PSPICE仿真软件的应用
第六章第六章 PSpice 仿真软件的应用仿真软件的应用§§6-1 SPICE 的起源的起源SPICE 程序的全名为 Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis,顾名思义它是为了执行日益庞大而复杂的集成电路( Integrated Circuit IC)的仿真工作而发展出来的。最早它是由美国加州柏克莱大学发展出来的,并大力推广至各校园及企业中。在目前个人电脑上使用的商用电路仿真软件中,以 PSpice A/D 系列最受人欢迎。它是 1984 年 MicroSim 公司依 SPICE2 标准所发展出来,可在 IBM及其兼容电脑上执行的 SPICE 程序。因为 PSpice A/D 程序集成了模拟与数字仿真运算法,所以它不只可以仿真纯模拟电路或纯数字电路,更可以非常有效率地并完善地仿真模拟加数字的混合电路。历年来经过多次改版,以其强大的功能及高度的集成性而成为现今个人电脑上最受欢迎的电路仿真软件。§§6-2 OrCAD PSpice 的特点的特点1、集成性高、集成性高 在 OrCAD 的集成环境内,从调用电路绘制程序 Capture CIS 在视窗环境下完成电路图的制作及分析设置,到调用电路仿真程序 PSpice 完成仿真与观测结果,再到印刷电路板设计 Layout Plus 或可编程逻辑元件设计Express 整个操作步骤完全一气呵成。用户不需要四处切换工作环境,可以省却不少麻烦。2、完整的、完整的 Probe 观测功能观测功能 在观测仿真结果方面,OrCAD PSpice 提供了一个Probe 程序来协助用户快速而精准地观察电路特性,另外它也提供了软件测量的功能,可以测量出各式各样基本与衍生的电路特性数据,让用户能够轻易地判断出电路是否合乎要求。必要时,用户可以让 PSpice 显示出一些由记录数据所衍生出来的波形数据,譬如波特图、相位边限、迟滞图、上升时间等等。另外,无论是光标功能、分割画面以显示多个输出波形、放大或缩小显示的波形、切换 x 轴和 Y 轴的变量、标注文字等等功能,PSpice 均能完成如曲线跟踪仪(Curve Tracer)、示波器( Oscilloscope )、网络分析仪(Network Analyzer)、频谱分析仪(Spectrum Analyzer ) 、逻辑分析仪(Logic Analyzer )等仪器般的分析功能。而这些功能均能支持鼠标操作,十分方便。3、各种完整的高级仿真功能、各种完整的高级仿真功能 除了基本的偏压点分析( Bias Point Detail )、直流扫描分析(DC Sweep )、交流扫描分析(AC Sweep )、暂态分析(Transient Analysis)之外,更包含有温度分析(Temperature Analysis )、参数分析( Parametric Analysis) 、傅立叶分析(Fourier Analysis ) 、蒙地卡罗分析( Monte Carlo Analysis ) 、最差情况分析( Worst Case Analysis )、噪声分析(Noise Analysis ),性能分析(Performance Analysis )等等更进一步的分析工具。4、模块化和层次化设计、模块化和层次化设计 随着电路日益复杂,电路设计的方法也趋向于模块化和层次化。也就是说,先将整体电路依其特性及复杂度切割成合适的子电路,然后先个别绘制及仿真每个子电路,待相关的子电路一一完成后,再将它们组合起来继续仿真,最后完成整体电路。OrCAD PSpice 完全提供协助模块化和层次化设计所需的功能。5、模拟行为模型、模拟行为模型 提供了一个简便的方式去仿真一块尚末完成或是极复杂的子电路,用户可自行定义或使用 OrCAD PSpice 已经内建好的模拟行为模型元件,运用描述电路特性的方式而不需要以真实电路来输入与仿真,如此可大幅精简仿真的时间及复杂度。6、具有模拟和数字仿真能力、具有模拟和数字仿真能力 除了传统的模拟信号仿真之外,OrCAD PSpice A/D 也集成了数字信号仿真的功能,当然它就可以更进一步执行模拟加数字的电路仿真了。7、元件库扩充功能、元件库扩充功能 尽管 OrCAD PSpice A/D 已经内建了很多常见的电子元件符号及其对应模型(大约 11,300 个模拟元件与 1,600 个数字元件),但是随着制板技术的进步和新的电子元件不断地问世,又或者内建的元件库内恰好没有合适的元件,这时我们就可以用元件编辑程序新建或修改现有元件的特性以做出合乎我们要求的新元件。§§6-3 PSpice 可执行的仿真分析可执行的仿真分析PSpice A/D 可以执行的电路分析,大致上可以分为基本分析与高级分析两大类。如果可以将电路的所有基本与高级分析都验证的话,当然是最安全可靠了,但是限于设计周期的压力,这是很难达到的目标。一般而言,电路最好要经过所有基本分析的验证后才可以开始考虑进入下一个设计流程。至于高级分析的部分,则是只挑一些特别关心的项目来验证就可以了。一、基本分析一、基本分析基本分析包含有三大类项目: 直流分析、交流分析与时域信号分析。1) 直流分析直流分析直流分析主要验证电路在直流电源(直流电压源与直流电流源)下的工作状态。包含有偏压点分析(Bias Point Detail)、直流扫描分析(DC Sweep )、直流灵敏度分析(DC Sensitivity Small-signal)以及小信号直流转移分析(Small-Signal DC Transfer)。偏压点分析偏压点分析主要在用户给定了直流电源的情况下,求出电路上各节点电压与分支电流的数值。在执行其他任何分析之前,PSpice 均会自动执行一次偏压点分析。直流扫描分析直流扫描分析主要是将一个或两个直流电源、模型参数或是温度作为输出波形图的横轴变量,扫描过一定范围的数值,取出稳态电压或电流数值作为输出波形图的纵轴变量。直流灵敏度分析直流灵敏度分析主要是计算在偏压点数值改变下,某个节点电压数值的变化程度。小信号直流转移分析小信号直流转移分析主要是计算出在偏压点数值改变下,小信号直流增益、输入阻抗与输出阻抗的改变量。2) 交流分析交流分析交流分析主要验证电路在小信号交流电源下的工作状态。包含有交流扫描分析(AC Sweep )与噪声分析(Noise ),相当于实验室内频率分析仪的地位。交流扫描分析交流扫描分析主要是将一个或二个交流电源扫描过一定范围的频率,将电路在偏压点附近线性化,然后求出小信号电压或电流的幅度与相位频率响应。噪声分析噪声分析主要在求出在交流扫描分析中所指定的频率中 ,输出信号中属于各个电路噪声源的比例、输出信号的噪声 RMS 总合以及等效的输入噪声源。3) 时域信号分析时域信号分析时域分析主要验证电路在时域信号下的工作情况。包含有暂态分析(Transient)与傅立叶分析(Fourier )。暂态分析暂态分析主要在求出各个时间点上电路的节点电压、分支电流或是数字状态,相当于实验室的示波器与逻辑分析仪的地位。傅里叶分析傅里叶分析主要求出暂态分析结果中某个输出信号的直流与其傅里叶成分的比例。二、高级分析二、高级分析高级分析包含有以下几类可多次执行( multi-run)的分析项目:温度分析( Temperature )、参数分析(Parametric)、蒙地卡罗分析(Monde Carlo )、灵敏度最差情况分析(Sensitivity worst-case )。所谓多次执行指的就是这些分析通常会对某一些特定的输出信号产生一系列输出结果。另外这些高级分析都必需伴随在直流扫描分析、交流扫描分折或是暂态分析之后才能执行。执行温度分析温度分析时,PSpice A/D 会依用户的设置逐步更改工作温度值,依次调整各元件的值,然后在每个温度数值的状态下记录一次输出结果。执行参数分析参数分析时,PSpice A/D 会依用户的设置逐步更改某个电路特性值,然后在每个电路特性值的状态下记录一次输出结果。可更改的电路特性值有全局参数、模型参数、元件值、直流电源与工作温度。蒙地卡罗分析与灵敏度蒙地卡罗分析与灵敏度/最差情况分析最差情况分析是有统计性质的分析类型。PSpice A/D 根据元件的误差范围每改变一次元件值就执行一次要求的基本分析,再将结果记录下来,只不过蒙地卡罗分析采取的是随机式的改变方式,而灵敏度/最差情况分析则是先执行一次灵敏度分析,找出使输出有最差情况的组合,然后用这些数值找出最差情况时的真正输出结果,也就是说,蒙地卡罗分析是以随机取样及统计的形式呈现批量生产时合格率的分布情形,而最差情况分析则较适用于找出极端情况下的输出波形及当时的元件值组合。如果是仿真数字电路仿真数字电路的话,可以设置使用最低延迟时间、标准延迟时间或最高延迟时间来仿真。如果已经使能数字最差情况时序分析(Digital Worst-Case Timing ), PSpice A/D 将会考虑所有最低延迟时间与最高延迟时间的混合状态,求出可能出现最危险时序时的输入组合。§§6-4 Capture 与与 PSpice 文件文件要使电路可以执行某种分析,PSpice A/D 至少必须知道以下这些事情:电路内的元件与它们之间的连接状况、执行何种分析、对应电路元件的仿真模型以及激励源信号。这些数据分别存放在不同的资源文件内。某些文件会由Capture 自动产生,某些会由元件库送来,某些得由用户自行定义。一、一、 .DSN .OPJ .CIR .NET .ALS 文件文件在 Capture 中,原则上每一份设计(Design)作品的电路图都存于一个扩展名为.DSN 的文件内。而一个 OrCAD 项目应该要包含整个设计流程中会动用到的资源文件,当然也包含了一个.DSN 文件。项目文件的扩展名为.OPJ在执行 PSpice 仿真程序之前、OrCAD Capture 程序会先自动产生扩展名为.CIR .NET 和.ALS 的一个文件供 PSpice 程序使用。其中.CIR 是电路主文件,内容包含 SPICE 规格要求的固定形式和仿真指令,并会调用.NET 和.ALS两个文件。.NET 文件内容为一连串元件名称、元件值、元件连接状祝的文字式描述。.ALS 内容为元件端点连线在电路中的别名。二、二、 .OLB .L IB 文件文件PSpice A/D 的每个元件都必须有对应的符号定义和模型定义。所谓符号定义就是代表本元件的几何图形,存在于.OLB 元件库文件(OrCAD Library)内。所谓模型定义就是一组描述元件特性的参数值,存在于.LIB 元件库文件内。PSpice A/D 内已经建好的元件库文件应该足够用来描述大部分的电路场合了,但是必要的话,用户也可以自己建立或修改元件库文件。三、三、 .OUT .DAT 文件文件输出文件.OUT 是一个 ASCII 文本文件,可用记事本程序或用 PSpice A/D文件观察程序来打开阅读。其内容包含有电路的网络连接描述、PSPice 指令与选项、仿真结果、仿真过程中所产生的各式各样错误信息。另外如果有经过设置的话,它也包含有一些仿真后的输出结果。.DAT 是一个二进制数据文件,是由仿真程序 PSpice 所产生的。内容为仿真完后的输出结果,主要是供 Probe 程序来观测仿真结果之用,配合用户所下的指令产生各式的输出曲线图及图表。四、 .PRB .STL .STM .INC 文件就算是使用 PSpice 来观测输出波形,往往也需要一些操作步骤才能得到一个满意的屏幕波形,. PRB 文件内就是记录操作完后的 PSpice 波形图数据,用户可以在需要时调出,免去重复操作的麻烦。PSpice 程序会自动记录最后一次的屏幕波形,当然用户也可以自行设置存档。执行电路仿真之前,我们必须准备好输入电路的各式模拟或数字信号,有时就得使用激励源编辑程序(Stimulus Editor)来作信号编辑的工作。而