PSPICE电路仿真程序设计

PSPICE电路仿真程序设计湖北大学物理学与电子技术学院信息工程学科部杨维明教材及参考书参考书《模拟电路的计算机分析与设计—PSPICE程序应用》清华大学出版社高文焕汪慧编《ORCAD/PSPICE9实用教程》西安电子科技大学出版社贾新章等编教材《PSPICE电路仿真程序设计》国防工业出版社李永平编CAA、CAD与EDACAA（ComputerAidedAnalysis）--计算机辅助分析CAD（ComputerAidedDesign）--计算机辅助设计EDA（ElectronicDesignAutomation）--电子设计自动化第一讲PSPICE概论电子电路设计的流程电子设计自动化（EDA）的特点提高效率，缩短设计周期。降低设计成本，提高产品质量。共享设计资源。1.1.1EDA与电子工程设计电子产品的设计生产，从选题、方案论证、性能指标确定、装调电路、修改、定型参数直到批量生产，是一个复杂而又费时的过程。该过程的任一环节，都对产品性能和经济效益产生直接影响。传统的电路装配、调试过程，一般均采用面包板或专门的焊接板，通过手工连线装配，检查无误后，进行电路测量，最后评估电路性能。若性能与设计值不符时，需调换参数并重新调试测量，直至符合设计要求为止。但是，当电路非常复杂时，采用插接板或焊接板组装电路时所产生的连线错误、器件损坏等人为错误，常会造成人力、财力、时间的浪费及错误的性能评估。尤其是集成电路的设计，器件在插接板上就无法组合成像集成电路内部那样紧密复杂的电子电路，装配板上的寄生参数与集成环境中的完全不同。因此，在装配板测试的特性将无法准确地描述集成电路的真实特性。所以，电子电路的传统设计方法已经不适应当前电子技术发展的要求，这就要借助计算机完成电子电路的辅助设计，即电子电路EDA技术。EDA包括电子工程设计的全过程，如系统结构模拟、电路特性分析、绘电路图和制作PCB等。1.1.2EDA的主要作用EDA在电子工程设计中发挥了不可替代的重要作用，主要体现在3个方面。1.验证电路方案设计的正确性当要求的系统功能确定之后，首先采用系统仿真或结构模拟的方法验证系统方案的可行性，这只要确定系统各环节的传递函数（数学模型）便可实现。这种系统仿真技术可推广应用于非电专业的系统方案设计，或某种新理论、新构思的方案设计，进而对构成系统的各电路结构进行模拟分析，以判断电路结构设计的正确性及性能指标的可实现性。这种精确的量化分析方法，对于提高设计水平和产品质量，具有重要的指导意义。2.电路特性的优化设计器件参数的容差和工作环境温度将对电路工作的稳定性产生影响。传统的电路设计方法，很难对这种影响进行全面的分析和了解，因而也就很难实现电路的优化设计。EDA技术中的温度分析和统计分析功能，既可以分析各种恶劣温度条件下的电路特性，也可以对器件容差的影响进行全面的计算分析。其内容包括：①对不同的容差特性进行规定次数的跟踪分析（蒙特卡罗分析）；②单独分析每一器件容差对电路的影响量（灵敏度分析）；③分析全体器件容差对电路性能的最大影响量（最坏情况分析）。采用统计分析方法，便于确定最佳元件参数、最佳电路结构以及适当的系统稳定裕度，真正做到电路的优化设计。3.实现电路特性的模拟测试电子电路的设计过程中，大量的工作是各种数据测试及特性分析。但是，受测试手段及仪器精度所限，有些测试项目实现困难。例如，超高频电路中的弱信号测量及噪声测量、某些功率输出电路中具有破坏性质的器件极限参数测量，如高温、高电压、大电流等。采用EDA方式，可以方便地实现全功能测试，也可以直接模拟各种恶劣工作环境及各种极限条件下的电路特性而无器件或电路损坏之虞，较之传统的设计方式要经济得多。EDA在电子电路实验教学中，也发挥了巨大的作用。一般院校的实验教学，从简单直流电路实验到交流电路测试、时域分析、低频、中频乃至高频放大器、脉冲数字电路的设计调试等，可达几十个实验项目。如果上述项目全开设，除需要通用仪器如电源、信号源、示波器外，还需要配置价格昂贵的专用仪器如扫频仪、相位计、频谱仪、逻辑分析仪等。这些条件，一般院校难以具备，所以有许多课程设计或实验项目因限于设备条件而不能开设。利用EDA技术仿真、测试电路特性，可节省多种测试仪器，节约经费开支，同时充分发挥EDA精确分析、直观显示、全频带工作的优良特性。1.1.3常用EDA仿真软件长期以来，大型的EDA系统都是运行在以UNIX为操作系统的工作站平台上。随着PC机性能的不断提高及Windows操作系统的逐步发展，世界著名厂商如CadenceDesignSystems，MentorGraphics，Synopsys，OrCAD和ViewlogicSystems等，已先后推出了支持PC—Windows平台的EDA开发软件。1、PSPICE、ORCAD：通用的电子电路仿真软件，适合于元件级仿真。2、SYSTEMVIEW：系统级的电路动态仿真软件3、MATLAB：具有强大的数值计算能力，包含各种工具箱，其程序不能脱离MATLAB环境而运行，所以严格讲，MATLAB不是一种计算机语言，而是一种高级的科学分析与计算软件。4、SIMULINK：是MATLAB附带的基于模型化图形组态的动态仿真环境。在电路仿真和印刷电路板（PCB）设计时，常用的EDA软件有：PSpice，OrCAD，FilterLab（模拟滤波器软件），CircuitMaker2000，PROTEL，ElectronicWorkbench，PowerPCBEDA2000等。其中Pspice软件是典型的电路仿真设计软件。是MicroSim公司80年代中期推出的基于PC机的通用电路模拟分析软件。现在的很多分析软件都是以Pspice为内核、经过历年来多次改版，以其强大的功能和高度的集成性而成为个人电脑上最受欢迎的电路仿真软件。1.2SPICE发展历程目前国际上享有盛誉的模拟电路设计工具都是以SPICE为基础实现的，如MicroSim公司的PSpice，MetaSoftware公司的HSPICE，以及Analogy公司的Saber等。SPICE(SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis)1988年SPICE被定为美国国家工业标准。由美国加州大学伯克莉（Berkeley）分校电工和计算机科学系分校开发。1972年首次推出。1983年OrCAD公司推出可在PC机上运行的PSpice1（P即代表运行于PC机的版本）。目前微机上广泛使用的PSPICE是由美国MicroSim公司开发并于1984年1月首次推出的。1.2.1PSPICE软件简介PSpice软件分为工业版(ProductionVersion)和教学版(EvaluationVersion)。PSPICE是由SPICE发展而来的用于微机系列的通用电路分析程序。能进行模拟电路分析、数字电路分析和模拟数字混合电路分析。PSpice5.0及以前的版本都为DOS版，而PSpice5.1及以后的各种版本均为窗口版。现已成为微机级电路模拟标准软件。1.2.2OrCAD/PSpice软件1998年1月MicroSim公司与OrCAD公司合并，称为OrCAD公司。两公司强强联合后，相继推出一系列基于PC机的EDA软件系统。1998年11月推出的OrCAD/PSpice9，是有相关中文参考书的版本。目前较新版本是OrCAD/PSpice10.5。OrCAD软件覆盖了电子设计中的4项核心任务：电路原理图输入及器件信息管理系统OrCAD/CaptureCIS，模拟、数字及模拟/数字混合电路分析与优化设计OrCAD/PspiceA/D，可编程逻辑设计OrCAD/ExpressPlus，印刷电路板（PCB）设计OrCAD/LayoutPlus。1.2.3OrCAD/PSpice软件的改进与SPICE相比，OrCAD/PSpice并不只是单纯将SPICE移植到PC机，而是在以下方面有重大变革。（1）不仅可以对模拟电路进行直流、交流、瞬态等基本电路特性分析，而且可进行蒙特卡洛（MC（MONTECARLO））统计分析、最坏情况分析（Wcase（Worst-CaseAnalysis））、优化设计等复杂的电路特性分析。（2）不仅可对模拟电路进行计算机辅助分析，而且可对数字电路、数/模混合电路进行计算机模拟。为突出这一功能特点，新版本的软件称为PSpiceA/D。（3）一改批处理运行模式，可在WINDOWS环境下，以人机交互方式运行。绘制好电路图后，即可直接进行电路模拟，无需编制繁杂的输入文件。在模拟过程中，可以随时分析观察模拟结果，并在电路图上修改设计。经过25年的发展和应用，OrCAD/PSpice实际上已成为微机级电路模拟的标准软件。1.3OrCAD/PSpice软件的功能特点PSpiceA/D可模拟下述6类最常用的电路元器件：（1）基本无源元件，如电阻、电容、电感、互感、传输线等（2）常用的半导体器件，如二极管、双极型晶体管、结型场效应晶体管、MOS场效应晶体管、GaAs场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管（IGBT）等（3）独立电压源和独立电流源。可产生用于直流（DC）、交流（AC）、瞬态（TRAN）分析和逻辑模拟所需的各种激励信号波形（4）各种受控电压源、受控电流源和受控开关（5）基本数字电路单元，包括常用的门电路、传输门、延迟线、触发器、可编程逻辑阵列、RAM、ROM等（6）常用单元电路，特别是像运算放大器一类集成电路，可将其作为一个单元电路整体出现在电路中，而不必考虑该单元电路的内部电路结构1.PSpiceA/D支持的元器件类型电路模拟的精度很大程度上取决于电路中代表各种元器件特性的模型参数值是否精确。为方便用户使用，PSpiceA/D提供的模型参数库中包括：超过11300种半导体器件和模拟集成电路产品的模型参数，1600多种数字电路单元产品的参数，其中包括最新的GaAs器件和IGBT器件模型参数，对MOSFET器件还提供了6种不同级别的模型，适用于先进的亚微米工艺器件。PSpiceA/D为不同类别的元器件赋予不同的字母代号，如表1-1所示。电路图中不同元器件编号的首字母必须按照字母代号选取。表1-1PSpiceA/D支持的元器件类别及其字母代号（按字母顺序）字母代号元器件类别字母代号元器件类别BGaAs场效应晶体管N数字输入C电容O数字输出D二极管Q双极晶体管E受电压控制的电压源R电阻F受电流控制的电流源S电压控制开关G受电压控制的电流源T传输线H受电流控制的电压源U数字电路单元I独立电流源USTIM数字电路激励信号源J结型场效应晶体管（JFET）V独立电压源K互感（磁心），传输线耦合W电流控制开关L电感X单元子电路调用MMOS场效应晶体管（MOSFET）Z绝缘栅双极晶体管（IGBT）备注：N器件和O器件，是为混合电路中对数/模接口型结点进行接口电路转换而引进的等效器件。2.PSpiceA/D分析的电路特性表1-2PSpiceA/D分析的电路特性类别电路特性直流特性（1）直流工作点（BiasPoitDetail）（2）直流灵敏度（DCSensitivity）（3）直流传输特性（TF:TransferFunction）（4）直流特性扫描（DCSweep）交流特性（1）交流小信号频率特性（ACSweep）（2）噪声特性（Noice）瞬态特性（1）瞬态响应（TransientAnalysis）（2）傅立叶分析（FourierAnalysis）参数扫描（1）温度特性（TemperatureAnalysis）（2）参数扫描（ParametricAnalysis）统计分析（1）蒙特卡洛分析（MC:MonteCarlo）（2）最坏情况分析（WC:WorstCase）逻辑模拟（1）逻辑模拟（DigitalSimulation）（2）数/模混合模拟（MixedA/DSimulation）（3）最坏情况时序分析（Worst-casetiming