第10章 电子线路计算机辅助设计CAD

第10章电子线路计算机辅助设计CAD第10章电子线路计算机辅助设计CAD10.1电子线路CAD与电子线路CAD工具概述10.2电子线路仿真工具Pspice10.3Pspice10.4电子线路EDA工具——EWB介绍第10章电子线路计算机辅助设计CAD10.1电子线路CAD与电子线路CAD工具概述随着集成电路和计算机技术的迅速发展，以计算机辅助设计（CAD）为基础的电子设计自动化（EDA）技术已经渗透到电子系统和集成电路设计的各个环节。大多数电路设计者需要对电路的系统级或电路级进行功能仿真，本章就简明概要地介绍电路仿真工具Pspice等的应用，使读者尽快掌握并应用到电路设计中去，从而架起一座由电子线路到电子线路CAD的桥梁，以便今后进一步遨游于电子设计自动化的王国。第10章电子线路计算机辅助设计CAD模拟电路的仿真工具是众多EDA工具中的一种。由于模拟电路在性能上的复杂性及结构上的多样性，对仿真工具的精度、可靠性、收敛性以及速度等都有相当高的要求。国际上公认的模拟电路仿真工具是美国加利福尼亚大学伯克利分校开发的spice程序，目前享有盛誉的模拟电路仿真工具都是以spice为基础实现的。其中以美国原MetaSoftware公司的Hspice和MicroSim公司的Pspice最为流行。两者程序由于收敛性强，适于作系统和电路级仿真，现在两者均有微机版本，在世界范围内用户广泛。第10章电子线路计算机辅助设计CAD模拟电路仿真工具是以电路理论、数值计算方法和计算机技术为基础实现的。它采用数学模型和仿真算法，利用计算机的计算、存储和图形处理的高速和高效率，以电路理论为依据，无须任何元器件，用预先设计出的各种功能的应用程序，取代大量的仪器仪表。电路设计人员可以利用这些应用程序对电路进行各种分析与验证。一个好的电路CAD工具就是一个现代化的电子线路实验室，可以对整个电路系统设计进行全方位、全过程的逼真模拟，它为设计人员提供了一个创造性的开发环境，不仅能使设计者的设计达到高质量、高可靠性，而且降低了成本，缩短了开发周期，同时使设计者有更多的时间和精力去更充分地发挥创造性，以求设计精益求精。第10章电子线路计算机辅助设计CAD本章鉴于篇幅，不再系统讲解CAD工具Pspice的原理和算法，而是把重点放在Pspice、Hspice等软件的应用上。结合模拟电路课程内容，在介绍Pspice的功能时，尤其侧重于模拟单级、多级电路的各项主要参数的模拟验证，以此可以代替电子线路部分实验，解决电子线路理论教学往往与实验脱节的问题。鉴于篇幅有限，本章并未涵盖Pspice软件的所有功能，因为毕竟Pspice功能十分强大，感兴趣的同学可进一步参考有关资料。第10章电子线路计算机辅助设计CAD10.2电子线路仿真工具Pspice10.2.1Pspice的基本组成用于模拟电路仿真的spice程序，由美国加利福尼亚大学伯克利分校1972年首次推出，1975年正式推出实用版。1988年spice被定为美国国家工业标准。目前许多模拟电路仿真工具都是以spice为内核，在spice的基础上作了许多实用工作。MicroSim公司的Pspice为众多模拟仿真软件中较为出色的一个。它在保持spice原有功能的基础上，在输入输出图形处理、算法的可靠性和收敛性、仿真速度、模拟功能扩展和模型参数库以及宏模型参数库等方面都有改善与扩充。第10章电子线路计算机辅助设计CAD1.电原理图输入程序SchematicsPspice的输入基本上是电路原理图输入和网表文本输入两种方式。电路原理图输入方式比较简单、直观。Pspice的电路元器件库中备有大量的绘制电路图所需的各种元器件符号，如电阻、电容、电感、二极管、三极管、电源等电路级器件，以及运放、比较器等宏模型级器件，还有数字电路仿真用的各种寄存器与门级电路。用户可以直接调用元器件进行原理图绘制，由原理图编辑器自动将原理图转换为网表文件，并标上节点号以供仿真工具调用。当然，用户也可以直接用文本输入的方式直接输入网表文件。该输入方式要求设计者对输入语言比较熟悉，但文本输入方式通用性、可读性强，不受软件界面变化和软件升级的影响，为早期也是最基本的一种输入方式。第10章电子线路计算机辅助设计CAD2.激励源编辑程序StimulusEditor该程序用于帮助用户快速建立输入信号源的波形，Pspice中信号源的种类很多，如正弦波、脉冲波，分段线性波形等。第10章电子线路计算机辅助设计CAD3.电路仿真程序PspiceA/D该程序为Pspice的核心部分。它的仿真功能包括：直流工作点分析、直流传输函数计算、交流小信号分析、交流噪声分析、瞬态分析、傅里叶分析、灵敏度分析、最坏情况分析、蒙特卡罗统计分析等。在近期的版本中，Pspice还具备模数混合电路的混合仿真能力。一般情况下，Pspice还是主要用于模拟电路的仿真，因为它的优势主要还是在模拟电路的仿真上。电路仿真程序接收电原理图输入程序输入的电路拓扑信息和参数信息，经过元器件模型处理形成电路方程，求解方程后得到计算结果。仿真结果由图形文件（*.DAT）和数据文件(*.OUT)两部分构成。第10章电子线路计算机辅助设计CAD图10-1仿真程序的构成与流程图电路拓扑和元器件参数信息元器件模型处理建立电路方程组求解电路方程组输出结果图形文件(*.DAT)和数据文件(*.OUT)第10章电子线路计算机辅助设计CAD4.输出结果绘图工具ProbeProbe程序是Pspice的输出图形后处理软件包。它通过接受仿真程序输出的绘图文件（*.DAT），在屏幕上绘出仿真结果的曲线、波形，还可以打印输出。第10章电子线路计算机辅助设计CAD5.模型参数提取程序Parts电路仿真工具的精度、可靠性和实用性在很大程度上取决于电路元器件模型及模型参数的精度。目前主要是依靠模型参数库提供。由于模拟电路的种类繁多，而Pspice的模型参数库规模有限，因此Pspice提供了一个从器件中提取模型参数的软件包Parts。第10章电子线路计算机辅助设计CAD6.元器件模型参数库LIBPspice提供的元器件参数库都以*.LIB的文件形式放于LIB目录中供仿真程序调用。元器件参数库除了包括分立元件参数库之外，还包括集成电路的宏模型库，以及国际上一些著名元器件和IC生产厂商的专有元器件参数库。例如，二极管库DIODE.LIB，双极型晶体管库BIPOLAR.LIB，美国AnalogDevice公司专用IC宏模型库等等几十个。随着Pspice版本的不断更新，参数库的规模还将不断扩大，充实。第10章电子线路计算机辅助设计CAD图10-2电路分析流程图激励源编辑器StimulusEditor修改电路结构修改电路参数模型参数提取Parts元器件参数库LIBNY设计指标要求确定电路初始方案确定电路元器件参数电原理图或文本输入Schematics电路仿真PSpice输出结果绘图Probe最终电路设计方案性能满足要求？第10章电子线路计算机辅助设计CAD10.2.2Pspice的输入输出方式概述Pspice是一个通用电路分析程序，在给定元器件参数和电路结构的条件下，它可以模拟和计算电路的各项性能。用Pspice分析一个电路的一般要求是：（1）给定电路结构和元器件参数；（2）确定分析电路所需要的分析内容和分析类型；（3）定义电路的输出信息和变量。第10章电子线路计算机辅助设计CADPspice规定了一系列输入、输出语句，用这些语句对电路仿真的标题，电路连接方式，组成电路元器件的名称、参数、模型，以及分析类型、输出变量等进行描述。下面结合一个简单实例对程序组成进行概要介绍。需要提醒读者注意的是，在建立电路的文本网表文件之前，首先要对电路的节点进行编号。Pspice规定地节点号为0，其余编号任意，但不允许有悬浮节点，即每个节点对地有直流通路。如不满足则可用大电阻（例如1GΩ）代替。每个节点应至少接两个元器件，不允许悬空。第10章电子线路计算机辅助设计CAD1.电路的标题语句该语句为输入文件的第一行（注释语句外），必须设置。它由任意字母或字符串组成，用以说明文件内容等，如例10-1中标注（1）。【例10-1】如图10-3所示是简单的晶体管放大电路，计算该电路的静态工作点。晶体管参数为：IS=1×10-14A，ΒF=80，RBB=100Ω，UA=100V。要求：写出输入文本文件，打出分析结果。RL两端的电压为Uo。第10章电子线路计算机辅助设计CAD图10-3晶体管放大电路Rc680UCC＝＋16V110FC220kRb10FC1Ui0V11kRL5243＋－第10章电子线路计算机辅助设计CAD第10章电子线路计算机辅助设计CAD2.电路的描述语句该语句用以描述电路的拓扑结构和元器件参数，它由元器件描述语句（如例10-1中的标注（2B））、器件模型描述语句（如例10-1中的标注（2C））、电源语句（如例10-1中的标注（2A））三部分构成。1)元器件描述语句格式为元器件名称节点1节点2器件值第10章电子线路计算机辅助设计CAD关于该语句格式有两点说明：①元器件的名称必须以规定的字母开头，其后可以是任意的数字或字母，整个名称限8位长度。Pspice中规定的元器件首字母见表10.1。表10.1电路元器件的首字母规定第10章电子线路计算机辅助设计CAD②元件值可以用整数或标准浮点数表示，或用整数、浮点数加比例因子的形式表示。比例因子有T=1012G=109MEG=106K=103M=10-3MIL=25.4×10-6U=10-6N=10-9P=10-12F=10-15比例因子可以大写，也可以小写。其后度量单位可以省略不写。在没有比例因子和度量单位的情况下，缺省的电阻、电容、电感、频率、电压、电流和角度等的单位均为基本国际标准单位：Ω、F、H、Hz、V、A、°等。如网表中1000=1k=1E3=1000Hz=1kHz。第10章电子线路计算机辅助设计CAD2)器件模型描述语句许多元器件均用器件模型描述语句定义其参数。该语句格式区别于元器件描述语句，其以“.”开头，由关键字MODEL、模型名称、模型类型和一组参数构成。.MODEL模型名称模型类型一组参数例如以下两组模型语句分别描述二极管、三极管模型。D142DMODQ2351QMOD.MODELDMODDIS=3E-14RS=60N=1M=0.35TT=1E-7.MODELQMODPNPIS=2E-15BF=80RB=15CJC=2PCJE=2P+VAF=100TF=1E-10第10章电子线路计算机辅助设计CAD3)电源种类可以是直流源、交流源、独立源、受控源，波形可以为正弦波、脉冲、指数、分段函数等等。电源语句由源名称、连接关系、数值大小组成。其格式为源名称正节点负节点源值与参数又如：VI50DC1.5AC1VI130SIN(0210KHZ)第10章电子线路计算机辅助设计CAD3.分析类型描述语句分析类型描述语句由定义电路分析类型的描述语句和一些控制语句构成，如直流分析（.OP），交流小信号分析（.AC），瞬态分析（.TRAN）等。这类语句以一个“.”开头，因此也经常称之为点语句。其位置可以放在标题与结束语句之间的任何地方，但通常置于电路描述语句之后。参见例题10-1中的标注（3）。第10章电子线路计算机辅助设计CAD常用的一些分析类型描述语句及意义为.OP.DC.TF.AC.TRAN.TEMP.SENS.STEP（其余限于篇幅略）第10章电子线路计算机辅助设计CAD另外，常用的控制命令语句关键字及意义有：.INC包括文件调用.PROBE.MODEL模型参数设置.END.LIB.PRINT.PLOT（其余限于篇幅略）第10章电子线路计算机辅助设计CAD4.输出描述语句输出语句其实是一种控制语句，由.PRINT,.PROBE和.PLOT三条语句实现对输出的控制与描述。1）.PRINT为文本打印语句，用来控制文本输出文件（*.OUT）的输出格式，在文本文件（*.CIR）中该语句