生成的文件夾)中找到仿真文件，將其復(fù)制到我們自己的工程文件夾中，之后我們可以進(jìn)行一些修改。復(fù)制好模型文件，再為元器件添加仿真模型。為了操作方便，我們直接到安裝目錄下的“Examples/CircuitSimulation/Filter”文件夾中，復(fù)制模型文件“LF411C.ckt”到自己的工程文件夾中，接下來的步驟：在Project面板中，右擊工程，選擇“AddExistingtoProject”，將模型文件添加到本工程中。雙擊元件U1，打開元件屬性對(duì)話框，在Model列表中選擇Simulation，點(diǎn)擊Remove按鈕，刪除原來的仿真模型。點(diǎn)擊Model列表下方的Add下拉按鈕，選擇“Simulation”在ModelSub-Kind中選擇“SpiceSubcircuit"，使得Spice的前綴為“X”在ModelName中輸入“LF411C”，此時(shí)AD會(huì)搜索所有的庫，來查詢是否有與這名稱匹配的模型文件。如果AD找到一個(gè)匹配的文件，則立即停止尋找。對(duì)于不是集成庫中的模型文件，AD會(huì)對(duì)添加到工程的文件進(jìn)行搜索，然后再對(duì)搜索路徑(Project?ProjectOptions)中的文件進(jìn)行搜索。如果找不到匹配的文件，則有錯(cuò)誤信息提示。最后的步驟是檢查管教映射是否正確，確保原理圖中元件管腳與模型文件中管腳定義相匹配。點(diǎn)擊“PortMap”，如圖6：

圖6修改管腳映射，在ModelPin列表下拉選擇合適的引腳，使其和原先的SIM模型(LF411_NSC)相同。我們可以點(diǎn)擊NetlistTemplate標(biāo)簽，注意到其模型順序?yàn)?，2,3,4,5；如圖7：［回DESIGNATOR5(1X2決X4(?MODEL\NetlistTemplateKMelt就Pr&view/.ModelFit/圖7這些和ModelFile標(biāo)簽中的.SUBCKT頭相對(duì)應(yīng)，如圖8：*Sng1LoOffsetLoDriftJFETOpAinp*Sng1LoOffsetLoDriftJFETOpAinppkg:DIP.6pkg:CAN83,2,8,4,6.aHoii-InvertingInputInvertingInput|PositivePowerSupplyIIINegativePowerSupplyIIIOutputTOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"III]I.SUBCKTLF411C1234SCl11123.4$eE-L2C2&7ISE-12DCE53DX、tit?匚a匚njr、.、'\NetliwtTemplMSkN堿瘋?cè)?。仍ew入MmlelFHe廠圖8因此，在“PortMap”標(biāo)簽中的“ModelPin”列表中，我們可以看到1(1),2(2),3(3),4(4),5(5),被列舉出來，其中第一個(gè)數(shù)字就是模型管腳(就是NetlistTemplate中的%1,%2等)，而subcircuit的頭則對(duì)應(yīng)著小括號(hào)里面的數(shù)字。在Spicenetlist中，我們需要注意其中節(jié)點(diǎn)的連接順序，這些必須和.SUBCKT頭中的節(jié)點(diǎn)順序相匹配。Netlist頭描述了每個(gè)管腳的功能，根據(jù)這些信息我們可以將其連接到原理圖管腳，如：1(1)是同相輸入，故需連接到原理圖管腳3。原先的管腳映射和修改的管腳映射如圖9：SchematicPinModelPinSchematicPinModelPin5(BAL)—5(5)5(BALjNotConnected3(IN+j3(3)3(IN*)KD2(IN-J2(2)2(IN-)2(2)6(OUT)NotConnected6(OUTJ5(5)7(V+)NotConnected7㈣3(3)4|V?)4(4]泌4(4)8(NC)NotConnected8(NCJNotConnected1(HAL)KD1(BAL)NotConnectedOriginalpinmappingModifiedpinmapping圖9之后點(diǎn)擊“OK”，完成自定義仿真模型的添加。3、放置有仿真模型的電阻電容放置電阻前，我們可以按“TAB”鍵，打開元件屬性窗口，設(shè)置電阻值；在Model列表中，選中“Simulation”，點(diǎn)擊“Edit”，查看仿真模型屬性。一般系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置就是正確的，如果沒修改過，應(yīng)該有如圖10屬性：圖10同理，放置電容的情況也一樣，先設(shè)置電容值，再查看仿真模型屬性，如圖11:圖114、放置電壓源首先放置VDD電源。使用“Library”面板的search功能，檢索關(guān)鍵字“VSRC”；查找到“VSRC”之后，雙擊元件，若提示集成庫未安裝則安裝，其集成庫為“SimulationSources.IntLib”。在放置元件前，按TAB”鍵，打開元件屬性對(duì)話框，再編輯其仿真模型屬性，先確保其“ModelKind”為“VoltageSource”，“ModelSub-Kind”為“DCSource”。點(diǎn)擊“Parameters”標(biāo)簽，設(shè)置電壓值，輸入“5V”，并使能“ComponentParameter^，之后點(diǎn)擊OK，完成設(shè)置。如圖12：SimModel-VoltageSource/DCSourceModelKindiFardmeters\PortMapValueACMagnitudeACPhaseWCompotienl四泊metwVDD<1><2>SVAC00\NetlistTemplate>NetliwtP『#WeiwKMddelF也/OKCancel圖12同理放置VSS,并設(shè)置其電壓值為“-5V”最后添加正弦信號(hào)輸入：同樣是SimulationSources.IntLib中的VSRC，打開其仿真模型屬性對(duì)話框，設(shè)置“ModelKind”為“VoltageSource”，而“ModelSub-Kind”設(shè)置為“Sinusoidal”。點(diǎn)擊“Parameters”標(biāo)簽，設(shè)置電壓值，可按如圖13設(shè)置：SimModel-VoltageSource/SmusoidalModelKind!ParametersiPo(tM^p^ir-siir-siis—sirs-?-一:sIIComponeritparameterDCMagnitude0DCMagnitude0ACMagnitude1ACPhase0Offset0Amplitude5Frequency5DKDela^DDampirigFactor0PhaseD□□□□□□□□a^DESIGNATORKI%2?lhDCMAGNITUDE"|DC也“DCMAGNITUDE"|Template■N畫listPreviewRMod目File/OKCared圖13之后點(diǎn)擊OK,設(shè)置完成，放置信號(hào)源。5、放置電源端口。1）點(diǎn)擊“Place?PowerPort”，在放置前按“TAB”鍵，設(shè)置端口屬性。2）其中對(duì)于標(biāo)簽VDD和VSS，其端口屬性為“BAR”。3）對(duì)于標(biāo)簽GND，其端口屬性為“PowerGround”。4）對(duì)于標(biāo)簽OUT（網(wǎng)絡(luò)），其端口屬性為“Circle”6、連線，編譯根據(jù)上面的原理圖連接好電路，并在相應(yīng)的地方放置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)簽，之后編譯此原理圖。2.2.4、仿真設(shè)置MiHedSirX點(diǎn)擊“Design?Simulate?MixSim”，或是點(diǎn)擊工具欄中（可通過“View?Toolbars?MixedSim”調(diào)出）的I」I圖標(biāo)，進(jìn)入設(shè)置窗口。如圖14：圖14按照?qǐng)D中顯示設(shè)置好“CollectDataFor”，“SheetstoNetlist”和“SimViewSetup”等三個(gè)區(qū)域，并且我們可以看到有一系列的信號(hào)在“AvailableSigna-中，這些都是AD計(jì)算出來并可以進(jìn)行仿真的信號(hào)。如果我們想要觀察某個(gè)信號(hào)，只需將其導(dǎo)入（雙擊此信號(hào)）到右邊的“ActiveSignal”中；同理，若想刪除“ActiveSignal”中的信號(hào)，也可以通過雙擊信號(hào)實(shí)現(xiàn)。

1、傳輸函數(shù)分析（包括傅立葉變換）設(shè)置傳輸函數(shù)分析會(huì)生成一個(gè)文件，此文件能顯示波形圖，計(jì)算時(shí)間變化的瞬態(tài)輸出（如電壓，電流）。直流偏置分析優(yōu)先于瞬態(tài)分析，此分析能夠計(jì)算出電路的直流偏置電壓；如果“UseInitialConditions”選項(xiàng)被使能，直流偏置分析則會(huì)根據(jù)具體的原理圖計(jì)算偏置電壓。首先應(yīng)該使能“TransientAnalysis”；然后取消“UseTransientDefaults”選項(xiàng)，為了觀察到50Khz信號(hào)的三個(gè)完整波形，我們將停止時(shí)間設(shè)置為60u；并將時(shí)間增長(zhǎng)步長(zhǎng)設(shè)置為100n，最大增長(zhǎng)步長(zhǎng)為200n。最終設(shè)置如圖15：圖152、交流小信號(hào)分析設(shè)置交流小信號(hào)分析的輸出文件顯示了電路的頻率響應(yīng)，即以頻率為變量計(jì)算交流小信號(hào)的輸出值（這些輸出值一般是電壓增益）。1）首先我們的原理圖必須有設(shè)置好參數(shù)的交流信號(hào)源（上面的步驟已經(jīng)設(shè)置好）2）使能“ACSmallSignalAnalysis”選項(xiàng)3）然后根據(jù)圖16輸入?yún)?shù)：

圖16（注：如上圖，開始頻率點(diǎn)一般不設(shè)置為0,上圖100m表示0.1HZ,結(jié)束頻率點(diǎn)1meg表示1MHZ；“SweepType”設(shè)置為“Decade”表示每100測(cè)試點(diǎn)以10為底數(shù)增長(zhǎng)，總共有701個(gè)測(cè)試點(diǎn)。）至此，交流小信號(hào)分析設(shè)置完成。AD進(jìn)行此電路仿真分析時(shí)，先計(jì)算電路的直流偏置電壓，然后以變化的正弦輸入代替原有的信號(hào)源，計(jì)算此時(shí)的電路的輸出，輸入信號(hào)的變化是根據(jù)“TestPoints”￥「“SweepType”這兩個(gè)選項(xiàng)進(jìn)行的。3、電路仿真與分析設(shè)置完成之后，就可以進(jìn)行電路仿真一一點(diǎn)擊“菇”圖標(biāo)。在仿真過程中，AD會(huì)將一些警告和錯(cuò)誤信息顯示在“Message”面板，如有致命錯(cuò)誤可根據(jù)面板提示信息修改原理圖；如果工程無錯(cuò)誤，此過程還會(huì)生成一個(gè)SPICENetlist（.nxs）文件，且此文件在每次進(jìn)行仿真時(shí)都會(huì)重新生成。仿真分析結(jié)束會(huì)生成打開一個(gè)（.sdf）文件，里面顯示了電路的各種仿真結(jié)果（注：直流偏置最先執(zhí)行），如圖17：

Q.80CSauceD=ila.iaooQ90Oa.soo07000.600a.5oc-Q.^DG0.3QG0.20C-Q.1QOd泗RiseTimeM一忠ETPb*己LSFrL-H軟5莒_.￡23:四n.-'s-o」-Q.80CSauceD=ila.iaooQ90Oa.soo07000.600a.5oc-Q.^DG0.3QG0.20C-Q.1QOd泗RiseTimeM一忠ETPb*己LSFrL-H軟5莒_.￡23:四n.-'s-o」-pu_一11IIIII11II111111111111111111111r1lEim1111101!irimua/scicMeasuremert圖18同理，對(duì)輸出增益，在上半部分的坐標(biāo)圖中右擊，選擇“AddWavetoPlot”，在彈出的對(duì)話框中“Waveforms”列表選擇“out”信號(hào)，并在右邊的“ComplexFunctions”列表選擇“Magnitude(dB)”，然后點(diǎn)擊“Creat”按鈕，得到輸入輸出的增益圖。之后重復(fù)上述步驟添加相位圖，注意在“ComplexFunctions”列表選擇“Phase(Deg)”，最后結(jié)果如圖19：■D

og25.00■25.00-75.00-125.0-175.0—\\\\三1■D

og25.00■25.00-75.00-125.0-175.0—\\\\三11111III1111111111111III1111Illi11111III11111III11111II?Frequency(Hz)PHASE[in]PHASE(out)-225.0WO.OmHz1.000Hz10.00Hz100.0Hz1.000kHz10.00kHz100.0kHz1.000MHz圖19（我們可以在同個(gè)坐標(biāo)圖上顯示不同的Y軸，使不同的曲線對(duì)應(yīng)不同的Y坐標(biāo)一一只需在編輯或添加波形文件時(shí)，選中“AddtonewYaxis”即可；若刪除坐標(biāo)軸，相應(yīng)的曲線也會(huì)刪除，且在這模式下沒有Undo功能，故誤刪的話需重新導(dǎo)入曲線。）2）使用光標(biāo)工具分析點(diǎn)擊“DB（out）”曲線，右擊選擇“CursorA”，再右擊選擇“CursorB”，打開兩個(gè)測(cè)量光標(biāo)，將光標(biāo)按圖20放置：

Frequency(Hs)圖20再點(diǎn)擊“SimData”標(biāo)簽，可以看到此時(shí)B-A=-3,且光標(biāo)B的頻率為“20kHz”，如圖21：圖21故3dB點(diǎn)的頻率為20kHz。2.2.5、參數(shù)掃描設(shè)置參數(shù)掃描功能使得我們能夠讓特定的元件在一個(gè)范圍內(nèi)變化；當(dāng)然相應(yīng)的交流、直流或瞬態(tài)分析也要使能，才能觀察相應(yīng)的特性曲線或數(shù)據(jù)。具體步驟如下：首先點(diǎn)擊-圖標(biāo)，打開設(shè)置窗口，使能“ParameterSweep”接著選擇首要掃描參數(shù)元件C2,更改參數(shù)；再使能第二參數(shù)掃描功能，選擇C1，更改參數(shù)；參數(shù)設(shè)置如圖22：圖22設(shè)置好之后，點(diǎn)擊Ok，進(jìn)行電路仿真。仿真后的一些結(jié)果如圖23,圖24與圖25：圖23圖2430gDut_pG2out_pQ3out_哪ou^_p050u^pQ6out?pQ7gut_pl?$30gDut_pG2out_pQ3out_哪ou^_p050u^pQ6out?pQ7gut_pl?$^nalTses/OptionsGenaalSetupIOperatingPointAnalysis^nalTses/OptionsGenaalSetupIOperatingPointAnalysisIrorisient/FouiiaAnalyiisDCSweepAnalysisACSmallSignalHra初齡NoiseArdysisPtile-ZeroAfia^sisTffinsiariJrtcli&nAnalysis1emper^tureS^epPaiameteiSweepMonteCsloAnalvsifSpiceO