Altium Designer中的電路仿真

1、Altium Designer中的電路仿真今天看了下Altium Designer的電路仿真功能，發(fā)現(xiàn)它還是蠻強大的，按著help里面的文檔TU0106 Defining & running Circuit Simulation analyses.PDF跑了一下，覺得還行，所以就把這個文檔翻譯下。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SPICE仿真了解的不多，里面涉及到SPICE的文件如果有什么錯誤，歡迎提出！一、電路仿真功能介紹Altium Designer的混合電路信號仿真工具，在電路原理圖設(shè)計階段實現(xiàn)對數(shù)?；旌闲盘栯娐返墓δ茉O(shè)計仿真，配合簡單易用

2、的參數(shù)配置窗口，完成基于時序、離散度、信噪比等多種數(shù)據(jù)的分析。Altium Designer可以在原理圖中提供完善的混合信號電路仿真功能,除了對XSPICE標準的支持之外，還支持對Pspice模型和電路的仿真。Altium Designer中的電路仿真是真正的混合模式仿真器，可以用于對模擬和數(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)的增強版事件驅(qū)動型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、

3、JFETs、MESFETs和MOSFETs。XSPICE模擬器件模型是針對一些可能會影響到仿真效率的冗長的無需開發(fā)局部電路，而設(shè)計的復(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放、時鐘、晶體等。每個局部電路都下在*.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)動型XSPICE模型擴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，實現(xiàn)對數(shù)字器件的行為及特征的描述，參數(shù)可以包括傳輸時延、負載特征等信息；

4、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。它來源于標準的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€數(shù)字器件模型寫在同一個文件中。Altium Designer可實現(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)，原理圖符號中即包含了對應(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，但在實際電路設(shè)計中仍然需要補充、完善仿真模型集。一方面，用戶可編輯系統(tǒng)自帶

5、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準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行電路仿真。3、仿真功能及參數(shù)設(shè)置Altium Designer的仿真器可以完成各種形式的信號分析，在仿真器的分析設(shè)置對話框中，通過全局設(shè)置頁面，允許用戶指定仿真的范圍和自動顯示仿真的信號。每一項分析類型可以在獨立的設(shè)置頁面內(nèi)完成。Altium Designer中允許的分析類型包括：1)直流工作點分析2)瞬態(tài)分析和傅立葉分析3)交流小信號分析4)阻抗特性分析5)噪聲分析6)Pole-Zero（臨界點）分析7)傳遞函數(shù)分析8)蒙特卡羅分析9)參數(shù)掃描10)溫度掃描等二、操作步

6、驟2.1、使用Altium Designer仿真的基本步驟如下：1)裝載與電路仿真相關(guān)的元件庫2)在電路上放置仿真元器件（該元件必須帶有仿真模型）3)繪制仿真電路圖，方法與繪制原理圖一致4)在仿真電路圖中添加仿真電源和激勵源5)設(shè)置仿真節(jié)點及電路的初始狀態(tài)6)對仿真電路原理圖進行ERC檢查，以糾正錯誤7)設(shè)置仿真分析的參數(shù)8)運行電路仿真得到仿真結(jié)果9)修改仿真參數(shù)或更換元器件，重復(fù)58的步驟，直至獲得滿意結(jié)果。2.2、具體實現(xiàn)電路仿真的整個過程、創(chuàng)建工程1)在工具欄選擇File New Project PCB Project，創(chuàng)建一個PCB工程并保存。2)在工具欄選擇File New Sch

7、ematic，創(chuàng)建一個原理圖文件并保存。、原理圖展示測試電路如圖1：圖1、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”，點擊左邊“Library”標簽，使用search功能查找LF411CN。找到LF411CN之后，點擊“Place LF411CN”，放置元件，若提示元件庫未安裝，需要安裝，則點擊“yes”，如圖2：圖2在仿真元件之前，我們可以按“TAB”鍵打開元件屬性對話框，在“Designator”處填入U1；接著查看LF411CN的仿真模型：在左下角Models列表選中Simulation，再點擊“Edit”，可查看模型的一些信息，如圖3。圖3從

8、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。點擊“Model File”標簽，可查看模型文件（若找不到模型文件，這里會有錯誤信息提示），如圖4。圖4點擊“Netlist Template”標簽，可以查看網(wǎng)表模板，如圖5。圖5至此，可以放置此元件。2、為元件添加SIM Model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：點擊Library面板的Search按鈕，在提示框中填入：HasMode

9、l(SIM,*,False)進行搜索；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：1)點擊File Open，打開包含仿真模型的庫文件(.intlib)。2)在輸出文件夾（打開集成庫時生成的文件夾）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/

10、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：1)在Project面板中，右擊工程，選擇“Add Existing to Project”，將模型文件添加到本工程中。2)雙擊元件U1，打開元件屬性對話框，在Model列表中選擇Simulation，點擊Remove按鈕，刪除原來的仿真模型。3)點擊Model列表下方的Add下拉按鈕，選擇“Simulation”4)在Model Sub-Kind中選擇“Spice Subcircuit”，使得Spice的前綴為“X”5)在Model Name中輸入“LF411C”，此時AD會搜索所有的庫，來查詢是

11、否有與這名稱匹配的模型文件。如果AD找到一個匹配的文件，則立即停止尋找。對于不是集成庫中的模型文件，AD會對添加到工程的文件進行搜索，然后再對搜索路徑（Project Project Options）中的文件進行搜索。如果找不到匹配的文件，則有錯誤信息提示。6)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。點擊“Port Map”，如圖6：圖6修改管腳映射，在Model Pin列表下拉選擇合適的引腳，使其和原先的SIM模型（LF411_NSC）相同。我們可以點擊Netlist Template標簽，注意到其模型順序為1，2，3，4，5；如圖7：圖7這些和Mo

12、del File標簽中的.SUBCKT頭相對應(yīng)，如圖8：圖8因此，在“Port Map”標簽中的“Model Pin”列表中，我們可以看到1(1), 2(2), 3(3), 4(4), 5(5),被列舉出來，其中第一個數(shù)字就是模型管腳（就是Netlist Template中的%1，%2等），而subcircuit的頭則對應(yīng)著小括號里面的數(shù)字。在Spice netlist中，我們需要注意其中節(jié)點的連接順序，這些必須和.SUBCKT頭中的節(jié)點順序相匹配。Netlist頭描述了每個管腳的功能，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

13、改的管腳映射如圖9：圖9之后點擊“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”，點擊“Edit”，查看仿真模型屬性。一般系統(tǒng)默認設(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1)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“Simulation So

14、urces.IntLib”。2)在放置元件前，按“TAB”鍵，打開元件屬性對話框，再編輯其仿真模型屬性，先確保其“Model Kind”為“Voltage Source”，“Model Sub-Kind”為“DC Source”。3)點擊“Parameters”標簽，設(shè)置電壓值，輸入“5V”，并使能“Component Parameter”，之后點擊OK，完成設(shè)置。如圖12：圖124)同理放置VSS，并設(shè)置其電壓值為“-5V”5)最后添加正弦信號輸入：同樣是Simulation Sources.IntLib中的VSRC，打開其仿真模型屬性對話框，設(shè)置“Model Kind”為“Voltage

15、Source”，而“Model Sub-Kind”設(shè)置為“Sinusoidal”。6)點擊“Parameters”標簽，設(shè)置電壓值，可按如圖13設(shè)置：圖13之后點擊OK，設(shè)置完成，放置信號源。5、放置電源端口。1)點擊“Place Power Port”，在放置前按“TAB”鍵，設(shè)置端口屬性。2)其中對于標簽VDD和VSS，其端口屬性為“BAR”。3)對于標簽GND，其端口屬性為“Power Ground”。4)對于標簽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)標簽，之后編譯此原理圖。、仿真設(shè)置點擊“Design Simulat

16、e Mix Sim”，或是點擊工具欄中（可通過“View Toolbars Mixed Sim”調(diào)出）的圖標，進入設(shè)置窗口。如圖14：圖14按照圖中顯示設(shè)置好“Collect Data For”，“Sheets to Netlist”和“SimView Setup”等三個區(qū)域，并且我們可以看到有一系列的信號在“Available Signal”中，這些都是AD計算出來并可以進行仿真的信號。如果我們想要觀察某個信號，只需將其導(dǎo)入（雙擊此信號）到右邊的“Active Signal”中；同理，若想刪除“Active Signal”中的信號，也可以通過雙擊信號實現(xiàn)。1、傳輸函數(shù)分析（包括傅立葉變換）設(shè)

17、置傳輸函數(shù)分析會生成一個文件，此文件能顯示波形圖，計算時間變化的瞬態(tài)輸出（如電壓，電流）。直流偏置分析優(yōu)先于瞬態(tài)分析，此分析能夠計算出電路的直流偏置電壓；如果“Use Initial Conditions”選項被使能，直流偏置分析則會根據(jù)具體的原理圖計算偏置電壓。首先應(yīng)該使能“Transient Analysis”；然后取消“Use Transient Defaults”選項，為了觀察到50Khz信號的三個完整波形，我們將停止時間設(shè)置為60u；并將時間增長步長設(shè)置為100n，最大增長步長為200n。最終設(shè)置如圖15：圖152、交流小信號分析設(shè)置交流小信號分析的輸出文件顯示了電路的頻率響應(yīng)，即以

18、頻率為變量計算交流小信號的輸出值（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)的交流信號源（上面的步驟已經(jīng)設(shè)置好）2)使能“AC Small Signal Analysis”選項3)然后根據(jù)圖16輸入?yún)?shù)：圖16（注：如上圖，開始頻率點一般不設(shè)置為0，上圖100m表示0.1HZ，結(jié)束頻率點1meg表示1MHZ；“Sweep Type”設(shè)置為“Decade”表示每100測試點以10為底數(shù)增長，總共有701個測試點。）至此，交流小信號分析設(shè)置完成。AD進行此電路仿真分析時，先計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源，計算此時的電路的輸出，輸入信號的變化是根據(jù)

19、“Test Points”和“Sweep Type”這兩個選項進行的。3、電路仿真與分析設(shè)置完成之后，就可以進行電路仿真點擊“”圖標。在仿真過程中，AD會將一些警告和錯誤信息顯示在“Message”面板，如有致命錯誤可根據(jù)面板提示信息修改原理圖；如果工程無錯誤，此過程還會生成一個SPICE Netlist（.nxs）文件，且此文件在每次進行仿真時都會重新生成。仿真分析結(jié)束會生成打開一個（.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：圖171)創(chuàng)建波特圖波特圖包括了增益和相位信息，我們可以根據(jù)交流小信號分析結(jié)果得到電路的波特圖。首先右擊上半部分坐標圖的“in”信

20、號，選擇“Edit Wave”，打開編輯波形對話框，然后選擇左邊的“Magnitude (dB)”，再點擊“Creat”按鈕。如圖18：圖18同理，對輸出增益，在上半部分的坐標圖中右擊，選擇“Add Wave to Plot”，在彈出的對話框中“Waveforms”列表選擇“out”信號，并在右邊的“Complex Functions”列表選擇“Magnitude (dB)”，然后點擊“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“Complex Functions”列表選擇“Phase (Deg)”，最后結(jié)果如圖19：圖19（我們可以在同個坐標圖上顯示不同的Y軸，使不同的曲線對應(yīng)不同的Y坐標只需在編輯或添加波形文件時，選中“Add to new Y axis”即可；若刪除坐標軸，相應(yīng)的曲線也會刪除，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)使用光標工具分析點擊“DB（out）”曲線，右擊選擇“Cursor A”，再右擊選擇“Cursor B”，打開兩個測量光標，將光標按圖20放置：圖20再點擊“Sim Data”標簽，可以看到此時B-A= -3，且光標B的頻率為“20kHz”，如圖21：圖21故3dB點