电路仿真

yyyy138 · 发表于 2016-11-19 09:26:00

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8.1 电路仿真的基本概念
仿真中涉及到的几个基本概念如下：（1）仿真元器件：用户在做电路仿真时用到的元器件，要求具有仿真属性。（2）仿真电路图：用户根据具体电路的设计要求，使用原理图编辑器及具有仿真属性的元器件所绘制成的电路原理图。（3）仿真激励：用于模拟实际电路中的信号。（4）仿真方式：仿真方式有多种，不同的仿真方式对应不同的参数设定，用户应根据具体的电路要求选择设置仿真方式。（5）仿真结果：一般以波形的形式给出。
8.2 电路仿真的基本步骤
1.编辑仿真原理图绘制仿真原理图时，图中所使用的元器件都必须具有Simulation属性。如果某个元器件不具有仿真属性，则在仿真时将出现错误信息 2.设置仿真激励源所谓仿真激励源就是输入信号，使电路可以开始工作。仿真常用激励源有直流源、脉冲信号源及正弦信号源等。 3.放置节点网络标号将网络标号放置在需要测试的电路位置上。 4.设置仿真方式及参数用户应当根据具体电路的仿真要求，设置合理的仿真方式和相应的参数。不同的仿真方式显示的仿真结果也不同。 5.执行仿真命令将以上设置完成后，执行菜单命令Design→Simulate→Mixed Sim命令，启动仿真命令。 6.分析仿真结果用户可以在*.sdf的文件中查看、分析仿真的波形和数据。若对仿真结果不满意，可以修改电路仿真原理图中的参数，再次进行仿真，直到满意为止。
8.3 常用电路仿真元器件
Altium Designer 6.0的主要仿真电路元器件有分离元器件、特殊元器件等。下面分别介绍这些仿真元器件。 1.分离元器件 Altium Designer 6.0系统为用户提供了一个常用分离元器件集成库 Miscellaneous Devices.IntLib，该库中包含了常用的元器件，如电阻、电容、电感、三极管等，它们大部分都具有仿真属性，可以用于仿真。 2.特殊元器件（1）节点电压初始值元器件节点电压初值“.IC”是存放在Simulation Sources.IntLib元器件库内的特殊元器件。（2）仿真数学函数元器件在Altium Designer 6.0仿真器中，系统还提供了若干仿真数学函数。它们作为一种特殊的仿真元器件，主要用来将两路信号进行合成，以达到一定的仿真目的。这就需要数学函数元器件来完成电路中信号的加、减、乘、除等数学运算，也可以用来对一个节点信号进行各种变换，如正弦变换、余弦变换等。
8.4 电源和仿真激励源
8.4.1 直流电压源和直流电流源
直流电压源和

直流电流源在仿真原理图中分别为仿真电路提供一个不变的直流电压信号和直流电流信号。双击放置的直流电源，打开元器件属性设置对话框，在对话框的栏中双击Simulation，然后在打开的对话框中单击Parameters标签，切换到Parameters选项卡。 ▲ Value：用于设置直流电源值。 ▲ AC Magnitude：用于设置交流小信号分析的电压值。 ▲ AC Phase：用于设置交流小信号分析的初始相位值。
8.4.2 正弦信号激励源
正弦信号激励源包括正弦电压源VSIN和正弦电流源ISIN。它们主要用来产生正弦电压和正弦电流，用以交流小信号分析和瞬态分析。在该对话框中，需要设置的参数比较多，各项参数的具体意义如下： ▲ DC Magnitude：用于设置正弦信号的直流参数，它表示正弦信号的直流偏置，通常设置为0。 ▲ AC Magnitude：用于设置交流小信号分析的电压值，通常设置为 1V。 ▲ AC Phase：用于设置交流小信号分析的初始相位值，通常设置为0。 ▲ Offset：用于设置正弦信号波上叠加的直流分量。 ▲ Amplitude：用于设置正弦信号的振幅。 ▲ Frequency：用于设置正弦信号的频率。 ▲ Delay：用于设置正弦信号的初始延时时间。 ▲ Damping Factor：用于设置正弦信号的阻尼因子，当设置为正值时，正弦波的幅值随时间的变化而衰减；当设置为负值时，正弦波的幅值随时间的变化而递增。 ▲ Phase：用于设置正弦波的初始相位。
8.4.4 随机信号激励源
随机信号激励源用来提供随机信号，此信号是由若干条相连的直线组成的不规则的信号，包括两种：随机信号电压源VPWL和随机信号电流源 IPWL。仿真参数如下。 ▲ DC Magnitude：用于设置随机信号激励源的直流参数，通常设置为0。 ▲ AC Magnitude：用于设置交流小信号分析的电压值，通常设置为1V。 ▲ AC Phase：用于设置交流小信号分析的初始相位值，通常设置为0。 ▲ Time/Value Pairs：用于设置在分段点处的时间值和电压值。单击按钮，可以增加一个分段点；单击按钮，可以删除一个所选的分段点。
8.4.5 调频波激励源
调频波激励源用来为仿真电路提供一个频率可变化的仿真信号，一般在高频电路仿真时使用，包括两种：调频电压源VSFFM和调频电流源 ISFFM。仿真参数如下。 ▲ DC Magnitude：用于设置调频波激励源的直流参数，通常设置为0。 ▲ AC Magnitude：用于设置交流小信号分析的电压值，通常设置为1V。 ▲ AC Phase：用于设置交流小信号分析的初始相位值，通常设置为0。 ▲ Offset：用于设置叠加在调频信号上的直流分量。 ▲ Amplitude：用于设置调频信号的载波幅值。 ▲ Carrier Frequency：用于设置调频信号载波频率。 ▲ Mod

ulation Index：用于设置调制系数。
8.4.6 指数函数信号激励源
指数函数信号激励源为仿真电路提供指数形状的电流或电压信号，常用于高频电路仿真中，包括两种：指数电压源VEXP和指数电流源 IEXP。指数函数信号激励源的仿真参数设置对话框仿真参数如下。 ▲ DC Magnitude：用于设置指数函数信号激励源的直流参数，通常设置为0。 ▲ AC Magnitude：用于设置交流小信号分析的电压值，通常设置为1V。 ▲ AC Phase：用于设置交流小信号分析的初始相位值，通常设置为0。 ▲ Initial Value：用于设置指数函数信号的初始幅值。 ▲ Pulsed Value：用于设置指数函数信号的跳变值。 ▲ Rise Delay Time：用于设置信号上升延迟时间。 ▲ Rise Time Constant：用于设置信号上升时间。 ▲ Fall Delay Time：用于设置信号下降延迟时间。 ▲ Fall Time Constant：用于设置信号下降时间。
8.5 仿真模式设置
Altium Designer 6.0的仿真器可以完成各种形式的信号分析。在仿真器的分析设置对话框中，通过通用参数设置页面，允许用户指定仿真的范围和自动显示仿真的信号，每一项分析类型可以在独立的设置页面内完成。 Altium Designer 6.0中允许的分析类型包括： ▲静态工作点分析（Operating Point Analysis） ▲瞬态分析和傅里叶分析（Transient/Fourier Analysis） ▲直流扫描分析（DC Sweep Analysis DC Analysis） ▲交流小信号分析（AC Small Signal Analysis） ▲噪声分析（Noise Analysis） ▲零-极点分析（Pole-Zero Analysis） ▲传递函数分析（Transfer Function Analysis） ▲蒙特卡罗分析（Monte Carlo Analysis） ▲参数扫描( Parameter Sweep) ▲温度扫描（Temperature Sweep）
8.5.1 通用参数设置
在原理图编辑环境中，执行菜单命令Design→Simulate→Mixed Sim，弹出Analyses Setup（分析设置）对话框。在该对话框左侧Analyses/Options栏中列出了需要设置的仿真参数和模型，右侧显示了与当前所选项目对应的仿真模型的参数设置。系统打开对话框后，默认的选项为General Setup，即通用参数设置页面。（1）仿真数据结果可以通过Collect Data For下拉列表框中指定。（2）在Sheets to Netlist下拉列表框中，可以指定仿真分析的是当前原理图还是整个项目工程。（3）在SimView Setup下拉列表框中，用户可以设置仿真结果的显示。（4）在Available Signals栏中列出了所有可供选择的观测信号。通过改变Collect Data For下拉列表框的设置，该栏中的内容将随之变化。（5）在Active Signals列表框中列出了仿真结束后，能立即在仿真结果中显示的信号。
8.5.3 瞬态分析和傅里叶分析
瞬态分析和傅里叶分析（Transient/Fourier Analysis）是电路仿真中经常用到的

仿真方式，在分析设置对话框中选中Transient/Fourier Analysis项，即可在右面显示瞬态分析和傅里叶分析参数设置，如图 8-26所示。 1.瞬态分析瞬态分析在时域中描述瞬态输出变量的值。在未使用Use Initial Conditions参数时，对于固定偏置点，电路节点的初始值对计算偏置点和非线性元件的小信号参数时节点初始值也应考虑在内，因此有初始值的电容和电感也被看作是电路的一部分而保留下来。 2.傅里叶分析一个电路设计的傅里叶分析是基于瞬态分析中最后一个周期的数据完成的。 ▲ Enable Fourier：若选中该复选框，则在仿真中执行傅里叶分析。 ▲ Fourier Fundamental Frequency：用于设置傅里叶分析中的基波频率。 ▲ Fourier Number of Harmonics：傅里叶分析中的谐波数。每一个谐波均为基频的整数倍。 ▲ Set Defaults：单击该按钮，可以将参数恢复为默认值。在执行傅里叶分析后，系统将自动创建一个.sim 数据文件，文件中包含了关于每一个谐波的幅度和相位的详细信息。
8.5.4 直流扫描分析
直流扫描分析（DC Sweep Analysis）就是直流转移特性，当输入在一定范围内变化时，输出一个曲线轨迹。通过执行一系列静态工作点分析，修改选定的源信号电压，从而得到一个直流传输曲线。用户也可以同时指定两个工作源。 ▲ Primary Source：电路中独立电源的名称。 ▲ Primary Start：主电源的起始电压值。 ▲ Primary Stop：主电源的停止电压值。 ▲ Primary Step：在扫描范围内指定的主电源步长值。 ▲ Enable Secondary：在主电源基础上，执行对从电源值的扫描分析。 ▲ Secondary Name：在电路中独立的第二个电源的名称。 ▲ Secondary Start：从电源的起始电压值。 ▲ Secondary Stop：从电源的停止电压值。 ▲ Secondary Step: 在扫描范围内指定的从电源步长值。在直流扫描分析中必须设定一个主源，而第二个源为可选源。通常第一个扫描变量（主独立源）所覆盖的区间是内循环，第二个（从独立源）扫描区间是外循环。
8.5.5 交流小信号分析
交流小信号分析（AC Small Signal Analysis）是在一定的频率范围内计）算电路的频率响应。如果电路中包含非线性元器件，在计算频率响应之前就应该得到此元器件的交流小信号参数。在进行交流小信号分析之前，必须保证电路中至少有一个交流电源，即在激励源中的AC属性域中设置一个大于零的值。 ▲ Start Frequency：用于设置交流小信号分析的初始频率。 ▲ Stop Frequency：用于设置交流小信号分析的终止频率。 ▲ Sweep Type：用于设置扫描方式，有3种选择。 ▲ Test Points：在扫描范围内，交流小信号分析的测试点数目设置。 ▲ Total Test Point

：显示全部测试点的数量。在执行交流小信号分析前，电路原理图中必须包含至少一个信号源元器件，并且在AC Magnitude参数中应输入一个值。用这个信号源去替代仿真期间的正弦波发生器。用于扫描的正弦波的幅度和相位，需要在SIM模型中指定。
8.5.6 噪声分析
噪声分析（Noise Analysis）是利用噪声谱密度测量电阻和半导体元器件的噪声影响，通常由V2/Hz 表征测量噪声值。电阻和半导体元器件等都能产生噪声。噪声电平取决于频率。电阻和半导体元器件产生噪声的类型不同在电路设计中，我们可以测量和分析的噪声有以下几种： ▲ Output Noise：在某个输出节点处测量得到的噪声。 ▲ Input Noise：叠加在输入端的噪声总量，将直接关系到输出端上的噪声值。 ▲ Component Noise：电路中每个元器件（包括电阻和半导体元器件）对输出端所造成的噪声乘以增益后的总和。 ▲ Noise Sources：选择一个用于计算噪声的参考电源（独立电压源或独立电流源）。 ▲ Start Frequency：指定噪声分析的起始频率。 ▲ Stop Frequency：指定噪声分析的终止频率。 ▲ Sweep Type：指定扫描方式，这些设置和交流小信号分析差不多，在此只作简要说明。 ▲ Test Points：用于指定扫描的测试点数目。 ▲ Points Per Summary：指定计算噪声范围。在此区域中，若输入0，则只计算输入和输出噪声；若输入1，则同时计算各个元器件噪声。 ▲OutPut Node：指定噪声分析的输出节点。 ▲ Reference Node：指定输出噪声参考节点，此节点一般为接地（也即为0节点），如果设置的是其他节点，可以通过V(Output Node)-V(Reference Node) 得到总的输出噪声。
8.5.7 零-极点分析
零-极点分析（Pole-Zero Analysis）是指在单输入/输出的线性系统中，利用交流小信号传输函数对极点或零点进行稳定性分析，并将电路的静态工作点线性化，以及对所有非线性元器件匹配小信号模型。交流小信号传输函数有两种：电压增益（输出与输入电压之比）传输函数和阻抗（输出电压与输入电流之比）传输函数。在分析设置对话框中选中Pole-Zero Analysis项，即可在右面显示零极点分析仿真参数设置。仿真参数如下。 ▲ Input Node：输入节点选择设置。 ▲ Input Reference Node：输入端的参考节点设置，系统默认为0。 ▲ Output Node：输出节点选择设置。 ▲ Output Reference Node：输出端的参考节点设置，系统默认为0。 ▲ Transfer Function Type：设定交流小信号传输函数的类型，有两种选择，分别是V(output)/V(input)电压增益传输函数和V(output)/I(input) 电阻传输函数。 ▲ Analysis Type：分析类型设置，有3种选择，即Poles Only只分析极点、Zeros Only

只分析零点和Poles And Zeros零-极点分析。
8.5.8 传递函数分析
传递函数分析（Transfer Function Analysis）也称为直流小信号分析，是将计算每个电压节点上的直流输入电阻、直流输出电阻和直流增益值。在分析设置对话框中选中Transfer Function Analysis项，即可在右面显示传递函数分析仿真参数设置。 ▲ Source Name：指定输入参考的小信号输入源。 ▲ Reference Node：作为参考指定计算每个特定电压节点的电路节点，系统默认为0。利用传递函数分析可以计算整个电路中直流输入、输出电阻和直流增益3个小信号的值。
8.5.9 温度扫描
温度扫描（Temperature Sweep）是指在一定的温度范围内进行电路参数计算，用以确定电路的温度漂移等性能指标。在分析设置对话框中选中Temperature Sweep项，即可在右面显示温度扫描仿真参数设置。 ▲ Start Temperature：温度扫描的起始温度。 ▲ Stop Temperature：温度扫描的终止温度。 ▲ Step Temperature：在温度变化区间内，递增变化的温度大小，即步长。在温度扫描分析时，由于会产生大量的分析数据，因此需要将 General Setup中的Collect Data For设定为Active Signals。
8.5.10 参数扫描
参数扫描（Parameter Sweep）可以与直流、交流或瞬态分析等分析类型配合使用，对电路所执行的分析进行参数扫描，为研究电路参数变化对电路特性的影响提供了很大的方便。在分析功能上与蒙特卡罗分析和温度分析类似，它是按扫描变量对电路的所有分析参数扫描的，分析结果产生一个数据列表或一组曲线图。同时用户还可以设置第二个参数扫描分析，但参数扫描分析所收集的数据不包括子电路中的元器件。 ▲ Primary Sweep Variable：希望扫描的电路参数或元器件的值，在下拉列表框中可以进行选择。 ▲ Primary Start Value：扫描变量的初始值。 ▲ Primary Stop Value：扫描变量的终止值。 ▲ Primary Step Value：扫描变量的步长。 ▲ Primary Sweep Type：参数扫描的扫描方式设置，有两种选择，分别是Absolute Values按照绝对值的变化计算和Relative Values按照相对值的变化计算。通常选择 Absolute Values。 ▲ Enable Secondary：扫描时需要确定第二个扫描变量。 ▲ Secondary Sweep Variable：希望扫描的第二个电路参数或元器件的值，在下拉列表框中可以进行选择。 ▲ Secondary Start Value：第二个扫描变量的初始值。 ▲ Secondary Stop Value：第二个扫描变量的终止值。 ▲ Secondary Step Value：第二个扫描变量的步长。 ▲ Secondary Sweep Type：第二个参数扫描的扫描方式设置，有两种选择，分别是 Absolute Values按照绝对值的变化计算和Relative Values按照相对值的变化计算。通常选择Absolute

Values。
8.5.11 蒙特卡罗分析
蒙特卡罗分析（Monte Carlo Analysis）是一种统计模拟方法，它是在给定电路元器件参数容差为统计分布规律的情况下，用一组随机数求得元器件参数的随机抽样序列，对这些随机抽样的电路进行直流扫描、静态工作点、传递函数、噪声、交流小信号和瞬态分析，并通过多次分析结果估算出电路性能的统计分布规律。蒙特卡罗分析可以进行最坏情况分析。 ▲ Seed：该值是仿真中随机产生的。如果用随机数的不同序列执行一个仿真，需要改变该值，系统默认值为-1。 ▲ Distribution：容差分布参数。 ▲ Number of Runs：在指定容差范围内执行仿真的次数，系统默认值为5。 ▲ Default Resistor Tolerance：电阻元器件默认容差设置，系统默认值为10％。 ▲ Default Capacitor Tolerance：电容元器件默认容差设置，系统默认值为10％。 ▲ Default Inductor Tolerance：电感元器件默认容差设置，系统默认值为10％。 ▲ Default Transistor Tolerance: 三极管元器件默认容差设置，系统默认值为10％。 ▲ Default DC Source Tolerance：直流源默认容差设置，系统默认值为10％。 ▲ Default Digital Tp Tolerance：数字元器件传播延时默认容差设置，系统默认值为10％。该容差将用于设定随机数发生器产生数值的区间。 ▲ Specific Tolerances：特定元器件的容差，用于定义一个新的特定容差，单击后面的按钮。