第10章-ProtelDXP電路仿真技術(shù)

2023/2/6清華大學(xué)出版社Page1第10章ProtelDXP電路仿真技術(shù)ProtelDXP仿真概述10.1ProtelDXP仿真步驟10.2主要仿真元器件10.3

仿真信號源10.410.1ProtelDXP仿真概述所謂的電路仿真就是基于相似原理在電路模型上進(jìn)行系統(tǒng)的性能分析與研究。ProtelDXP包含了一個數(shù)目龐大的仿真庫，提供了強(qiáng)大的仿真功能，它具有編輯環(huán)境簡單，仿真元器件豐富、仿真方式多樣、仿真結(jié)果直觀的特點(diǎn)，因而能很好地滿足設(shè)計者的需要。10.1.1ProtelDXP電路仿真的特點(diǎn)10.1.2ProtelDXP仿真電路圖2023/2/6清華大學(xué)出版社Page210.1.1ProtelDXP電路仿真的特點(diǎn)仿真電路的編輯器中用于仿真電路的各種元器件必須具有仿真屬性。ProtelDXP中可以用于仿真的元器件可達(dá)5800多種，從而實(shí)現(xiàn)對模擬、數(shù)字和模數(shù)混合電路的仿真。ProtelDXP支持多種仿真方式，從而從不同的角度對電路的各種電器特性進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果均以圖形的方式輸出，當(dāng)輸出多個節(jié)點(diǎn)的信號時，輸出多個圖形，類似于多通道示波器對多個通道進(jìn)行觀測。2023/2/6清華大學(xué)出版社Page310.1.2ProtelDXP仿真電路圖為了正確地進(jìn)行電路仿真，在仿真之前，必須要先繪制用于仿真的電路圖，并確保所設(shè)計的原理圖滿足以下條件：所有的元器件，必須選中其Simulation特性，以確保與相應(yīng)的仿真器件模型關(guān)聯(lián)。電路圖中的元器件和信號源必須連接正確。電路圖中需要觀測的節(jié)點(diǎn)上必須放置仿真網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號。必須根據(jù)仿真要求，設(shè)置好電路仿真的初始條件。2023/2/6清華大學(xué)出版社Page410.2ProtelDXP仿真步驟1.繪制仿真原理圖2.修改仿真元器件參數(shù)3.設(shè)置仿真激勵源4.放置節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號5.設(shè)計仿真方式及參數(shù)6.運(yùn)行仿真操作7.仿真結(jié)果分析及處理2023/2/6清華大學(xué)出版社Page5圖10-1電路仿真的一般步驟10.3主要仿真元器件ProtelDXP為用戶提供了一個常用的仿真元器件庫，即“MiscellaneousDevices.IntLib”，該元器件庫包含了電容、電阻、電感、二極管等。所有的元器件都定義了仿真特性，仿真時只要默認(rèn)屬性或修改為自己需要的仿真屬性即可。本節(jié)主要介紹常用的仿真元器件及其參數(shù)的設(shè)置方法。10.3.1查找仿真元器件10.3.2設(shè)置仿真元器件的參數(shù)10.3.3常用仿真元器件庫2023/2/6清華大學(xué)出版社Page610.3.1查找仿真元器件在ProtelDXP中，仿真元器件大部分集中在ProtelDXP的安裝文件夾下，只要從庫中直接調(diào)用其中的元器件并放置在原理圖中即可進(jìn)行仿真。還有一部分元器件的仿真模型分散在其它庫中，這些元器件一般有3種庫模型，即用于仿真的Simulation庫，用于信號完整性分析的SignalIntegrity庫以及用于制作PCB電路板的Footprint庫。因此，基于仿真的原理圖設(shè)計與基于PCB的原理圖的設(shè)計的主要區(qū)別在于使用不同的元器件模型庫，前者是用Simulation庫，后者使用Footprint庫。2023/2/6清華大學(xué)出版社Page7有時已知元器件的仿真模型，但不知其所在的庫，可以利用搜索的方法進(jìn)行查找。具體操作步驟如下：單擊【元件庫】控制面板中的

按鈕，彈出【元件庫查找】對話框，如圖10-3所示。2023/2/6清華大學(xué)出版社Page8圖10-3【元件庫查找】對話框10.3.2設(shè)置仿真元器件的參數(shù)在如圖10-6所示的原理圖中的一個元器件R4作為例子，介紹仿真元器件參數(shù)的設(shè)置方法。雙擊電阻R4，彈出【元件屬性】對話框，如圖10-7所示。2023/2/6清華大學(xué)出版社Page9圖10-6原理圖實(shí)例圖10-7【元件屬性】對話框10.3.3常用仿真元器件庫1.電阻ProtelDXP的仿真元器件庫中，提供了兩種類型的具有仿真屬性的電阻，Res固定電阻和ResSemi半導(dǎo)體電阻，其缺省值是1K，如圖5-9所示。2023/2/6清華大學(xué)出版社Page10圖5-9兩種類型的仿真電阻2.電位器ProtelDXP的仿真元器件庫中，提供了多種具有仿真模型的電位器，如圖10-15所示。2023/2/6清華大學(xué)出版社Page11圖10-152種類型的可變電阻3.電容ProtelDXP的仿真元器件庫中，提供了三種具有仿真模型的電容：Cap（無極性電容）、CapSemi（半導(dǎo)體電容）和CapPol（極性電容），如圖10-17所示。2023/2/6清華大學(xué)出版社Page12圖10-173種類型的電容4.電感ProtelDXP的仿真元器件庫中，提供了多種具有仿真模型的電感，其名稱為：Inductor（普通電感）或InductorIron（帶鐵芯的電感），如圖10-20所示。2023/2/6清華大學(xué)出版社Page13圖10-20仿真電感5.二極管ProtelDXP的仿真元器件庫中，提供了多種具有仿真模型的二極管，如Diode（普通二極管）、DiodeZener（穩(wěn)壓二極管）、DiodeSchottky（肖特基二極管）等，如圖10-22所示。2023/2/6清華大學(xué)出版社Page14圖10-22仿真二極管6.晶體管ProtelDXP的仿真元器件庫中，提供了多種具有仿真模型的三極管，如圖10-24所示。2023/2/6清華大學(xué)出版社Page15圖10-24仿真三極管7.熔斷器（保險絲）ProtelDXP的仿真元器件庫中，提供了多種具有仿真模型的熔斷器，如圖10-26所示。2023/2/6清華大學(xué)出版社Page16圖10-26仿真熔斷器8.繼電器在ProtelDXP的仿真元器件庫中，提供了多種具有仿真模型的繼電器。如Relay、Relay-DPDT和Delay-SPST等，如圖10-28所示。2023/2/6清華大學(xué)出版社Page17圖10-28仿真繼電器9．變壓器在ProtelDXP的仿真元器件庫中，提供了多種具有仿真模型的變壓器。如Trans、TransAdj、TransCT等，如圖10-30所示。2023/2/6清華大學(xué)出版社Page18圖10-30仿真變壓器10.晶振在ProtelDXP的仿真元器件庫中，提供了一種具有仿真模型的晶振XTAL，如圖10-32所示。2023/2/6清華大學(xué)出版社Page19圖10-32晶振XTAL10.4仿真信號源繪制電路原理圖后，必須在電路中放置合適的仿真激勵源，這樣才可以在仿真的過程中，給電路提供驅(qū)動，使電路正常工作。ProtelDXP提供了多種仿真激勵源，有直流信號激勵電源、正弦信號激勵源、周期性脈沖信號激勵源、指數(shù)脈沖信號激勵源、調(diào)頻信號激勵電源等。這些元件在“SimulationSources.IntLib”庫中可以找到?？梢酝ㄟ^單擊【元件庫】面板中的

按鈕進(jìn)行加載，路徑為“C:\ProgramFiles\Altium2004\Library\”。2023/2/6清華大學(xué)出版社Page2010.4.1直流信號激勵源10.4.2正弦信號激勵源10.4.3脈沖信號激勵源10.4.4調(diào)頻信號激勵源10.4.5指數(shù)函數(shù)激勵源10.4.6特殊的仿真元器件2023/2/6清華大學(xué)出版社Page2110.4.1直流信號激勵源直流信號激勵源用于為仿真電路提供的直流電壓和電流，包括直流電壓激勵源（VSRC、VSRC2）和直流電流激勵源（ISRC），如圖10-34所示。2023/2/6清華大學(xué)出版社Page22圖10-34直流仿真電源10.4.2正弦信號激勵源正弦信號激勵源主要為仿真電路提供激勵信號，包括正弦交流電壓源（VSIN）和正弦交流電流源（ISIN），如圖10-36所示。常用于瞬態(tài)分析和交流小信號分析中。2023/2/6清華大學(xué)出版社Page23圖10-36正弦信號激勵源10.4.3脈沖信號激勵源脈沖信號激勵源主要為仿真電路提供周期性的脈沖信號，一般有兩種：脈沖電壓源（VPULSE）和脈沖電流源（IPULSE），可以產(chǎn)生矩形波、方波、三角波等多種波形，如圖10-38所示。常用于脈沖數(shù)字電路的瞬態(tài)分析中。2023/2/6清華大學(xué)出版社Page24圖10-38脈沖信號激勵源10.4.4調(diào)頻信號激勵源調(diào)頻信號激勵源常用于高頻電路仿真分析中，主要為為仿真電路提供一個頻率隨調(diào)制信號變化而變化的調(diào)頻信號，一般有兩種：調(diào)頻電壓源（VSFFM）和調(diào)頻電流源（ISFFM），如圖10-40所示。2023/2/6清華大學(xué)出版社Page25圖10-40調(diào)頻信號激勵源10.4.5指數(shù)函數(shù)激勵源指數(shù)函數(shù)激勵源常用于高頻電路仿真分析中，一般有兩種：指數(shù)函數(shù)電壓源（VEXP）和指數(shù)函數(shù)電流源（IEXP），如圖10-42所示。2023/2/6清華大學(xué)出版社Page26圖10-42指數(shù)函數(shù)激勵源10.4.6特殊的仿真元器件節(jié)點(diǎn)電壓初值節(jié)點(diǎn)電壓初值元件“.IC”位于“SimulationSources.InLib”庫中，如圖10-44所示，其主要用于在瞬態(tài)特性分析時設(shè)置電路上某個節(jié)點(diǎn)的電壓初值，其作用與電容中的【InitialVoltage】參數(shù)的作用相似。當(dāng)電路中存在儲能元器件（如電容、電感等）時，常會用到電壓初值“.IC”。其放置方法是將“.IC”用導(dǎo)線或直接與仿真的節(jié)點(diǎn)相連，然后修改其初值。2023/2/6清華大學(xué)出版社Page27圖10-44節(jié)點(diǎn)電壓初值10.5仿真數(shù)學(xué)函數(shù)庫在ProtelDXP的電路仿真器中還提供了豐富的仿真數(shù)學(xué)函數(shù)，位于“C:\ProgramFiles\Altium2004\Library\Simulation\SimulationMathFunction.IntLib”庫中，它同樣可以用于電路仿真原理圖中，主要是對仿真電路圖中的兩個節(jié)點(diǎn)信號進(jìn)行合成，執(zhí)行加、減、乘、除等運(yùn)算，也可以變換一個節(jié)點(diǎn)信號，如：正弦變換、余弦變換、雙曲線變換等。使用時，只需將仿真數(shù)學(xué)函數(shù)功能模塊放到仿真電路中需要進(jìn)行信號處理的地方即可，不需要手工設(shè)置仿真。2023/2/6清華大學(xué)出版社Page2810.6仿真模式設(shè)置仿真原理圖繪制好后，在進(jìn)行電路仿真分析之前，需要選擇合適的參數(shù)設(shè)置和仿真方式，才能對原理圖進(jìn)行仿真，觀察仿真結(jié)果。在ProtelDXP的電路仿真中，仿真方式的設(shè)置分為兩部分，一是常規(guī)參數(shù)設(shè)置；二是特殊參數(shù)設(shè)置。在原理圖編輯窗口中，執(zhí)行菜單【設(shè)計】/【仿真】/【MixedSim】命令，彈出【分析設(shè)定】對話框，如圖10-48所示。2023/2/6清華大學(xué)出版社Page292023/2/6清華大學(xué)出版社Page30圖10-48【分析設(shè)定】對話框10.6.1【GeneralSetup】設(shè)置從圖10-48所示的【分析設(shè)定】對話框中可以看到，常規(guī)參數(shù)的設(shè)置包括如下幾項(xiàng)內(nèi)容：1.為此收集數(shù)據(jù):用來選擇仿真程序需要計算的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)類型

2.圖紙到網(wǎng)格表（SheetstoNetlist）:用來設(shè)置仿真程序的作用范圍3.SimView設(shè)定:

用來設(shè)置仿真輸出波形的顯示方式2023/2/6清華大學(xué)出版社Page3110.6.2工作點(diǎn)分析工作點(diǎn)分析(OperatingPointAanlysis)也就是通常說的靜態(tài)工作點(diǎn)分析，此時，所有電容被開路，所有電感被短路，然后計算各節(jié)點(diǎn)對地的電壓以及流過每一個元器件的電流。在進(jìn)行工作點(diǎn)分析時，不需要用戶進(jìn)行仿真參數(shù)的設(shè)置，只需選中該復(fù)選框即可。運(yùn)行仿真后，就能得到仿真文件。在進(jìn)行瞬態(tài)特性分析和小信號分析時，仿真程序會首先執(zhí)行工作點(diǎn)分析，以確定電流中非線性元器件的線性化參數(shù)的初始值。2023/2/6清華大學(xué)出版社Page3210.6.3瞬態(tài)/傅里葉分析瞬態(tài)/傅里葉分析（Transient/FourierAnalysis）是一種最常用的仿真分析方式。瞬態(tài)特性分析類似一個真實(shí)的示波器顯示輸出波形，在某一時間段指定的時間間隔內(nèi)，處理隨時間變化的變量（電壓或電流）的瞬時輸出。在進(jìn)行瞬態(tài)分析之前，除使用初始的條件參數(shù)外，系統(tǒng)會自動完成對靜態(tài)工作點(diǎn)的分析，以確定電路中的DC直流偏壓。單擊圖10-48所示【分析/選項(xiàng)】欄中的Transient/FourierAnalysis項(xiàng)，則在右邊將出現(xiàn)瞬態(tài)分析／傅里葉分析參數(shù)設(shè)置項(xiàng)，如圖10-52所示。2023/2/6清華大學(xué)出版社Page332023/2/6清華大學(xué)出版社Page34圖10-52瞬態(tài)特性分析與傅里葉分析參數(shù)設(shè)置10.6.4直流掃描分析直流掃描分析（DCSweepAnalysis）用于檢驗(yàn)電路中的激勵源在一定范圍按照指定規(guī)律變化時，對靜態(tài)工作點(diǎn)的影響。直流掃描分析(DCSweepAnalysis)的輸出如同繪制曲線一樣，產(chǎn)生直流傳遞曲線。直流分析將執(zhí)行一系列靜態(tài)工作點(diǎn)分析，從而獲得一系列的直流輸出，然后即可得出電路的直流傳輸特性曲線，以確認(rèn)可輸入信號的最大范圍和噪聲容量。在圖10-48對話框中選擇【DCSweepAnalysis】復(fù)選框，直流掃描分析窗口如圖10-53所示。2023/2/6清華大學(xué)出版社Page352023/2/6清華大學(xué)出版社Page36圖10-53直流掃描分析參數(shù)設(shè)置10.6.5交流小信號分析交流小信號分析(ACSmallSignalAnalysis)主要用來分析仿真電路的頻率響應(yīng)特性，屬于電路的幅頻特性分析，即輸出信號是頻率的函數(shù)。它首先執(zhí)行靜態(tài)工作點(diǎn)分析以確定電路仿真節(jié)點(diǎn)的直流偏壓，然后以一個固定振幅的正弦信號源分析設(shè)定頻段內(nèi)該節(jié)點(diǎn)的頻率相應(yīng)。理想的交流小信號的輸出通常是一個傳遞函數(shù)，如電壓增益、傳輸阻抗等。在圖10-48對話框選中【ACSmallSignalAnalysis】復(fù)選框，交流小信號分析窗口如圖10-54所示。2023/2/6清華大學(xué)出版社Page372023/2/6清華大學(xué)出版社Page38圖10-54交流小信號分析參數(shù)設(shè)置10.6.6噪聲分析系統(tǒng)能夠計算的噪聲主要包括，輸入噪聲、輸出噪聲和器件噪聲。器件噪聲主要包括電阻、電容、電感及半導(dǎo)體器件等。電容和電感經(jīng)過處理被認(rèn)為是沒有噪聲的元件。因此，噪聲分析（NoiseAnalysis）是同交流分析一起進(jìn)行的。電路中產(chǎn)生噪聲的器件有電阻器和半導(dǎo)體器件，每個器件的噪聲源在交流小信號分析的每個頻率上都可計算出相應(yīng)的噪聲，并傳送到一個輸出節(jié)點(diǎn)，所有傳送到該節(jié)點(diǎn)的噪聲進(jìn)行RMS（均方根）相加，就得到了指定輸出端的等效輸出噪聲。在圖10-48對話框選中【NoiseAnalysis】復(fù)選框，噪聲分析窗口如圖10-55所示。2023/2/6清華大學(xué)出版社Page392023/2/6清華大學(xué)出版社Page40圖10-55噪聲分析參數(shù)設(shè)置

10.6.7極點(diǎn)-零點(diǎn)分析極點(diǎn)-零點(diǎn)分析（Pole-ZeroAnalysis）通過計算電路的交流小信號傳遞函數(shù)完成分析，數(shù)字信號被視為高阻接地。它通常是從直流工作點(diǎn)，對非線性器件求得線性化的小信號模型。在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行傳遞函數(shù)的極點(diǎn)-零點(diǎn)分析。在圖10-48對話框選中【Pole-ZeroAnalysis】復(fù)選框，極點(diǎn)-零點(diǎn)分析窗口如圖10-56所示。2023/2/6清華大學(xué)出版社Page412023/2/6清華大學(xué)出版社Page42圖10-56極點(diǎn)-零點(diǎn)分析參數(shù)設(shè)置10.6.8傳遞函數(shù)分析傳遞函數(shù)分析（TransferFunctionAnalysis）又稱為直流小信號分析，是在直流工作點(diǎn)的基礎(chǔ)上將電路線性化，從而分析電路中每個電壓節(jié)點(diǎn)上的DC輸入阻抗，DC輸出阻抗和DC直流增益。在圖10-48對話框選中【TransferFunctionAnalysis】復(fù)選框，傳遞函數(shù)分析窗口如圖10-57所示。2023/2/6清華大學(xué)出版社Page432023/2/6清華大學(xué)出版社Page44圖10-57傳遞函數(shù)分析參數(shù)設(shè)置10.6.9溫度掃描分析溫度掃描分析（TemperatureSweep）是指在指定溫度范圍內(nèi)每個溫度節(jié)點(diǎn)按指定的步長變化時，通過對電路參數(shù)進(jìn)行各種仿真分析，確定電路的溫度漂移等性能指標(biāo)。輸出一系列曲線，每條曲線對應(yīng)一個溫度點(diǎn)。2023/2/6清華大學(xué)出版社Page4510.6.10參數(shù)掃描分析參數(shù)掃描分析（ParameterSweep）允許設(shè)計者在指定的元器件參數(shù)范圍內(nèi)、以自定義的增幅掃描元器件的參數(shù)值，它可以與其他分析方法配合起來使用，通過分析電路參數(shù)變化對電路特性的影響，從而找到某一元器件在仿真電路中的最佳參數(shù)。在圖10-48對話框選中【ParameterSweep】復(fù)選框，參數(shù)掃描分析窗口如圖10-59所示。2023/2/6清華大學(xué)出版社Page462023/2/6清華大學(xué)出版社Page47圖10-59參數(shù)掃描分析參數(shù)設(shè)置10.6.11蒙特卡羅分析蒙特卡羅分析是一種統(tǒng)計模擬方法，它是在給定仿真元器件參數(shù)容差的統(tǒng)計分布規(guī)律基礎(chǔ)上，用一組組偽隨機(jī)數(shù)求得元器件參數(shù)的隨機(jī)抽樣序列。對這些隨機(jī)抽樣的電路進(jìn)行直流、交流小信號和瞬態(tài)分析，并通過多次分析結(jié)果估算出電路性能的統(tǒng)計分布規(guī)律和電路合格率、生產(chǎn)成本等。在圖10-48對話框選中【MonteCarloAnalysis】復(fù)選框，蒙特卡羅分析窗口如圖10-61所示。2023/2/6清華大學(xué)出版社Page482023/2/6清華大學(xué)出版社Page49圖10-61蒙特卡洛分析參數(shù)設(shè)置10.6.12高級仿真參數(shù)設(shè)置在圖10-48的電路仿真分析/選項(xiàng)對話框中，選擇【AdbancedOptions】選項(xiàng)，將會彈出如圖10-62所示的高級仿真參數(shù)設(shè)置窗口。一般情況下，為了能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行電路仿真，建議設(shè)計者不要輕易修改這些參數(shù)，因?yàn)樗鼈兌际亲畛Ｓ玫?，修改后所有的相關(guān)元器件的默認(rèn)值都會發(fā)生變化。2023/2/6清華大學(xué)出版社Page502023/2/6清華大學(xué)出版社Page51圖10-62高級仿真參數(shù)設(shè)置10.7仿真顯示窗口的設(shè)置當(dāng)系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)置運(yùn)行仿真后，仿真波形將在波形顯示窗口中顯示出來，因此熟練使用波形顯示窗口，將會為波形分析帶來很大的方便。用戶可以改變ProtelDXP的仿真顯示窗口的默認(rèn)設(shè)置，使波形的顯示結(jié)果更為直觀和清晰。圖10-63為將原理圖和波形圖并列顯示的窗口。2023/2/6清華大學(xué)出版社Page52圖10-63原理圖和波形圖并列顯示的窗口可以對仿真顯示窗口進(jìn)行如下操作：1．突出顯示某個波形2．比較波形3．改變波形顯示窗口的顯示狀態(tài)4．添加測量坐標(biāo)5．不同仿真項(xiàng)目的切換6．調(diào)整波形顯示范圍7．添加新的仿真波形顯示2023/2/6清華大學(xué)出版社Page5310.8實(shí)例講解10.8.1簡單電路仿真實(shí)例2023/2/6清華大學(xué)出版社Page54【實(shí)例10-1】簡單電路仿真實(shí)例本實(shí)例要求對如圖10-80所示的簡單電路圖進(jìn)行仿真。圖10-80進(jìn)行仿真的電路原理圖2023/2/6清華大學(xué)出版社Page55【實(shí)例10-2】共射放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)分析本實(shí)例中，要求對如圖10-94所示的共射放大電路進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)分析。圖10-94共射放大電路2023/2/6清華大學(xué)出版社Page56【實(shí)例10-3】電路瞬態(tài)分析本實(shí)例要求對圖10-98所示的電路中的節(jié)點(diǎn)“IN”、“X”和“OUT”進(jìn)行瞬態(tài)分析。圖10-98進(jìn)行瞬態(tài)分析的電路2023/2/6清華大學(xué)出版社Page57【實(shí)例10-4】傅里葉分析本實(shí)例要求對如圖10-103所示的電路進(jìn)行傅里葉分析。圖10-103進(jìn)行傅里葉分析的電路2023/2/6清華大學(xué)出版社Page58【實(shí)例10-5】直流掃描分析本例中