《電路原理圖及印刷電路板設計技術》課件第13章

第13章電路仿真基礎13.1電路仿真的基本概念13.2對原理圖進行電路仿真13.1電路仿真的基本概念

13.1.1仿真器

Protel2004提供的仿真器是真正意義上的混合信號模式仿真器，意味著既可以對模擬電路又可以對數(shù)字電路進行仿真，主要有以下4種模型。

(1)Spice3f5模擬模型(Spice3f5AnalogModels)：都是Spice中預定義的模擬仿真模型，其中包括了大部分常用的模擬元件類別，例如電阻、電容、電感、電流源與電壓源、傳輸線和開關等。最常用的半導體器件有二極管、BJTs、JFETs、MESFETs和MOSFETs等。這里包括了大量的“.mdl”格式的文件，定義了該器件在特定條件下的仿真特性。在軟件中打開的元件的仿真模型大多為“.mdl”格式。

(2)XSpice模擬模型(XSpiceAnalogModels)：都是XSpice中預定義的模擬編碼仿真模型，可以定義較復雜的仿真模型，該模擬模型位于“C：/ProgramFiles/Altium2004/

Library/Simulation/SimulationSpecialFunction.IntLib”文件夾下，該Spice模型的前綴為A。

(3)分支電路模型(Sub-CircuitModels)：主要包含運算放大器、定時器、晶振等復雜器件的仿真模型。通常分支電路仿真模型為“*.ckt”格式，該Spice模型的前綴為X。

(4)數(shù)字模型(DigitalModels)：是使用數(shù)字DigitalSim編碼語言生成的器件仿真模型。該描述語言可以使數(shù)字器件運用于事件驅動的XSpice仿真中，是標準的XSpice編碼模型的一種。其源編碼模型是ASCII文本文件(*.txt)，編譯后的文件為“*.scb”格式的文件。由DigitalSim編碼語言生成的仿真器件是獨立的，這些仿真器件不能運用于其他的仿真器，其他仿真器生成的數(shù)字仿真器件也不能用于Protel2004的混合信號仿真器中。這些仿真模型位于“C：/ProgramFiles/Altium2004/Library/Sim”文件夾下，主要包含了編譯后的TTL器件(LS.scb)和CMOS器件(CMOS.scb)的仿真模型，該Spice模型的前綴為A。13.1.2與仿真相關的各個文件夾

Protel2004自帶了很多器件的仿真模型。雖然“MiscellaneousDevices.IntLib”集成庫中提供了常用器件的仿真模型，這些仿真模型與元件的原理圖符號模型及封裝模型等集成在一起，方便了原理圖的仿真操作，但仍有很多仿真器件是該集成庫所沒有的。Protel2004的器件仿真庫主要包含在“C：/ProgramFiles/Altium2004/Library/Simulation”文件夾和“C：/ProgramFiles/Altium2004/Library/Sim”文件夾下。

(1)“C：/ProgramFiles/Altium2004/Library/Simulation”文件夾：主要包含了原理圖中常用的器件仿真庫，如仿真激勵源(包含“.NS”、“.IC”格式，用來設置電路的初始狀態(tài)的特殊元器件及工具欄中沒有的電流/電壓激勵源等)、仿真電壓源和傳輸線仿真器件等，如圖13-1所示。選擇其中的一個圖庫，點擊“打開(O)”按鈕即可將此圖庫添加到“Projects”面板或“Libraries”面板中。圖13-1器件仿真庫

(2)“C：/ProgramFiles/Altium2004/Library/Sim”文件夾：主要包括兩種格式的文件“*.txt”和“*.scb”，如圖13-2所示。在圖13-2中的“文件類型(T)”欄中，選擇“Allfiles(*.*)”，可以顯示該文件夾下的所有文件。由其擴展名可以看出此庫中主要包括的是數(shù)字元器件的仿真模型。圖13-2Sim文件夾此外Protel2004還提供了一系列原理圖仿真實例，以幫助用戶更深入地了解仿真器的使用方法。這些實例主要包含在“C：/ProgramFiles/Altium2004/Examples/CircuitSimulation”文件夾下，有555非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器、555單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩

器、741運算放大器、模擬放大器和濾波器等仿真電路，如圖13-3所示。圖13-3CircuitSimulation文件夾13.1.3仿真器提供的分析方法

Protel2004仿真器可以進行無限的電路級模擬仿真和無限的數(shù)字仿真。Protel2004仿真器提供的分析方法主要有以下9種。

(1)直流工作點分析(OperatingPointAnalysis)：在將電路中的電源、電感視為短路，電容視為開路的假設條件下，計算該電路的靜態(tài)工作點。在進行瞬態(tài)分析和交流小信號分析之前，仿真程序將自動地先進行直流工作點分析，以確定瞬態(tài)分析的初始條件和交流小信號情況下非線性器件的線性化模型。

(2)瞬態(tài)/傅立葉分析(Transient/FourierAnalysis)：包括兩種分析方法，即瞬態(tài)分析和傅立葉分析。

①瞬態(tài)分析是一種非線性時域分析方法，在給定激勵信號(或沒有任何激勵)的條件下計算電路的時域響應，并在仿真窗口中以電流或電壓波形顯示出來。在進行瞬態(tài)分析時，電路的初始狀態(tài)可以由用戶自己設定，在沒有給定初始條件或仿真中未使用設定的初始條件的情況下，系統(tǒng)將自動地進行直流分析，并將直流分析結果作為電路的初始狀態(tài)。②傅立葉分析是在大信號正弦瞬態(tài)分析時，對輸出的最后一個周期波形進行的諧波分析。

(3)直流掃描分析(DCSweepAnalysis)：在仿真窗口中顯示電路直流輸出變量相對于電源變化的波形曲線，即當獨立電源的參數(shù)變化時，對應的電路直流輸出變量的變化曲線。用戶也可以定義兩個獨立電源來進行嵌套循環(huán)掃描。

(4)交流小信號分析(ACSmallSignalAnalysis)：主要用來分析仿真電路的頻率響應特性，即輸出信號隨輸入信號頻率變化的情況。仿真程序在進行交流小信號分析之前，首先分析計算電路的直流工作點，以確定電路中非線性元器件的線性化模型參數(shù)，然后在指定的頻率范圍內(nèi)對已經(jīng)線性化的電路進行頻率掃描分析。在進行交流小信號分析前必須確保原理圖中至少存在一個交流仿真激勵源。

(5)噪聲分析(NoiseAnalysis)：噪聲分析是與交流小信號分析一起進行的。噪聲分析時將電容、電感及受控源看做理想的無噪聲元器件，而半導體和電阻為仿真電路中的噪聲源。在交流小信號分析過程中，每一個頻率都對應著噪聲源的噪聲，該噪聲傳輸?shù)侥硞€輸出節(jié)點時，所有傳輸?shù)皆摴?jié)點的噪聲都進行均方根相加，即可得到輸出節(jié)點的等效噪聲。用戶可以通過噪聲譜密度圖來觀察電阻和半導體元器件對電路噪聲特性的影響。如果知道了從輸入端到輸出端的電壓或電流增益，那么用輸出節(jié)點的等效噪聲除以增益，即可得到等效的輸入噪聲值。仿真程序可以分析的噪聲有輸出

噪聲(OutputNoise)、輸入噪聲(InputNoise)和元器件噪聲(ComponentNoise)。

(6)直流傳輸函數(shù)分析(TransferFunctionAnalysis)：在直流工作點分析的基礎上，在電路直流偏置附近將電路線性化，從而計算出電路的直流輸入及輸出阻抗和直流增量。

(7)溫度掃描(TemperatureSweep)：仿真元器件庫中的所有元器件參數(shù)假定的都是常溫下的值，但對于某些特殊的元器件而言，不同的溫度下其性能存在著明顯的差異，這時就需要用戶設定不同的溫度對其進行掃描分析。但需要注意的是：只有在進行直流、交流小信號或瞬態(tài)分析時才可以進行溫度掃描分析，否則將會出錯。

(8)參數(shù)掃描(ParameterSweep)：參數(shù)掃描允許用戶在指定的范圍內(nèi)以自定義的增幅掃描元器件的參數(shù)值，研究電路參數(shù)變化對電路特性的影響，從而找到某一個元器件在仿真電路中最佳的工作參數(shù)。該分析方法可以與瞬態(tài)分析、直流掃描分析或交流小信號分析配合起來使用。

(9)蒙特卡羅分析(MonteCarloAnalysis)：是一種統(tǒng)計模擬方法，它在給定電路元器件參數(shù)容差的統(tǒng)計分布的基礎上，用一組組隨機數(shù)據(jù)求得元器件參數(shù)的隨機抽樣序列，然后對這些隨機抽樣的電路進行直流、交流小信號和瞬態(tài)分析，并通過多次分析結果的比較，預算出電路性能的統(tǒng)計分布規(guī)律、電路合格率以及生產(chǎn)成本等。該方法適用于很復雜的電路分析。13.1.4仿真激勵源類型

在繪制原理圖時，通常添加“VCC”等表示電路所用到的電源，但是這并沒有真正用到電源元器件。所以用戶在進行電路仿真時可以根據(jù)需要，手動添加各種仿真激勵源。在手動添加各種仿真激勵源時，用戶可根據(jù)以下提供的各種激勵源的名稱在原理圖編輯器中進行元器件的查找。常見的仿真激勵源主要有以下幾種。

(1)直流電源。直流電源主要包括兩種：直流電壓源(VSRC)和直流電流源(ISRC)，它們?yōu)榉抡骐娐诽峁┕ぷ魉璧闹绷麟妷夯螂娏?，如圖13-4所示。圖13-4直流電源(a)直流電壓源；(b)直流電流源

(2)正弦波交流電源。正弦波交流電源主要包括兩種：正弦波交流電壓源(VSIN)和正弦波交流電流源(ISIN)，它們提供仿真電路工作所需的正弦波交流電壓或電流，如圖13-5

所示。圖13-5正弦波交流電源(a)正弦波交流電壓源；(b)正弦波交流電流源

(3)周期性脈沖電源。周期性脈沖電源主要包括兩種：脈沖電壓源(VPULSE)和脈沖電流源(IPULSE)，它們用于提供仿真電路所需的周期性脈沖電壓或電流，如圖13-6所示。圖13-6周期性脈沖電源(a)脈沖電壓源；(b)脈沖電流源

(4)分段線性電源。分段線性電源主要有兩種：分段線性電壓源(VPWL)和分段線性電流源(IPWL)，通過設置不同時刻的電壓值或電流值即可得到任意波形的電源，如圖13-7

所示。圖13-7分段線性電源(a)分段線性電壓源；(b)分段線性電流源

(5)指數(shù)電源。指數(shù)電源主要有兩種：指數(shù)電壓源(VEXP)和指數(shù)電流源(IEXP)，可以輸出含有指數(shù)上升沿或下降沿的脈沖波形，如圖13-8所示。圖13-8指數(shù)電源(a)指數(shù)電壓源；(b)指數(shù)電流源

(6)單頻調(diào)頻電源。單頻調(diào)頻電源主要有兩種：調(diào)頻電壓源(VSFFM)和調(diào)頻電流源(ISFFM)，它們?yōu)榉抡骐娐诽峁┕ぷ魉璧膯我活l率的電壓或電流，如圖13-9所示。圖13-9單頻調(diào)頻電源(a)調(diào)頻電壓源；(b)調(diào)頻電流源

(7)線性受控源。線性受控源主要有4種：線性壓控電壓源(ESRC)、線性壓控電流源(GSRC)、線性流控電壓源(HSRC)和線性流控電流源(FSRC)。其中每一種電源都有兩個輸入端和兩個輸出端，并且輸出端的電壓/電流與輸入端的電壓/電流成線性關系。線性受控源如圖13-10所示。線性壓控電壓源；(b)線性壓控電流源；(c)線性流控電壓源；(d)線性流控電流源

(8)非線性受控源。非線性受控源主要有兩種：非線性受控電壓源(BVSRC)和非線性受控電流源(BISRC)，它們的輸出是由用戶自定義的方程式確定的，如圖13-11所示。

(9)頻壓轉換器。頻壓轉換器(FTOV)的輸出電壓與輸入頻率成線性關系，如圖13-12所示。

(10)壓控振蕩器。壓控振蕩器主要有3種：壓控正弦波振蕩器(VCO-Sine)、壓控方波振蕩器(VCO-Sqr)和壓控三角波振蕩器(VCO-Tri)，如圖13-13所示。

(11)電流/電壓控制開關。電流/電壓控制開關有兩種：電流控制開關(ISW)和電壓控制開關(VSW)，如圖13-14所示。13.1.5電路仿真步驟

進行電路仿真一般有以下5個步驟：

(1)確保裝載了電路圖中各元件的仿真模型，并對元件的仿真參數(shù)進行設置；

(2)在電路圖中添加振蕩器的電壓源；

(3)設置仿真節(jié)點和電路的初始狀態(tài)；

(4)設置仿真分析參數(shù)；

(5)運行電路仿真，得出仿真結果。

13.2對原理圖進行電路仿真

下面我們以一個簡單的單級放大電路為例來進行電路的仿真實驗。單級放大電路原理圖如圖13-15所示。圖13-15單級放大電路原理圖

1．裝載原理圖中各元件的仿真模型

在進行原理圖的仿真操作前，首先應確保裝載了原理圖中各元件的仿真模型。裝載原理圖中各元件仿真模型的方法如下：雙擊原理圖中的每一個元件，在彈出的“元件屬性”對話框中查看是否存在該元件的仿真模型。例如，圖13-16為雙擊電阻Rb1后彈出的“元件屬性”對話框，在“ModelsforR？

-Res1”區(qū)域欄中“描述”項下的“Resistor”即為元件的仿真模型。圖13-16“元件屬性”對話框如果該對話框中沒有元件的仿真模型，用戶需要點擊“ModelsforR?-Res1”區(qū)域欄中的“追加(D)”按鈕，添加仿真模型。此時系統(tǒng)彈出如圖13-17所示的“加新的模型”對話框，在此對話框中選擇“Simulation”項，點擊“確認”按鈕，系統(tǒng)又彈出如圖13-18所示的“SimModel-General/Resistor”對話框。在此對話框中選擇“Resistor(電阻)”，然后點擊“確認”按鈕。圖13-17“加新的模型”對話框圖13-18“SimModel-General/Resistor”對話框

2．仿真模型參數(shù)的設置

在圖13-16所示的對話框中，雙擊“ModelsforR?-Res1”區(qū)域欄中電阻的仿真模型，或者點擊該仿真模型后再點擊“編輯(T)”按鈕，隨即彈出該仿真模型的屬性編輯對話框，如圖13-18所示。

(1)“模型種類”下拉列表框：包含了所有的Spice3f5模型，即General(常用仿真模型)、CurrentSource(電流源仿真模型)、VoltageSource(電壓源仿真模型)、InitialCondition(用于初始狀態(tài)設置的元器件仿真模型)、Switch(控制開關仿真模型)、Transistor(晶體管仿真模型)和TransmissionLine(傳輸線仿真元器件模型)。

(2)“模型子種類”列表框：列出了在“模型種類”下拉列表中選中模型類別的分類模型，例如General(常用仿真模型)中就包含了電容、電感以及電阻等最常用的元器件。

(3)“Spice前綴”下拉列表框：包含了Spice的前綴，標準的Spice元件都對應著一個Spice前綴。例如，電容仿真模型對應的Spice前綴為C，電阻仿真模型對應的Spice前綴為R，集成電路仿真模型對應的Spice前綴為X等。

(4)“模型位置”區(qū)域欄：設置模型所在的仿真庫。有時系統(tǒng)將自動指定仿真庫，有時則需要用戶進行設置。

(5)標簽欄：點擊不同的標簽可以分別觀察該元器件的“網(wǎng)絡表模板”、“網(wǎng)絡表預覽”和“模型文件”的相關內(nèi)容。

(6)在圖13-18所示的“SimModel-General/Resistor”對話框中選擇“參數(shù)”選項卡，這時系統(tǒng)彈出如圖13-19所示的對話框。從圖13-19中可以查看該電阻的值是否與電路設計的要求相符。如果不符，則要進行修改，然后點擊“確認”按鈕即可完成對仿真參數(shù)的設置。大多數(shù)情況下不需要對仿真參數(shù)進行修改。圖13-19“參數(shù)”選項卡

3．在電路圖中添加振蕩器源(激勵源)

(1)打開原理圖文件，使之處于當前的工作窗口中，刪除圖中的電源器件。用鼠標選中圖中的對象“VCC”和“GND”元件，按Delete鍵即可刪除該對象。然后執(zhí)行菜單命令“查看(V)/工具(T)/實用工具”，打開“實用工具”欄，在工作窗口中將出現(xiàn)“實用工具”欄，如圖13-20所示。點擊振蕩源工具選擇合適的振蕩源，在這里選?+12?V電源。圖13-20“實用工具”欄

(2)選擇+12V電源后鼠標將變成十字形狀，同時+12V電源的振蕩源將懸浮于鼠標上，如圖13-21所示。在放置前可以按Tab鍵對?+12?V電源進行屬性編輯。振蕩源的屬性編輯對話框如圖13-22所示。這里只需修改該元件的“標識符”屬性和“注釋”屬性即可，分別將其改為+12?V和V1，然后點擊“確認”按鈕完成振蕩源屬性的設置。在合適的位置點擊鼠標左鍵即可完成該振蕩源的放置操作。點擊鼠標右鍵或按Esc鍵可退出放置操作。圖13-21懸浮于鼠標上的振蕩源圖13-22振蕩源的屬性編輯對話框接著需要設置?+12?V電源與電路的電氣連接特性。選中需要連接到振蕩源的導線，將鼠標移到導線的一個端點，這時鼠標將變成兩端有箭頭的形狀，如圖13-23所示。按住鼠標左鍵即可對導線進行拖動操作，在拖動出現(xiàn)拐角時系統(tǒng)將自動添加固定點，同時也可以按Shift+Space快捷鍵進行放置導線模式的切換。圖13-23振蕩源與電路的連接用同樣的方法可以進行?+12?V電源另一端的連接。+12?V電源連接導線后的原理圖如圖13-24所示。圖13-24+12V電源接入電路后的原理圖

4．電路仿真節(jié)點的設置

電路仿真節(jié)點設置的原則一般是考慮電路的一些關鍵點處電流、電壓的參數(shù)值。對于本電路來說，關心的是三極管集電極和基極處的電壓或電流參數(shù)值。執(zhí)行“放置(P)/網(wǎng)絡標簽(N)”菜單命令，進行網(wǎng)絡標號的放置操作。這時鼠標將變成十字形狀，同時一個網(wǎng)絡標號符號懸浮于鼠標上。按Tab鍵將彈出“網(wǎng)絡標簽”屬性對話框，如圖13-25所示。在此對話框中的“網(wǎng)絡”框中填寫“QB”，然后移動鼠標到元件“Q1”的基極處，點擊鼠標左鍵即可完成該網(wǎng)絡標號的放置。采用同樣的方法完成網(wǎng)絡標號“QC”的放置。放置網(wǎng)絡標號后的原理圖如圖13-26所示。圖13-25“網(wǎng)絡標簽”對話框

圖13-26放置網(wǎng)絡標號的原理圖

5．仿真分析參數(shù)的設置

執(zhí)行“設計(D)/仿真(S)/MixedSim”菜單命令，系統(tǒng)彈出如圖13-27所示的仿真“分析設定”對話框。在此對話框中可以對仿真分析的方法進行設置，也可以對仿真的相關參數(shù)進行設置。圖13-27“分析設定”對話框在左側的列表框中點擊“GeneralSetup”選項，即可在右側進行通用仿真相關參數(shù)的設置。

(1)對仿真相關參數(shù)的設置。

①“為此收集數(shù)據(jù)”下拉列表框：主要定義了在仿真進程中用戶想要保存的數(shù)據(jù)類型，主要有以下5種數(shù)據(jù)類型。

“NodeVoltageandSupplyCurrent”項：保存節(jié)點電壓和供電電源的電流。

“NodeVoltage，SupplyandDeviceCurrents”項：保存節(jié)點電壓、供電電源的電流和元器件上的電流。

“NodeVoltages，SupplyCurrents，DeviceCurrentandPower”項：保存節(jié)點電壓、供電電源的電流、元器件上的電流和功耗。

“NodeVoltages，SupplyCurrentsandSubcircuitVARs”項：保存節(jié)點電壓、供電電源的電流、分支電路各個變量上的電壓和電流。

“ActiveSignals”項：保存“ActiveSignals”列表中節(jié)點的電壓和供電電源的電流。②“圖紙到網(wǎng)絡表”下拉列表框：設置生成仿真網(wǎng)絡表文件的原理圖范圍，包括以下兩項：

“Activesheet”項：對當前處于工作窗口的電路原理圖進行仿真。

“Activeproject”項：對當前處于激活狀態(tài)下的項目文件中的全部原理圖進行仿真。③“SimView設定”下拉列表框：仿真窗口波形顯示的設置，包括以下兩項：

“Showactivesignals”項：選中此選項后，系統(tǒng)將使用此次設置的“activesignals”項以及其他設置的內(nèi)容進行仿真并顯示波形信息。

“Keeplastsetup”項：選中此選項后，系統(tǒng)使用上一次仿真時的設定值進行仿真并顯示波形信息。

④“可用信號”列表框：顯示了原理圖中所有可以進行仿真的節(jié)點。

⑤“活動信號”列表框：該列表框中的節(jié)點為當前仿真波形窗口顯示波形信息的節(jié)點。本原理圖仿真“分析設定”設置如下：

在“為此收集數(shù)據(jù)”下拉列表框中選“NodeVoltageandSupplyCurrent”選項。

在“圖紙到網(wǎng)絡表”下拉列表框中選擇“Activesheet”

選項。

在“SimView設定”下拉列表框中選中“Showactivesignals”選項。

在“可用信號”列表中雙擊“QB”、“QC”兩個網(wǎng)絡標號；或者選中該網(wǎng)絡，然后點擊按鈕將這些網(wǎng)絡導入到右側的“活動信號”列表中，這樣便完成了“GeneralSetup”的設置。

(2)對仿真器分析方法的設置。Protel2004仿真器提供了9種仿真分析方法，該原理圖仿真主要用到的是直流工

作點分析(OperatingPointAnalysis)和瞬態(tài)/傅立葉分析(Transient/FourierAnalysis)。該仿真分析方法同樣可以在

圖13-27所示的“分析設定“對話框中進行設置。點擊并選中該對話框左側的“Transient/FourierAnalysis”選項，這時將在對話框右側顯示瞬態(tài)/傅立葉分析的參數(shù)設置對話框，如圖13-28所示。圖13-28瞬態(tài)/傅立葉分析參數(shù)設置對話框①“TransientStartTime”參數(shù)：瞬態(tài)分析的起始時間。

②“TransientStopTime”