通用電路模擬技術

在最近的15年中，電路模擬軟件的功能逐漸增強，并且更加易于使用。電路模擬器不僅允許電路設計人員在個人計算機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刻的電壓和電流。因此，電路模擬器為評估某個特定的設計概念提供了一種非常簡捷的方法，而不必使用昂貴的測試設備，或者購買零件來裝配電路試驗板。

目前最具有代表性、應用最廣泛的電路模擬軟件是美國加州大學伯克利分校開發(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伯克利分院于20世紀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標準，并且都是使用公共基金開發(fā)的。因此，該軟件對美國公民是免費的。XSPICE是專用于美國空軍的SPICE版本，它包含了特殊的建模子系統(tǒng)。PSPICE是MicroSim公司開發(fā)的一種用于個人計算機的商業(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行在個人計算機上。這些模擬器之間的關鍵競爭性區(qū)別是：

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

（2）可允許的電路復雜性，這通常認為是對元件、連接或電路節(jié)點個數(shù)的限制。

（3）可用的分析類型。

（4）功能的復雜性和易用性。

（5）能夠將原理圖輸出到電路板設計軟件。

這些區(qū)別的重要性取決于個人的觀點。學習電子學的學生可能只對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計程序進行交互。

電路模擬器通過一個計算機模型來模擬所有的電路元件和電子元件。電路設計人員通過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。如果沒有針對于某個特定設備的模型，則必須生成這樣一個模型。所有當前的電路模擬器都允許在計算機屏幕上繪制原理圖，而老式的SPICE模擬器通過指定用于連接各種電路節(jié)點的設備來定義原理圖。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電源以及輸入信號源。屏幕上的電路幾乎與軟件電路試驗板（software bread—board）等價。然后，設計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/電流隨時間變化的圖形，而其他模擬器則允許在電路中連接一個軟件驅動的數(shù)字式電壓表（DVM）或示波器，以顯示與實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，電路試驗板只能實現(xiàn)這兩種分析。然而，電路模擬器的分析速度更快，并且不需要任何實際元件和測試設備。

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，而電路試驗板卻不能提供這一功能。瞬態(tài)分析用于確定某個電路節(jié)點在加電或其他某一起始點之后所發(fā)生的瞬時變化。瞬態(tài)分析功能通常包括嚴格的數(shù)學運算和對邊界條件的定義。實驗室用的電路試驗板難以模擬瞬態(tài)條件，并且通常還需要使用數(shù)字示波器、存儲示波器（storage scope）或其他一些數(shù)據(jù)記錄設備。電路模擬器卻能夠相對容易地完成這一任務，并且允許精確地確定初始條件和分析起始及結束的時間。瞬態(tài)分析功能可以精確地繪制出電壓和電流在指定時間內的變化圖表。

電路模擬傅里葉分析

傅里葉級數(shù)分析是另一種關鍵的電路模擬工具。傅里葉理論認為非正弦周期函數(shù)都可以用一個DC元件描述為一些正弦和余弦函數(shù)。通過進行這種類型的分析，就可以確定構成任何電路節(jié)點中復雜波形的正弦和余弦元件。這些信息使電路設計人員能夠了解信號中的諧波頻率（harmonic frequency）及其相對振幅。這樣，就可以幫助設計人員濾除不必要的信號，因為電路設計人員可以確定信號的頻率和可能的信號源。此外，許多電路模擬器還可以使用傅里葉分析功能來計算總諧波失真度（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生的各種噪聲類型：熱噪聲、散粒噪聲（shot noise）和閃變噪聲（flicker noise）。熱噪聲是由溫度及其對導體中電子和離子的感應影響造成的。散粒噪聲是由電子在半導體中流動時的離散特性（可以有一個或兩個電子流過電路，但不能有1.5個電子流過電路）造成的，并且是晶體管噪聲的主要成因。閃變噪聲是BJT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，將會計算和記錄某個特定節(jié)點產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備不能正確地復制輸人波形時，就會出現(xiàn)失真現(xiàn)象。電路的非線性增益或相對相位發(fā)生變化是產生失真的原因。由非線性增益產生的失真稱為諧波失真，而由相位變化產生的失真稱為互調失真。通過繪制出某個電路節(jié)點的頻率變化情況，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確性的重要因素。許多電路模擬器都提供一個DC掃描分析功能，在一個或兩個DC電源值發(fā)生變化時，該功能將對所選擇的電壓或電流進行分析。在選擇進行這種分析時，電路設計人員需要指定發(fā)生變化的DC電源和進行分析的電路節(jié)點，以及電源的起始值、結束值和增大步長。分析結果將指出DC電源變化對特定節(jié)點的電壓/電流的影響。

電路模擬靈敏度分析

靈敏度分析用于確定對電路準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（一次只改變一個元件的值），以確定究竟是哪一個元件會對電路的臨界電壓值產生最大的影響。另一方面，AC靈敏度分析只會改變一個元件的值，并分析該值的變化對電路的影響。

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元件會對電路準確性造成最大的影響。參數(shù)掃描分析將為元件的參數(shù)值提供一個變化范圍，并按照用戶所指定的步長增加。半導體元什擁有一些可以變化的參數(shù)值，相比之下，無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計過程的早期確定環(huán)境溫度靈敏度。在該分析過程中，將記錄不同環(huán)境溫度下所選節(jié)點的電路操作。所有元件的參數(shù)值將隨溫度變化而變化，并在圖中標出參數(shù)值對電路功能的影響。

電路模擬轉換功能分析

轉換功能精確地描述電路輸出功能模塊對輸入信號執(zhí)行的操作。電路模擬器可以分析和確定某個電路的轉換功能。為此，將電路的輸入和輸出指定給轉換功能分析特征，然后分析和確定轉換功能、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計工具。在設計過程中，通常需要知道某個電路節(jié)點的最大和最小電壓。最壞情況分析通過對每個元件進行靈敏度分析，就能夠從該分析中找到最大值和最小值。該信息對確定準確性規(guī)范和選擇元件誤差是非常重要的。

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

一般來說，直流工作點是一個靜態(tài)的工作點。所謂靜態(tài)就是沒有變化，即出di/dt，du/dt均為零，亦即是一個平衡點?？梢酝浦?，在平衡點工作狀態(tài)下，所有的電感、電容都不存在充放電，且所有電源都穩(wěn)定在一個定值上。因此，在進行直流工作點計算時，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初始值，如無須特別安排程序將零點值取為初始值；

（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，一個重要的問題是電路的頻率響應如何，或者說電路的傳遞函數(shù)是什么。交流分析就是為解答這個問題而設的。交流分析對電路進行小信號頻域分析，其激勵信號為頻域正弦信號，因而可以使用相位法進行計算。在相位法中，電感、電容都是復數(shù)，電流、電壓也是復數(shù)，整個運算都在復數(shù)域進行。

在進行交流分析前，直流分析必須完成，以確定交流分析的基點。在進行交流分析時，電路中所有的非線性元件即在這個直流工作點上進行線性化。需知，因為線性化，所有非線性引起的畸變及限幅均未計入模擬，同時所有的時變效應亦未計入模擬。而響應是對正弦激勵而言的，整個電路的頻率是統(tǒng)一掃描的。

當電路進行交流分析時，程序自動將電路中的電感、電容用復數(shù)輸入，這不需要用戶考慮。用戶需要考慮兩個方面的問題：一是激勵源在何處；二是頻率掃描的范圍和輸出的格式。

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

交流分析的運算成功率頗高。因為非線性元件都是在同一直流工作點線性化的，沒有新的收斂性問題。電感、電容只是隨頻率改變，亦無收斂性的問題。相位法的運算，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行的不同時刻下的行為，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、干擾、噪聲、啟動、故障、過渡過程等暫態(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瞬時求解非線性系統(tǒng)，因而每一步都需進行線性化和數(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分析中已經(jīng)指出，直流工作點分析為暫態(tài)分析提供一個初始狀態(tài)。從圖1可見，暫態(tài)分析開始之前就要進行直流工作點分析，其結果作為暫態(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出發(fā)，如考慮時間零點時電容已充電、電感已儲能等，就要人為地設定初始條件，此時使用“．IC”指令。

數(shù)值積分的方法很多，各有其優(yōu)缺點和適用范圍。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。