《集成电子技术教程》(校订稿)附录 PSPICE简介.doc

附录B 二种常用的电子电路分析、设计软件B.1 计算机辅助分析软件PSPICE简介一、 PSPICE功能和特点PSPICE作为一种广为流行的电子电路计算机辅助分析与设计软件包，是运行在微机上的SPICE“家族”中的一员。通用电路仿真程序SPICE（Simulation Program with IC Emphasis）最初是由美国加州大学伯克利（Berkeley）分校电工和计算机科学系开发的，主要用于模拟电路的电路分析和辅助设计。自1972年问世以后，版本不断更新，1988年SPICE被美国定为国家工业标准。PSPICE是由美国MicroSim公司开发并于1984年1月首次推出，随着版本不断升级，其功能和性能日趋完善，库资源也更加丰富，可用于模拟电路、数字电路和模数混合电路等的分析、设计和仿真。因而在广大工程技术人员中得到了广泛的应用。PSPICE软件有DOS版与Windows版之分。PSPICE5.0及以前的版本都为DOS版，它们可在DOS操作系统下运行；而PSPICE 5.1及以后的各种版本均为Windows版，它们必须运行在Windows操作系统下。PSPICE软件又有工业版(Production Version)和教学版(Evaluation Version)之分，本书以PSPICE8.0教学版为例，说明PSPICE软件的功能和特点。PSPICE8.0版是一个电路仿真分析设计的集成环境，其中用于电路仿真的程序项主要有： 图形编辑程序SchematicsSchematics是PSPICE软件包的主程序项。在它的菜单中可以调用其它程序项，电路仿真分析的全过程均可通过此项完成。在Schematics程序中，用户可根据需要创建或编辑电路原理图，设置仿真分析方式和参数，然后运行仿真分析，仿真结束后，即可调用Probe程序在屏幕上显示图形，同时也输出数据文件供查阅。 仿真分析程序PSPICE A/DPSPICE A/D是PSPICE软件包中的分析程序，完成对模拟或数字电路的仿真分析。PSPICE AD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.CIR为后缀的文件，或由用户直接输入的电路描述文件。 图形后处理程序ProbeProbe程序是PSPICE软件包中的图形后处理程序，它可将PSPICE A/D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示出来。Probe程序的输入文件是电路经PSPICE A/D程序分析计算后所生成的以.DAT为后缀的数据文件。 信号源编辑程序Stimulus EditorStimulus Editor程序项可用于建立与修改电子电路中的独立信号源（模拟信号源和数字信号源）。 元器件模型参数提取程序PartsParts程序项可用来建立有源器件的PSPICE模型及集成电路的PSPICE宏模型，其主要功能是利用厂家提供的有源器件和集成电路的电气特性参数计算并确定相应的PSPICE模型参数。 窗口版PSPICE软件增加了许多库文件。这样，用户可利用的库资源更加丰富，分析电子电路与系统的范围也大大扩展。另外，为适应图形输入，还专门建有各种元器件的图形符号库，这些库文件以后缀.SLB为扩展名，以区别以后缀.LIB为扩展名的元件库。PSPICE软件包提供了强大的电路分析功能。应用PSPICE软件可对各种线性、非线性电子电路和集成电路等进行各种仿真分析，被分析电路可以包含R、C、L、传输线、独立源、四种线性和非线性受控源、五种最常用的半导体器件。PSPICE8.0提供的主要仿真分析功能主要有以下几个方面：1. 直流分析直流分析是瞬态分析和交流小信号分析的基础，通常用直流分析来决定瞬态分析的初始条件和交流小信号分析时电路中非线性元件的小信号模型参数。它主要有以下几个内容：计算电路的直流工作点，即在电路中L短路，C开路的情况下，求得电路每一个节点电压和支路电流。计算电路的直流小信号传输函数，即计算在直流小信号工作条件下的输出变量与输入变量之比值。计算直流转移特性曲线，即在用户指定范围内，计算电路输出变量与指定输入源步进变化之间的关系曲线。2. 交流小信号分析交流小信号分析是在正弦小信号工作条件下的一种频率分析。它主要有以下几个内容：频率分析，即计算电路的幅频特性和相频特性。失真分析，是假设输入端加有一个（或两个）信号频率时，在输出负载上计算出的三次以下的小信号谐波失真功率。噪声分析，即计算每个频率点上指定输出端的等效噪声和指定输入端的等效噪声电平。3. 瞬态分析瞬态分析是一种非线性的时域分析方法。在用户指定的时间区域内，进行电路的瞬态响应分析。对于数字电路，通过瞬态分析可得到电路的时序波形。在大信号正弦激励情况下，对输出波形进行傅里叶分析，计算基波和2至9次谐波系数及失真系数。4. 灵敏度分析灵敏度分析是计算电路指定的输出变量对电路元件参数的小信号灵敏度值。又可分为直流灵敏度分析和交流小信号灵敏度分析。直流灵敏度分析，是指电路直流分析时，计算出指定的输出变量对电路中所有的元件参数和晶体管的所有模型参数单独变化时的灵敏度值，包括绝对灵敏度和相对灵敏度。交流小信号灵敏度分析，是在指定的频率范围内，每个频率点上计算电路输出变量对电路全部元件参数的灵敏度值。5. 温度特性分析PSPICE通常是在27情况下进行各种分析和仿真的，如果用户指定电路的工作温度，则可以进行不同温度下的电路特性分析。6. 蒙特卡罗分析和最坏情况分析二者都属于统计分析。蒙特卡罗（Monte Carlo）分析是分析电路元器件参数在它们各自的容差范围内，以某种统计分布规律随机变化时，电路特性的变化情况。最坏情况（Worst Case）分析则是使电路元器件参数同时按容差范围内的最大变化量改变时，得到电路在最坏情况下的特性。二PSPICE使用简介使用PSPICE软件对电路进行仿真分析的一般步骤是：(1) 通过电路图编辑程序（Schematic程序）输入编辑电路图，包括放置元件、设置元件属性及电路连线；(2) 在电路图编辑程序中设置电路的分析方式和参数；(3) 运行电路仿真分析程序，包括进行电路规则检查（Electronical Rule Check，ERC）、建立电路网表（Netlist）、执行仿真分析；(4) 运行图形后处理程序（Probe程序）查看输出图形或查看电路输出文件。若有必要，还可通过信号源编辑程序（Stimulus Editor程序）编辑信号源，及通过元件模型参数提取程序（Parts程序）建立元件模型，或通过元件图形编辑程序（Symbol Editor程序）修改元件图形。使用PSPICE软件总是从输入电路图开始，在Windows操作系统开始菜单上，点击程序组DesignLab Eval8中的Schamatics程序项，则可启动Schematics程序，如图B.1.1所示。图B.1.1 Schematics程序起始画面在Schamatics程序中可以输入编辑电路图，电路图一般由两个要素组成：一个是元件，另一个是线路。通过点击电路图编辑程序的Draw菜单或Edit菜单，可以方便地输入、修改或编辑电路图。（1）放置元件从Draw菜单中选择Get New Part命令，在弹出的元件浏览器中输入或选择所需的元件名，如R、Q2N3904等，单击放置(Place)按钮，屏幕上即出现所选元件的图形，该图形随鼠标的移动而移动。移动光标将元件移到绘图工作区的适当位置，按鼠标左键即可将该元件放在绘图工作区上；按鼠标右键则可结束放置元件。（2）连接线路元件在电路图上放好了之后，就可连接元件引脚之间的线路。从Draw菜单中选择Wire命令后，光标变成一支铅笔的形状，表示当前处于画导线状态。移动铅笔至需要画线处，按鼠标左键作为线段起点，然后移动光标，在屏幕上会出现一条虚线，再按鼠标左键，则虚线变成实线，该线段已连好。继续移动鼠标，可画下一条线段。若需结束线段，可单击鼠标右键或双击鼠标左键结束画导线状态，这里光标从铅笔状变回到箭头形状。在连接元件之间的导线时要注意正确相连，避免元件引脚悬空、虚焊或短路。（3）设置属性在电路图上放置了元件后，还要设置元件的相关属性值。先选中元件，然后执行Edit菜单中的Attributes命令，屏幕显示该元件的属性对话框，在属性对话框中，可以设置或修改元件的属性参数。（4）设置分析方式对电路图进行仿真分析，应先设置电路的分析方式及相关参数。从Analysis菜单中选择Setup命令，程序出现分析设置对话框，在对话框中，按各种分析的按钮可设置对应分析的具体参数，只有当Enabled列中的复选框中有时，才按所设置的参数对电路进行该种分析。否则，不对电路进行这种分析，该分析中所设置的参数不起作用。（5）运行仿真分析从Schematics电路图编辑程序的Analysis菜单中选择Simulate命令，PSPICE软件按照所设置的分析要求，对当前电路图进行仿真分析。（6）查看分析结果PSPICE软件对电路进行仿真分析后，在缺省设置下，自动调用Probe程序对仿真分析生成的数据进行处理。在Probe程序中可以完成选择数据类型、显示图形曲线、改变坐标显示等功能。三、 PSPICE中的半导体元器件模型（1）常用无源元件常用无源元件包括电阻、电容、电感、磁芯、传输线和控制开关，在符号库中分别用R、C、L、K、T和N来表示。（2）半导体器件半导体器件包括二极管、双极型晶体管、结型场效应管、MOS场效应管和砷化镓场效应管。由于这些半导体器件的特征方程通常是非线性的，因此在PSPICE中用不同的模型来描述这些器件，并且不同的分析功能所采用的模型也是不同的，一般有直流模型、交流小信号模型、瞬态模型、噪声模型和温度模型等。在模型库中，通常以关键字开头，后接若干字母或数字来命名，如Q2N3904表示一种NPN型晶体管。74系列的数字集成电路芯片以它们的型号作为元器件名称。（3）信号源及电源任何电路描述中，信号源及电源总是必不可少的。实际上，电源可以看作是一种特殊的信号源。在PSPICE中，信号源分为独立信号源和受控信号源两种，独立信号源有独立电压源和独立电流源两种；受控信号源分为4类：电压控制电流源（VCCS）、电压控制电压源（VCVS）、电流控制电流源（CCCS）和电流控制电压源（CCVS），它们既可以是线性的，也可以是非线性的。独立信号源又分为直流源、交流小信号源和瞬态源，分别用于直流分析、交流小信号分析和瞬态分析。瞬态源有脉冲、正弦、指数、分段线性和单频调频五种形式。直流源、交流小信号源和瞬态源可以组合在一起使用，如正弦瞬态电压源（VSIN）元件包含了直流电压源、交流电压源和正弦瞬态电压源。VSIN元件中的DC属性用于设置直流电压源，AC属性用于设置交流电压源，VOFF、VAMPL、FREQ等属性用于设置瞬态电压源。四、PSPICE中的有关规定在PSPICE的编辑框中输入参数值或表达式时，应符合PSPICE软件的有关规定。PSPICE规定参数由数值和单位两部分组成。数值可以用十进制数或浮点数来表示，也可以用运算表达式或定义的函数来表示，但表达式或函数要放在大括号中，例如SIN(5)，254*3.8。多个数值或表达式之间用逗号或空格分开，多个空格等效于一个空格。单位由比例因子和缺省单位两部分组成，用英文字母表示，不区分大小写。比例因子见表B.1.1，比例因子中应特别注意毫与兆的区别，兆要用MEG表示，M表示毫(milli)。缺省的物理单位同人们的习惯相一致，如表B.1.2所示。例如：1000、1000Hz、1kHz、1KHz、1k、1E3都表示同一个频率。PSPICE提供的运算和函数如表B.1.3所示。表B.1.1 比例因子表B.1.2 缺省物理单位比例因子对应数值物理量缺省单位F1E-15电压（V）伏特（V）P1E-12电流（I）安培（A）N1E-9频率（f）赫兹（Hz）U1E-6电阻（R）欧姆（Ohm）M1E-3电容（C）法拉（F）K1E3电感（L）亨利（H）MEG1E6角度（Ang）角（Deg）G1E9表B.1.3 PSPICE提供的运算和函数运算和函数意 义+、-、*、/加、减、乘、除ABS（X）X的绝对值SGN（X）符号函数EXP（X）e的X次幂LOG（X）X的自然对数LOG10（X）X的以10为底的对数PW