研究生Pspice仿真课程Word版.doc

第一章 PSpice 概述1-1 SPICE 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而后它改进规格成为 SPICF2 标准，现在世面上的 SPICE 兼容软件皆基于 SPICE2 标准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最近，EDA ( Electronic Design Automation )界的天王厂家 orCAD 相中了 PSpice A/D 高超的电路仿真能力而加以并购，因此这项程序就正式更名为。

orCAD PSpice A/D 了经过重新集成过后的 orCAD PSpice 在整个 orCAD 设计环境内的地位如图所示电路绘制程序Capture CIS软件仿真程序PSPice印刷电路板程序Layout Plus可编程逻辑元件程序Express由图可以看到，目前的 OrCAD 设计环境将两个公司最佳的 EDA 程序产品紧紧地结合在一起形成超强的阵容，其功能之完整强悍当然是不必赘述了它的前段处理程序为OrCAD Capture CIS(component information system)，负责电路图的绘制、仿真参数的设置以及产生网络表( netlist )等报告文件，然后就是 OrCAD PSpice 登场，负责软件验证的工作一旦绘制的电路图可以通过验证，就可以进入后续的 Layout Plus 程序进行印刷电路板(PCB>设计，或是进入 Express 程序进行可编程逻辑元件(PLD) 的设计在 OrCAD Capture 眼中，OrCAD PSpice 就像是一块软件的电路面包板，我们可以在上面放入电源与触发信号后，再根据需求来测试设计的电路是否合乎要求，然后予以必要的调整，等到仿真结果顺利通过检测，就可以转移流程到实际，接触硬件层次的过程( PCB 或 PLD 设计)。

在 OrCAD Capture 准备转移到 OrCAD PSpice 进行仿真之前，Capture 会先将绘好的电路与仿真设置转换成一系列的电路文件以供 PSpice 读取这些电路文件包括使用元件种类、网络连接状态、仿真相关指令、自建仿真元件库与激励源信号等等信息本书的内容为 OrCAD Pspice 介绍由于 Capture CIS 是 PSpice 的前端处理程序，所以我们也将使用四章(第 2 章到第 5 章) 的篇幅介绍在 Capture CIS 中有关于 PSpice 界面的功能与操作对于完整的 Capture CIS, Layout Plus 和 Express 介绍限于篇幅，有兴趣可自行参考相关书籍1-2 OrCAD PSpice 的特点1、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 Probe 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。

1-6 PSpice 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1-6-1 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它们将分别在本书的第 6 章偏压点与直流扫描分析、第 7 章交流扫描分析、第 8 章暂态分析、第 15 章噪声分析与第 16 章傅立叶分析中加以详细的介绍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主要是将一个或二个交流电源描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时域信号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。

1-6-2 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它们将分别在本书的第 l4 章温度分析、第 I7 章参数分析、第 18 章蒙地卡罗分析、第 19 章最差情况分析加以详细的介绍执行温度分析时，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/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1-8 Capture 与 PSpice 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1-8-1 .DSN, .OPJ, .CIR, .NET, .ALS 文件在 Capture 中，原则上每一份设计(Design) 作。