電路模擬

在最近的15年中，電路模擬軟件的功能逐漸增強(qiáng)，并且更加易于使用。電路模擬器不僅允許電路設(shè)計(jì)人員在個(gè)人計(jì)算機(jī)上繪制電路原理圖和模擬電路操作，而且還允許研究分析電路中任何時(shí)刻的電壓和電流。因此，電路模擬器為評(píng)估某個(gè)特定的設(shè)計(jì)概念提供了一種非常簡(jiǎn)捷的方法，而不必使用昂貴的測(cè)試設(shè)備，或者購(gòu)買零件來(lái)裝配電路試驗(yàn)板。

目前最具有代表性、應(yīng)用最廣泛的電路模擬軟件是美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)的SPICE（Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis）軟件。SPICE2是第一種得到廣泛認(rèn)可 的電路模擬器，作為原有SPICE程序的修改版本，它是由加利福尼亞大學(xué)伯克利分院于20世紀(jì)70年代中期開發(fā)的。SPICE、SPICE2和伯克利分院的最新版本SPICE3F5（通常稱為BSPICE）都是仿真模擬電路的公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)，并且都是使用公共基金開發(fā)的。因此，該軟件對(duì)美國(guó)公民是免費(fèi)的。XSPICE是專用于美國(guó)空軍的SPICE版本，它包含了特殊的建模子系統(tǒng)。PSPICE是MicroSim公司開發(fā)的一種用于個(gè)人計(jì)算機(jī)的商業(yè)版本。在PSPICE后面推出的Electronics Workbench和許多其他商業(yè)電路模擬軟件都可以運(yùn)行在個(gè)人計(jì)算機(jī)上。這些模擬器之間的關(guān)鍵競(jìng)爭(zhēng)性區(qū)別是：

（1）可用的設(shè)備模型數(shù)量，換句話說(shuō)，電子設(shè)備有多少個(gè)可用的電路仿真模型"para" label-module="para">

（2）可允許的電路復(fù)雜性，這通常認(rèn)為是對(duì)元件、連接或電路節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的限制。

（3）可用的分析類型。

（4）功能的復(fù)雜性和易用性。

（5）能夠?qū)⒃韴D輸出到電路板設(shè)計(jì)軟件。

這些區(qū)別的重要性取決于個(gè)人的觀點(diǎn)。學(xué)習(xí)電子學(xué)的學(xué)生可能只對(duì)基本分析功能感興趣，而電子行業(yè)要求電路模擬軟件不僅具有眾多的功能，而且還能夠直接與電路板設(shè)計(jì)程序進(jìn)行交互。

電路模擬器通過(guò)一個(gè)計(jì)算機(jī)模型來(lái)模擬所有的電路元件和電子元件。電路設(shè)計(jì)人員通過(guò)使用可用的元件模型，并指定其參數(shù)值，繪制出要分析的電路原理圖。如果沒(méi)有針對(duì)于某個(gè)特定設(shè)備的模型，則必須生成這樣一個(gè)模型。所有當(dāng)前的電路模擬器都允許在計(jì)算機(jī)屏幕上繪制原理圖，而老式的SPICE模擬器通過(guò)指定用于連接各種電路節(jié)點(diǎn)的設(shè)備來(lái)定義原理圖。原理圖必須完整，并且必須包含所有的電源和地線連接。此外，還要提供較大范圍的DC電源和AC電源以及輸入信號(hào)源。屏幕上的電路幾乎與軟件電路試驗(yàn)板（software bread—board）等價(jià)。然后，設(shè)計(jì)人員選擇所要分析的電壓和電流。有些模擬器只是繪制出電壓/電流隨時(shí)間變化的圖形，而其他模擬器則允許在電路中連接一個(gè)軟件驅(qū)動(dòng)的數(shù)字式電壓表（DVM）或示波器，以顯示與實(shí)際示波器相同的波形。迄今所描述的電路模擬可以分為基本DC電路分析和（或）AC電路分析。注意，電路試驗(yàn)板只能實(shí)現(xiàn)這兩種分析。然而，電路模擬器的分析速度更快，并且不需要任何實(shí)際元件和測(cè)試設(shè)備。

SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis，以集成電路為重點(diǎn)的模擬程序）模擬器最初于20世紀(jì)70年代在伯克利開發(fā)完成[Nagel75]，能夠求解描述晶體管、電阻、電容以及電壓源等分量的非線性微分方程。SPICE模擬器提供了許多對(duì)電路進(jìn)行分析的方法，但是數(shù)字VLSI電路設(shè)計(jì)者的主要興趣卻只集中在直流分析（DC analysis）和瞬態(tài)分析（transient analysis）兩種方法上，這兩種分析方法能夠在輸入固定或者實(shí)時(shí)變化的情況下對(duì)結(jié)點(diǎn)的電壓進(jìn)行預(yù)測(cè)。SPICE程序最初是使用FORTRAN語(yǔ)言編寫的，所以SPICE具有其自身的一些相關(guān)特點(diǎn)，尤其是在文件格式方面與FORTRAN有很多相似之處?，F(xiàn)在，大多數(shù)平臺(tái)都可以得到免費(fèi)的SPICE版本，但是，往往只有商業(yè)版本的SPICE才具有更強(qiáng)的數(shù)值收斂性。尤其是HSPICE，其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，就是因?yàn)槠渚哂泻芎玫氖諗啃?，能夠支持最新的器件以及互連模型，同時(shí)還提供了大量的增強(qiáng)功能來(lái)評(píng)估和優(yōu)化電路。PSPICE也是一個(gè)商業(yè)版本，但是其有面向?qū)W生的限制性免費(fèi)版本。

雖然各種SPICE模擬器的細(xì)節(jié)隨著版本和操作平臺(tái)的不同而各不相同，但是所有版本的SPICE都是這樣工作的：讀入一個(gè)輸入文件，生成一個(gè)包括模擬結(jié)果、警告信息和錯(cuò)誤信息的列表文件。因?yàn)橐郧拜斎胛募?jīng)是以打孔卡片盒的方式提供給主機(jī)的，所以人們常常稱輸入文件為SPICE“卡片盒（deck）”，輸入文件中的每一行都是一張“卡片”。輸入文件包含一個(gè)由各種組件和結(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)表。當(dāng)然，輸入文件也包含了一些模擬選項(xiàng)，分析指令以及器件模型。網(wǎng)表可以通過(guò)手工的方式輸入，也可以從電路圖或者CAD工具的版圖（layout）中提取。

一個(gè)好的SPICE“卡片盒”就好像是一段好的軟件代碼，必須具有良好的可讀性、可維護(hù)性以及可重用性。適當(dāng)?shù)夭迦胍恍┳⑨尯涂瞻组g隔有助于提高“卡片盒”的可讀性。一般情況下，書寫SPICE“卡片盒”的最好方法就是：先找一個(gè)功能完備、正確的“卡片盒”范例，然后在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行修改。

在邏輯設(shè)計(jì)完成以后，需要進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。電路設(shè)計(jì)的任務(wù)是根據(jù)所要求的電路性能，例如速度、功耗、電源電壓、邏輯操作類型和信號(hào)電平的容限等確定電路的結(jié)構(gòu)和各元器件的參數(shù)；同時(shí)應(yīng)考慮工藝上可能發(fā)生的偏差與使用溫度上的變化等，使得所設(shè)計(jì)的電路仍能達(dá)到規(guī)定的性能。到目前為止，除了少數(shù)特殊類型的電路外，還沒(méi)有自動(dòng)電路設(shè)計(jì)軟件。在實(shí)際中，一般是設(shè)計(jì)者根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，提出電路框圖，進(jìn)行電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和元器件參數(shù)的初步確定，然后利用電路模擬程序?qū)υ撾娐愤M(jìn)行模擬分析，再根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行修改，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)，最后得到符合要求的電路。

傳統(tǒng)的驗(yàn)證方法是采用“實(shí)驗(yàn)裝置”法，即根據(jù)電路搭成實(shí)驗(yàn)板，使用儀器儀表做實(shí)地測(cè)試以檢驗(yàn)該電路是否符合要求。電路模擬，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是根據(jù)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和元器件參數(shù)將需要分析的電路問(wèn)題轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方程并求解，根據(jù)計(jì)算結(jié)果檢驗(yàn)電路設(shè)計(jì)的正確性。與傳統(tǒng)的電路驗(yàn)證方法相比，采用EDA方法進(jìn)行電路分析驗(yàn)證不需要實(shí)際的元器件，而且還可以進(jìn)行各種條件的模擬甚至破壞性模擬實(shí)驗(yàn)，在大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)中有顯著的優(yōu)勢(shì)。

電路模擬的精確度不僅與元器件模型本身有關(guān)，還與給定的元器件模型參數(shù)的正確性有密切關(guān)系。為此在電路設(shè)計(jì)之前，需要從所選擇的工藝方案中得到某些模型參數(shù)值（如薄層電阻值、氧化層厚度、單位面積結(jié)電容等），或者對(duì)同一類工藝的實(shí)際電路進(jìn)行測(cè)量，從測(cè)量值中推算出這些模型參數(shù)值。

另外，電路模擬除了在版圖設(shè)計(jì)前用于電路設(shè)計(jì)的驗(yàn)證之外，也可以用于版圖設(shè)計(jì)后的“后仿真”，在考慮引入寄生參量的情況下保證電路性能依然符合要求。

從電路分析的角度看。最主要的有以下三種分析法。

（1）直流分析（DC analysis）；

（2）交流分析（頻域分析，AC analysis）；

（3）暫態(tài)分析（時(shí)域分析，Transient analysis）；

其他的分析法都是基于這三種模擬分析方法建立的。

電路模擬直流分析

求解電路直流工作點(diǎn)的運(yùn)算叫做直流分析。在信號(hào)放大電路中，直流工作點(diǎn)為大家所熟知。那就是電路帶電而信號(hào)為零時(shí)的工作狀態(tài)。此時(shí)電路各點(diǎn)的電流、電壓就稱為電路的直流工作點(diǎn)。其他電路并不一定實(shí)際存在這樣意義的工作點(diǎn)?？梢哉J(rèn)為，模擬仿真中的直流工作點(diǎn)的概念是信號(hào)放大電路的直流工作點(diǎn)的延伸。在電路模擬仿真領(lǐng)域中，這樣一個(gè)工作點(diǎn)為各種電路的分析提供了一個(gè)平臺(tái)。在進(jìn)行交流分析或暫態(tài)分析之前，都要進(jìn)行直流分析計(jì)算，以確定非線性元件線性化的基點(diǎn)。因此，成功的直流分析是電路模擬仿真成功的關(guān)鍵。

一般來(lái)說(shuō)，直流工作點(diǎn)是一個(gè)靜態(tài)的工作點(diǎn)。所謂靜態(tài)就是沒(méi)有變化，即出di/dt，du/dt均為零，亦即是一個(gè)平衡點(diǎn)?？梢酝浦?，在平衡點(diǎn)工作狀態(tài)下，所有的電感、電容都不存在充放電，且所有電源都穩(wěn)定在一個(gè)定值上。因此，在進(jìn)行直流工作點(diǎn)計(jì)算時(shí)，電路作下列處理：

（1）所有電源都取定值。用戶可以按自己的需要決定一個(gè)初始值，如無(wú)須特別安排程序?qū)⒘泓c(diǎn)值取為初始值；

（2）所有的電容開路；

（3）所有的電感短路。

電路模擬交流分析

在電路分析中，一個(gè)重要的問(wèn)題是電路的頻率響應(yīng)如何，或者說(shuō)電路的傳遞函數(shù)是什么。交流分析就是為解答這個(gè)問(wèn)題而設(shè)的。交流分析對(duì)電路進(jìn)行小信號(hào)頻域分析，其激勵(lì)信號(hào)為頻域正弦信號(hào)，因而可以使用相位法進(jìn)行計(jì)算。在相位法中，電感、電容都是復(fù)數(shù)，電流、電壓也是復(fù)數(shù)，整個(gè)運(yùn)算都在復(fù)數(shù)域進(jìn)行。

在進(jìn)行交流分析前，直流分析必須完成，以確定交流分析的基點(diǎn)。在進(jìn)行交流分析時(shí)，電路中所有的非線性元件即在這個(gè)直流工作點(diǎn)上進(jìn)行線性化。需知，因?yàn)榫€性化，所有非線性引起的畸變及限幅均未計(jì)入模擬，同時(shí)所有的時(shí)變效應(yīng)亦未計(jì)入模擬。而響應(yīng)是對(duì)正弦激勵(lì)而言的，整個(gè)電路的頻率是統(tǒng)一掃描的。

當(dāng)電路進(jìn)行交流分析時(shí)，程序自動(dòng)將電路中的電感、電容用復(fù)數(shù)輸入，這不需要用戶考慮。用戶需要考慮兩個(gè)方面的問(wèn)題：一是激勵(lì)源在何處；二是頻率掃描的范圍和輸出的格式。

激勵(lì)源的位置就是用戶考慮為輸入的地方。激勵(lì)源可以有多個(gè)，但在計(jì)算中都是統(tǒng)一掃描的，不可能進(jìn)行混頻。在進(jìn)行交流掃描時(shí)，除了直流電源之外，所有電路中其他的時(shí)域電源都不激活。因此，在建立仿真電路時(shí)，頻域交流激勵(lì)源可以附設(shè)在其他電源上，一般采用單位幅值、相角為零的激勵(lì)源。這樣，在輸出端計(jì)算所得的響應(yīng)就是增益了。

交流分析的運(yùn)算成功率頗高。因?yàn)榉蔷€性元件都是在同一直流工作點(diǎn)線性化的，沒(méi)有新的收斂性問(wèn)題。電感、電容只是隨頻率改變，亦無(wú)收斂性的問(wèn)題。相位法的運(yùn)算，精度也頗高。因此交流分析的收斂性取決于此前的直流分析，其結(jié)果的正確性和精確度取決于元件模型的正確性和精確度。

交流分析的輸出量都是復(fù)數(shù)。在曲線圖輸出中，EESIM已作了后續(xù)處理，化為模和相角輸出。交流掃描的范圍就是用戶想要觀察的頻率范圍，輸出的格式也是隨用戶需要而定。EESIM配備了線性、對(duì)數(shù)及分貝格式輸出。交流分析的輸出就是電路的波特圖，很方便地用于觀察電路的增益、傳遞函數(shù)、輸入及輸出阻抗，以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

電路模擬暫態(tài)分析

暫態(tài)分析用于求解電路在運(yùn)行的不同時(shí)刻下的行為，由此可以觀察電路中的電流、電壓等電氣量的波形，也就能觀察電路中的波動(dòng)、干擾、噪聲、啟動(dòng)、故障、過(guò)渡過(guò)程等暫態(tài)現(xiàn)象。它是電路模擬仿真的重要手段。

非線性系統(tǒng)含非線性元件。暫態(tài)分析就是要在每一個(gè)瞬時(shí)求解非線性系統(tǒng)，因而每一步都需進(jìn)行線性化和數(shù)值積分。電路暫態(tài)分析的程序流程如圖1所示。

在前面的直流工作點(diǎn)分析中已經(jīng)指出，直流工作點(diǎn)分析為暫態(tài)分析提供一個(gè)初始狀態(tài)。從圖1可見，暫態(tài)分析開始之前就要進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析，其結(jié)果作為暫態(tài)分析的初始條件。在某些情況下，暫態(tài)并不是從其直流工作點(diǎn)出發(fā)，如考慮時(shí)間零點(diǎn)時(shí)電容已充電、電感已儲(chǔ)能等，就要人為地設(shè)定初始條件，此時(shí)使用“．IC”指令。

數(shù)值積分的方法很多，各有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。在電路模擬仿真中主要使用的有下列幾種：

（1）向前歐拉法；

（2）向后歐拉法；

（3）梯形法；

（4）基爾法。

電路模擬瞬態(tài)分析

瞬態(tài)分析是電路模擬器提供的一種重要功能，而電路試驗(yàn)板卻不能提供這一功能。瞬態(tài)分析用于確定某個(gè)電路節(jié)點(diǎn)在加電或其他某一起始點(diǎn)之后所發(fā)生的瞬時(shí)變化。瞬態(tài)分析功能通常包括嚴(yán)格的數(shù)學(xué)運(yùn)算和對(duì)邊界條件的定義。實(shí)驗(yàn)室用的電路試驗(yàn)板難以模擬瞬態(tài)條件，并且通常還需要使用數(shù)字示波器、存儲(chǔ)示波器（storage scope）或其他一些數(shù)據(jù)記錄設(shè)備。電路模擬器卻能夠相對(duì)容易地完成這一任務(wù)，并且允許精確地確定初始條件和分析起始及結(jié)束的時(shí)間。瞬態(tài)分析功能可以精確地繪制出電壓和電流在指定時(shí)間內(nèi)的變化圖表。

電路模擬傅里葉分析

傅里葉級(jí)數(shù)分析是另一種關(guān)鍵的電路模擬工具。傅里葉理論認(rèn)為非正弦周期函數(shù)都可以用一個(gè)DC元件描述為一些正弦和余弦函數(shù)。通過(guò)進(jìn)行這種類型的分析，就可以確定構(gòu)成任何電路節(jié)點(diǎn)中復(fù)雜波形的正弦和余弦元件。這些信息使電路設(shè)計(jì)人員能夠了解信號(hào)中的諧波頻率（harmonic frequency）及其相對(duì)振幅。這樣，就可以幫助設(shè)計(jì)人員濾除不必要的信號(hào)，因?yàn)殡娐吩O(shè)計(jì)人員可以確定信號(hào)的頻率和可能的信號(hào)源。此外，許多電路模擬器還可以使用傅里葉分析功能來(lái)計(jì)算總諧波失真度（total harmonic distortion，THD）。

電路模擬噪聲分析

電路模擬器還可以模擬元件產(chǎn)生的各種噪聲類型：熱噪聲、散粒噪聲（shot noise）和閃變?cè)肼暎╢licker noise）。熱噪聲是由溫度及其對(duì)導(dǎo)體中電子和離子的感應(yīng)影響造成的。散粒噪聲是由電子在半導(dǎo)體中流動(dòng)時(shí)的離散特性（可以有一個(gè)或兩個(gè)電子流過(guò)電路，但不能有1.5個(gè)電子流過(guò)電路）造成的，并且是晶體管噪聲的主要成因。閃變?cè)肼暿荁JT和FET中的低頻噪聲。在使用電路模擬器中的噪聲分析功能時(shí)，將會(huì)計(jì)算和記錄某個(gè)特定節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的這三種噪聲的總值。

電路模擬失真分析

在諸如放大器這樣的電子設(shè)備不能正確地復(fù)制輸人波形時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)失真現(xiàn)象。電路的非線性增益或相對(duì)相位發(fā)生變化是產(chǎn)生失真的原因。由非線性增益產(chǎn)生的失真稱為諧波失真，而由相位變化產(chǎn)生的失真稱為互調(diào)失真。通過(guò)繪制出某個(gè)電路節(jié)點(diǎn)的頻率變化情況，就可以確定該電路的這兩種類型失真。

電路模擬DC掃描分析

DC電源值的變化是影響電路準(zhǔn)確性的重要因素。許多電路模擬器都提供一個(gè)DC掃描分析功能，在一個(gè)或兩個(gè)DC電源值發(fā)生變化時(shí)，該功能將對(duì)所選擇的電壓或電流進(jìn)行分析。在選擇進(jìn)行這種分析時(shí)，電路設(shè)計(jì)人員需要指定發(fā)生變化的DC電源和進(jìn)行分析的電路節(jié)點(diǎn)，以及電源的起始值、結(jié)束值和增大步長(zhǎng)。分析結(jié)果將指出DC電源變化對(duì)特定節(jié)點(diǎn)的電壓/電流的影響。

電路模擬靈敏度分析

靈敏度分析用于確定對(duì)電路準(zhǔn)確性影響最大的元件變化。DC靈敏度分析將變化所有元件的值（一次只改變一個(gè)元件的值），以確定究竟是哪一個(gè)元件會(huì)對(duì)電路的臨界電壓值產(chǎn)生最大的影響。另一方面，AC靈敏度分析只會(huì)改變一個(gè)元件的值，并分析該值的變化對(duì)電路的影響。

電路模擬參數(shù)掃描分析

剛才討論的靈敏度分析用于確定哪一個(gè)元件會(huì)對(duì)電路準(zhǔn)確性造成最大的影響。參數(shù)掃描分析將為元件的參數(shù)值提供一個(gè)變化范圍，并按照用戶所指定的步長(zhǎng)增加。半導(dǎo)體元什擁有一些可以變化的參數(shù)值，相比之下，無(wú)源元件只有較少的可變參數(shù)。

電路模擬溫度掃描分析

溫度掃描分析能夠在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期確定環(huán)境溫度靈敏度。在該分析過(guò)程中，將記錄不同環(huán)境溫度下所選節(jié)點(diǎn)的電路操作。所有元件的參數(shù)值將隨溫度變化而變化，并在圖中標(biāo)出參數(shù)值對(duì)電路功能的影響。

電路模擬轉(zhuǎn)換功能分析

轉(zhuǎn)換功能精確地描述電路輸出功能模塊對(duì)輸入信號(hào)執(zhí)行的操作。電路模擬器可以分析和確定某個(gè)電路的轉(zhuǎn)換功能。為此，將電路的輸入和輸出指定給轉(zhuǎn)換功能分析特征，然后分析和確定轉(zhuǎn)換功能、電路的輸入阻抗和輸出阻抗。

電路模擬最壞情況分析

最壞情況分析是一種非常有用的設(shè)計(jì)工具。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常需要知道某個(gè)電路節(jié)點(diǎn)的最大和最小電壓。最壞情況分析通過(guò)對(duì)每個(gè)元件進(jìn)行靈敏度分析，就能夠從該分析中找到最大值和最小值。該信息對(duì)確定準(zhǔn)確性規(guī)范和選擇元件誤差是非常重要的。

應(yīng)用介紹

電路模擬器，你是否為初中物理的電路而煩惱，用了這款軟件你就可以，隨時(shí)隨地的理解電路，你還在等什么快來(lái)下載吧。