《電路仿真與PCB設(shè)計(jì)》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(shè)計(jì)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(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校(D.c.Berkeley)于20世紀(jì)60年代末開發(fā)了CANCER電路分析程序，并在此基礎(chǔ)上，于1972年推出了Spice程序。1975年推出了升級(jí)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(gè)電子實(shí)驗(yàn)室的功能，可對(duì)復(fù)雜的電路與系統(tǒng)進(jìn)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(zhǔn)確的器件模型參數(shù)對(duì)于電路分析和設(shè)計(jì)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(dǎo)體器件模型，如二極管、雙極型晶體管、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)、MOS場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)等；各種電源，包括線性和非線性的受控源，如獨(dú)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(yīng)用Spice程序，可以建立許多宏模型電路，這使得運(yùn)算放大器、電壓比較器等電路功能的模擬成為可能。應(yīng)用Spice程序還可以進(jìn)行多種電路分析，這些分析包括：非線性直流分析(DC)，計(jì)算電路的直流工作點(diǎn)；線性小信號(hào)分析(AC)，分析電路的頻率響應(yīng)；瞬態(tài)分析(TRAN)，確定電路的時(shí)域響應(yīng)；小信號(hào)電路直流傳輸特性分析(TF)；直流小信號(hào)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(jì)算特定輸出和輸入節(jié)點(diǎn)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(shí)完成)；溫度分析(TEMP)；數(shù)字電路分析，包括電路的邏輯運(yùn)算和延遲時(shí)間的計(jì)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(diǎn)，它適用面廣，可仿真模擬、數(shù)字、接口等全部通用電路，同時(shí)具有電子工程設(shè)計(jì)的全部分析功能。另外，PSpiee極具特色的探測(cè)器(PROBE)功能，提供了全功能、全頻段的測(cè)試儀器平臺(tái)，其主要功能如下：

(1)直流分析：可實(shí)現(xiàn)工作點(diǎn)分析(OP)、掃描分析(DC)、小信號(hào)靈敏度分析(ENS)、轉(zhuǎn)移函數(shù)計(jì)算等。

(2)頻域分析：可實(shí)現(xiàn)頻響分析及噪聲分析。

(3)時(shí)域分析：可實(shí)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(jì)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(lì)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(gè)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(jìn)行輸入、編輯，加入控制指令，生成擴(kuò)展名為“.dl”的文件。有語法錯(cuò)誤時(shí)，編輯器會(huì)有錯(cuò)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(jìn)行相應(yīng)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(jìn)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(biāo)、對(duì)數(shù)坐標(biāo)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(lì)源波形；模型組件庫產(chǎn)生器Parts，可以進(jìn)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(gè)良好的人機(jī)交互界面，便于用戶進(jìn)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(duì)于習(xí)慣畫電路圖的工程技術(shù)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(yīng)用范圍比以前大大擴(kuò)展。1.1.2PSpice仿真軟件的優(yōu)越性

PSpice具有以下特點(diǎn)：

(1)圖形界面友好，易學(xué)易用，操作簡(jiǎn)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(jí)為原理圖輸入方式，使電路設(shè)計(jì)更加直觀形象。PSpice6.0以上版本全部采用菜單式結(jié)構(gòu)，只要熟悉Windows操作系統(tǒng)就很容易掌握，利用鼠標(biāo)和熱鍵一起操作，既提高了工作效率，又縮短了設(shè)計(jì)周期。即使沒有參考書，用戶只要具備一定的英語基礎(chǔ)就可以通過實(shí)際操作很快掌握該軟件。

(2)實(shí)用性強(qiáng)，仿真效果好。在PSpice中，對(duì)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(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜電路的仿真。如果用Protel等軟件進(jìn)行參數(shù)修改仿真，則過程十分繁瑣。在改變一個(gè)參數(shù)時(shí)，哪怕是一個(gè)電阻阻值的大小都需要重新建立網(wǎng)絡(luò)表的連接，設(shè)置其他參數(shù)更為復(fù)雜。

(3)功能強(qiáng)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(diǎn)放置電壓(電流)探針，就可以在仿真結(jié)果圖中觀察到其“電壓(或電流)-時(shí)間圖”。而且該軟件還集成了諸多數(shù)學(xué)運(yùn)算功能，不僅為用戶提供了加、減、乘、除等基本的數(shù)學(xué)運(yùn)算，還提供了正弦、余弦、絕對(duì)值、對(duì)數(shù)、指數(shù)等基本的函數(shù)運(yùn)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(shè)計(jì)管理器DesignManager。DesignManager可幫助管理設(shè)計(jì)文件，它有強(qiáng)大的文件管理能力，可以將一個(gè)設(shè)計(jì)中所有的輸入輸出文件以及電路圖等文件當(dāng)作一個(gè)整體進(jìn)行處理，并能觀察它們的結(jié)構(gòu)。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(jiǎn)單、直觀。在PSpice的電路元器件符號(hào)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(yùn)算放大器等宏模型符號(hào)，以及數(shù)字電路中的寄存器、門電路等。用戶在設(shè)計(jì)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(jìn)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(biāo)上節(jié)點(diǎn)號(hào)，提供給仿真工具進(jìn)行模擬，這樣對(duì)于習(xí)慣畫圖的工程技術(shù)人員來說比較方便、直觀。

(3)輸出結(jié)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(jī)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(diǎn)的分析、直流轉(zhuǎn)移特性分析、傳輸函數(shù)的計(jì)算、交流小信號(hào)分析、交流小信號(hào)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(jì)分析等，同時(shí)它還能夠?qū)?shù)模混合電路進(jìn)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(jìn)行計(jì)算求解，最后輸出結(jié)果。仿真的結(jié)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(lì)源編輯程序StimulusEditor。PSpice8.0中的信號(hào)源種類較多，尤其是瞬態(tài)分析的信號(hào)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(shè)定這些信號(hào)源，PSpice8.0用激勵(lì)源編輯程序幫助用戶快速地建立輸入信號(hào)源波形。

(6)模型參數(shù)提取程序Parts。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)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(duì)這一問題，PSpice給出了一個(gè)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(gè)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(jìn)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(jìn)行仿真了。同時(shí)，PSpice8.0還允許用戶對(duì)已有的模型參數(shù)進(jìn)行修改。

(7)電路設(shè)計(jì)優(yōu)化程序Optimizer。PSpice所提供的優(yōu)化工具Optimizer用于針對(duì)已經(jīng)具有大致基本功能的電路進(jìn)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(duì)電路性能的影響，然后再次調(diào)整參數(shù)，直到達(dá)到要求為止。當(dāng)對(duì)電路的性能要求較多時(shí)，需要調(diào)整的參數(shù)就多，這時(shí)Optimizer就會(huì)體現(xiàn)出它的強(qiáng)大功能。

(8)文本編輯器TextEdit。文本編輯器可以對(duì)輸入文件進(jìn)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(hào)交流分析、靈敏度分析和統(tǒng)計(jì)分析。

1.直流分析

非線性直流分析功能簡(jiǎn)稱直流分析。它是計(jì)算直流電壓源或直流電流源作用于電路時(shí)電路的工作狀態(tài)的。對(duì)電路進(jìn)行的直流分析主要包括直流工作點(diǎn)分析、直流掃描分析和轉(zhuǎn)移函數(shù)分析。直流工作點(diǎn)是電路正常工作的基礎(chǔ)。通過對(duì)電路進(jìn)行直流工作點(diǎn)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(duì)電路進(jìn)行仿真的過程中，首先要對(duì)電路的靜態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)行分析和計(jì)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(duì)這些參量以特定的規(guī)律進(jìn)行掃描，從而獲取這些參量變化對(duì)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(hào)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(jìn)行分析。因?yàn)殡娐返闹饕骷奶匦远际桥c溫度有關(guān)的，所以這就為分析電路在環(huán)境變化時(shí)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(yù)測(cè)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(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)采取必要的預(yù)防措施。

2.暫態(tài)分析

非線性暫態(tài)分析簡(jiǎn)稱為暫態(tài)分析。暫態(tài)分析計(jì)算電路中電壓和電流隨時(shí)間的變化，即進(jìn)行電路的時(shí)域分析。時(shí)域分析是指分析在某一函數(shù)激勵(lì)下電路的時(shí)域響應(yīng)特性。通過時(shí)域分析，設(shè)計(jì)者可以清楚地了解到電路中各點(diǎn)的電壓和電流波形以及它們的相位關(guān)系，從而知道電路在交流信號(hào)作用下的工作狀況，檢查它們是否滿足電路設(shè)計(jì)的要求。

3.交流分析

線性小信號(hào)交流分析簡(jiǎn)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(hào)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(diǎn)附近線性化，然后在用戶指定的范圍內(nèi)輸入一個(gè)掃頻信號(hào)，并計(jì)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(yīng)即頻率響應(yīng)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(hào)轉(zhuǎn)移特性分析主要分析在小信號(hào)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(shè)計(jì)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(huì)產(chǎn)生噪聲，主要包括電阻產(chǎn)生的熱噪聲，半導(dǎo)體器件產(chǎn)生的散粒噪聲和閃爍噪聲。在噪聲分析時(shí)，將元件的噪聲等效為對(duì)一個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行的交流分析。通過噪聲分析可以計(jì)算出各器件在某一輸出節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的總噪聲以及某一輸入節(jié)點(diǎn)的等效輸入噪聲，從而可以分析一個(gè)電路產(chǎn)生噪聲的主要來源，采取一定的電路設(shè)計(jì)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(diǎn)附近將所有的元件線性化后，計(jì)算各元件參數(shù)值變化對(duì)電路