CadencePSPICE电路仿真程序设计课件.ppt
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- CadencePSPICE 电路 仿真 程序设计 课件
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1、PSPICE电路仿真程序设计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n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 nORCAD/PSPICE 9实用教程 西安电子科技大学出版社 贾新章等 编 教材n PSPICE电路仿真程序设计国防工业出版社 李永平 编CAACAA、CADCAD与与EDAEDAu CAA CAA(Computer Aided AnalysisComputer Aided Analysis)-计算机辅助分析计算机辅助分析u CAD CAD(Computer Aided DesignComputer A
2、ided Design)-计算机辅助设计计算机辅助设计u EDA EDA(Electronic Design AutomationElectronic Design Automation)-电子设计自动化电子设计自动化第一讲第一讲 PSPICE PSPICE 概论概论电子电路设计的流程电子电路设计的流程电子设计自动化(电子设计自动化(EDA)的特点)的特点 提高效率,缩短设计周期。提高效率,缩短设计周期。降低设计成本,提高产品质量。降低设计成本,提高产品质量。共享设计资源。共享设计资源。n1.1.1 EDA与电子工程设计n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
3、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。n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。n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
4、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。n1.1.2 EDA的主要作用n 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。n1.验证电路方案设计的正确性n 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。n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
5、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。n2.电路特性的优化设计n 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: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);单独分析每一器件容差对电路的影响量(灵敏度分析);分析全体器件容差对电路性能的最大影响量(最坏情
6、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。n n3.实现电路特性的模拟测试n 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。nEDA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
7、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常用常用EDA仿真软件仿真软件 长期以来,大型的长期以来,大型的EDA系统都是运行在以系统都是运行在以UNIX为操作系统的工作站平台上。随
8、着为操作系统的工作站平台上。随着PC机机性能的不断提高及性能的不断提高及Windows操作系统的逐步操作系统的逐步发展,世界著名厂商如发展,世界著名厂商如Cadence Design Systems,Mentor Graphics,Synopsys,OrCAD和和Viewlogic Systems等,已先后推等,已先后推出了支持出了支持PCWindows平台的平台的EDA开发软件。开发软件。1、PSPICE、ORCAD:通用的电子电路仿真软件,适合于元件:通用的电子电路仿真软件,适合于元件级仿真。级仿真。2、SYSTEM VIEW:系统级的电路动态仿真软件:系统级的电路动态仿真软件3、MATL
9、AB:具有强大的数值计算能力,包含各种工具箱,其:具有强大的数值计算能力,包含各种工具箱,其程序不能脱离程序不能脱离MATLAB环境而运行,所以严格讲,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。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:是MATLAB附带的基于模型化图形组态的动态附带的基于模型化图形组态的动态仿真环境。仿真环境。在电路仿真和印刷电路板(在电路仿真和印刷电路板(PCB)设计时,常用的)设计时,常用的EDA软件有:软件有:PSpice,OrCAD,FilterLab(模拟滤波器软件),(模拟滤波器
10、软件),CircuitMaker2000,PROTEL,Electronic Workbench,PowerPCB EDA2000等。等。其中其中Pspice软件是典型的电路仿真设计软件。是软件是典型的电路仿真设计软件。是MicroSim公公司司80年代中期推出的基于年代中期推出的基于PC机的通用电路模拟分析软件。现机的通用电路模拟分析软件。现在的很多分析软件都是以在的很多分析软件都是以Pspice为内核、经过历年来多次改为内核、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。欢迎的电路仿真软件。1.2
11、 SPICE发展历程发展历程 目前国际上享有盛誉的模拟电路设计工具都是以目前国际上享有盛誉的模拟电路设计工具都是以SPICE为基为基础实现的,如础实现的,如MicroSim公司的公司的PSpice,Meta Software公司的公司的HSPICE,以及,以及Analogy公司的公司的Saber等。等。SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)1988年年SPICE被定为美国国家工业标准。被定为美国国家工业标准。由美国加州大学伯克莉(由美国加州大学伯克莉(Berkeley)分校电工和计算机科学)分校电工和计算机科学系分校
12、开发。系分校开发。1972年首次推出。年首次推出。n n目前微机上广泛使用的目前微机上广泛使用的PSPICE是由美国是由美国MicroSim公司开发公司开发并于并于1984年年1月首次推出的。月首次推出的。1.2.1 PSPICE软件简介软件简介n PSpice软件分为工业版软件分为工业版(Production Version)和教学版和教学版(Evaluation Version)。n PSPICE是由是由SPICE发展而来的用于微机系列的通用电路分发展而来的用于微机系列的通用电路分析程序。析程序。n 能进行模拟电路分析、数字电路分析和模拟数字混合电能进行模拟电路分析、数字电路分析和模拟数字
13、混合电路分析。路分析。n PSpice5.0及以前的版本都为及以前的版本都为DOS版,而版,而PSpice 5.1及以后的及以后的各种版本均为窗口版。各种版本均为窗口版。n 现已成为微机级电路模拟标准软件。现已成为微机级电路模拟标准软件。1.2.2 OrCAD/PSpice软件软件n2019年年1月月MicroSim公司与公司与OrCAD公司合并,称为公司合并,称为OrCAD公司。两公司强强联合后,相继推出一系列公司。两公司强强联合后,相继推出一系列基于基于PC机的机的EDA软件系统。软件系统。nOrCAD软件覆盖了电子设计中的软件覆盖了电子设计中的4项核心任务:电路项核心任务:电路原理图输入
14、及器件信息管理系统原理图输入及器件信息管理系统OrCAD/Capture CIS,模拟、数字及模拟,模拟、数字及模拟/数字混合电路分析与优化数字混合电路分析与优化设计设计OrCAD/Pspice A/D,可编程逻辑设计,可编程逻辑设计OrCAD/Express Plus,印刷电路板(,印刷电路板(PCB)设计)设计OrCAD/Layout Plus。1.2.3 OrCAD/PSpice软件的改进软件的改进1.3 字母代号字母代号元器件类别元器件类别字母代号字母代号元器件类别元器件类别BGaAs 场效应晶体管场效应晶体管N数字输入数字输入C电容电容O数字输出数字输出D二极管二极管Q双极晶体管双极
15、晶体管E受电压控制的电压源受电压控制的电压源R电阻电阻F受电流控制的电流源受电流控制的电流源S电压控制开关电压控制开关G受电压控制的电流源受电压控制的电流源T传输线传输线H受电流控制的电压源受电流控制的电压源U数字电路单元数字电路单元I独立电流源独立电流源U STIM数字电路激励信号源数字电路激励信号源J结型场效应晶体管结型场效应晶体管(JFET)V独立电压源独立电压源K互感互感(磁心),传输线耦合(磁心),传输线耦合W电流控制开关电流控制开关L电感电感X单元子电路调用单元子电路调用MMOS 场效应晶体管场效应晶体管(MOSFET)Z绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管(IGBT)n主要包括主要包
16、括Schematics(图形编辑程序)、(图形编辑程序)、Pspice A/D(仿真分析程序)、(仿真分析程序)、Probe(图形(图形后处理程序)、后处理程序)、Stimulus Editor(信号源编辑(信号源编辑程序)、程序)、Parts(元器件模型参数提取程序)、(元器件模型参数提取程序)、Optimizer(电路优化程序)等(电路优化程序)等6个软件包。个软件包。OrCAD/ModelEd(模型参数提取)(模型参数提取)OrCAD/Capture 电路原理图生成电路原理图生成OrCAD/StmEd 激励信号波形编辑激励信号波形编辑模型参数库模型参数库PSpice/Optimizer模
17、拟电路优化设计模拟电路优化设计PSpice/Probe信号波形显示分信号波形显示分析析电路模拟电路模拟逻辑模拟逻辑模拟数数/模混合模拟模混合模拟PSpice A/D图图1-1 Pspice A/D 与配套软件与配套软件Pspice的输入基本上是以电路原理图和网单文件两种形式。电路元器件符号库中备有绘电原理图所需的元器件符号,用户从符号图形库中调出所需的电路元器件符号,组成电路图,由原理图编辑器自动将原理图转化为电路网单文件,并标上节点号,提供给仿真工具进行仿真。如果用户熟悉仿真程序的输入语言,又没有将原理图存档的需求也可以直接输入电路网单文件。(1)Schematics 图形编辑程序图形编辑程
18、序1.4 PSpice 程序项组成程序项组成 l PSPICE A/D是是PSPICE软件包中的分析程序软件包中的分析程序l 完成对模拟或数字电路的仿真分析完成对模拟或数字电路的仿真分析l PSPICE AD程序的输入文件是由电路编辑程序程序的输入文件是由电路编辑程序根据输入电路图自动生成以根据输入电路图自动生成以.CIR为后缀的文件,或为后缀的文件,或由用户直接输入的电路描述文件由用户直接输入的电路描述文件l PSPICE AD程序的输出文件是程序的输出文件是.DAT为后缀的数为后缀的数据文件(供据文件(供Probe使用)和使用)和.OUT为后缀的文本文件为后缀的文本文件(可从(可从Sche
19、matics中显示)中显示)(2)PSpice A/D 仿真分析程序仿真分析程序l Probe程序是程序是PSpice软件包中的图形后处理程序软件包中的图形后处理程序l 它可将它可将PSpice A/D程序仿真分析后的结果在屏幕或程序仿真分析后的结果在屏幕或打印设备上以数据形式或以数据相关的图形形式显打印设备上以数据形式或以数据相关的图形形式显示出来示出来l Probe程序的输入文件是电路经程序的输入文件是电路经PSpice A/D程序分程序分析计算后所生成的以析计算后所生成的以.DAT为后缀的数据文件为后缀的数据文件(3)Probe 图形后处理程序图形后处理程序(4)Stimulus Edi
20、tor 信号源编辑程序信号源编辑程序l 编辑编辑PSpice运行过程中瞬态分析需要的脉冲、分段运行过程中瞬态分析需要的脉冲、分段线性、调幅正弦、调频和指数信号等信号波形。线性、调幅正弦、调频和指数信号等信号波形。l 编辑逻辑模拟需要的时钟信号。编辑逻辑模拟需要的时钟信号。l 编辑各种形状脉冲信号以及总线信号波形。编辑各种形状脉冲信号以及总线信号波形。(5)Parts 元器件模型参数提取程序元器件模型参数提取程序l 将来自厂家的器件数据信息或用户自定义的器件数将来自厂家的器件数据信息或用户自定义的器件数据转换为据转换为Pspice中所用的模型参数,并提供它们之中所用的模型参数,并提供它们之间的关
21、系曲线及相互作用,确定元件的精确度。间的关系曲线及相互作用,确定元件的精确度。(6)Optimizer 电路优化程序电路优化程序l 在电路的性能已经基本满足设计功能和指标的基础在电路的性能已经基本满足设计功能和指标的基础上,为了使得电路的某些性能更为理想,在一定的上,为了使得电路的某些性能更为理想,在一定的约束条件下,对电路的某些参数进行调整,直到电约束条件下,对电路的某些参数进行调整,直到电路的性能达到要求为止。路的性能达到要求为止。1.5 PSpice 支持的主要分析功能及特点支持的主要分析功能及特点 包括电路的静态工作点分析、直流小信号传递函包括电路的静态工作点分析、直流小信号传递函数值
22、分析、直流扫描分析与直流小信号灵敏度分析。数值分析、直流扫描分析与直流小信号灵敏度分析。分析结果以文本文件方式输出。分析结果以文本文件方式输出。直流小信号传递函数值是电路在直流小信号下的直流小信号传递函数值是电路在直流小信号下的输出变量与输入变量的比值,输入电阻和输出电阻也输出变量与输入变量的比值,输入电阻和输出电阻也作为直流解析的一部分被计算出来。进行此项分析时作为直流解析的一部分被计算出来。进行此项分析时电路中不能有隔直电容。分析结果以文本方式输出。电路中不能有隔直电容。分析结果以文本方式输出。1.直流分析直流分析 直流扫描分析可作出各种直流转移特性曲线。输直流扫描分析可作出各种直流转移特
23、性曲线。输出变量可以是某节点电压或某节点电流,输入变量可出变量可以是某节点电压或某节点电流,输入变量可以是独立电压源、独立电流源、温度、元器件模型参以是独立电压源、独立电流源、温度、元器件模型参数和通用(数和通用(Global)参数(在电路中用户可以自定义)参数(在电路中用户可以自定义的参数)。的参数)。直流小信号灵敏度分析是分析电路各元器件参数直流小信号灵敏度分析是分析电路各元器件参数变化时,对电路特性的影响程度。灵敏度分析结果以变化时,对电路特性的影响程度。灵敏度分析结果以归一化的灵敏度值和相对灵敏度形式给出,并以文本归一化的灵敏度值和相对灵敏度形式给出,并以文本方式输出方式输出。直流分析
24、直流分析(续)(续)PSpice 主要分析功能和特点主要分析功能和特点 2.交流小信号分析交流小信号分析 包括频率响应分析和噪声分析。根据用户所指定包括频率响应分析和噪声分析。根据用户所指定的频率范围内对电路进行仿真分析。的频率范围内对电路进行仿真分析。频率响应分析能够分析传递函数的幅频响应和相频率响应分析能够分析传递函数的幅频响应和相频响应,亦即,可以得到电压增益、电流增益、互阻频响应,亦即,可以得到电压增益、电流增益、互阻增益、互导增益、输入阻抗、输出阻抗的频率响应。增益、互导增益、输入阻抗、输出阻抗的频率响应。分析结果均以曲线方式输出。分析结果均以曲线方式输出。PSpice用于噪声分析时
25、,可计算出每个频率点上用于噪声分析时,可计算出每个频率点上的输出噪声电平以及等效的输入噪声电平。的输出噪声电平以及等效的输入噪声电平。PSpice 主要分析功能和特点主要分析功能和特点 即时域分析,包括电路对不同信号的瞬态响应,即时域分析,包括电路对不同信号的瞬态响应,时域波形经过快速傅里叶变换(时域波形经过快速傅里叶变换(FFT)后,可得到频)后,可得到频谱图。通过瞬态分析,也可以得到数字电路时序波形。谱图。通过瞬态分析,也可以得到数字电路时序波形。另外,另外,PSPICE可以对电路的输出进行傅里叶分析,可以对电路的输出进行傅里叶分析,得到时域响应的傅里叶分量(直流分量、各次谐波分得到时域响
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