电路仿真测试.ppt

第4章电路仿真测试 4 1电路仿真操作步骤4 2仿真元件及参数设置4 3电路仿真操作初步4 4常用仿真方式及应用4 5仿真综合应用举例4 6常用元器件仿真模型4 7创建仿真元件 4 1电路仿真操作步骤 在Protel99中进行电路仿真分析的操作过程可概括如下 1 编辑原理图利用原理图编辑器 SchematicEdit 编辑仿真测试原理图 在编辑原理图过程中 除了导线 电源符号 接地符号外 原理图中所有元件的电气图形符号均要取自电路仿真测试专用电气图形符号数据库文件包Sim ddb内相应元件电气图形符号库文件 lib 否则仿真时因找不到元件参数 如三极管的放大倍数 C E结反向漏电流 而给出错误提示并终止仿真过程 2 放置仿真激励源 包括直流电压源 在仿真测试电路中 必须包含至少一个仿真激励源 仿真激励源被视为一个特殊的元件 放置 属性设置 位置编辑等操作方法与一般元件 如电阻 电容等 完全相同 仿真激励源电气图形符号位于仿真测试专用元件电气图形文件包Sim ddb内的SimulationSymbols lib元件图形库文件中 3 放置节点网络标号在需要观察电压波形的节点上 放置节点网络标号 以便观察到指定节点的电压波形 原因是Protel99仿真程序只能自动检测支路电流 元件阻抗 没有节点电压 4 选择仿真方式并设置仿真参数在原理图编辑窗口内 指向并单击 Simulate 菜单下的 Setup 命令 或直接单击主工具栏内的 仿真设置 工具 进入 AnalysesSetup 仿真设置窗口 选择仿真方式及仿真参数 5 执行仿真操作在原理图编辑窗口内 指向并单击 Simulate 菜单下的 Run 命令 或直接单击主工具栏内的 执行仿真 工具 启动仿真过程 等待一段时间后即可在屏幕上看到仿真结果 6 观察仿真结果仿真操作结束后 自动启动波形编辑器并显示仿真数据文件 sdf 的内容 或在 设计文件管理器 窗口内 单击对应的 sdf文件 在波形编辑器窗口内 观察仿真结果 若不满意 可修改仿真参数或元件参数后 再执行仿真操作 7 保存或打印仿真波形仿真结果除了保存在 sdf文件中外 还可以在打印机上打印出来 4 2仿真元件及参数设置 在Protel99中 每一仿真元件的特性由元件电气图形符号库和元件模型参数数据库描述 仿真测试原理图内元件电气图形符号存放在DesignExplorer99 Library SCH Sim ddb仿真分析用元件电气图形符号库文件包内 共收录了5800多个元器件 分类存放在如下元件电气图形符号库 lib 文件中 74XX lib74系列TTL数字集成电路7SEGDISP lib7段数码显示器BJT lib工业标准双极型晶体管BUFFER lib缓冲器CAMP lib工业标准电流反馈高速运算放大器CMOS libCMOS数字集成电路元器件Comparator lib比较器Crystal lib晶体振荡器Diode lib工业标准二极管IGBT lib工业标准绝缘栅双极型晶体管 JFET lib工业标准结型场效应管MATH lib二端口数学转换函数MESFET libMES场效应管Misc lib杂合元件MOSFET lib工业标准MOS场效应管OpAmp lib工业标准通用运算放大器OPTO lib光电耦合器件 实际上该库文件仅含有4N25和通用的光电耦合器件OPTOISO两个元件 Regulator lib电压变换器 如三端稳压器等Relay lib继电器类SCR lib工业标准可控硅 SimulationSymbols lib仿真测试用符号元件库Switch lib开关元件Timer lib555及556定时器Transformer lib变压器TransLine lib传输线TRIAC lib工业标准双向可控硅TUBE lib电子管UJT lib工业标准单结管 在放置元件过程中 按下Tab键调出元件属性窗口 设置元件有关参数时 必须注意 一般仅需要指定必须参数 如序号 型号 大小 如果打算从电原理图获取自动布局所需的网络表文件时 则需要给出元器件的封装形式 而对于可选参数 一般用 代替 即采用缺省值 除非绝对必要 否则不宜改变 1 物理量单位及数据格式在设置元件仿真参数 仿真运行参数时 往往使用定点数形式输入 且不用输入参数的物理量单位 即电容容量默认为F 法拉 阻值为 欧姆 电感为H 亨 电压为V 伏特 电流为A 安培 频率为Hz 赫兹 等 2 元件电气图形符号及参数仿真测试原理图中所用的分立元件的电气图形符号 如电阻 电容 电感等均取自SimulationSymbols lib元件库文件内 下面简要介绍其中几种常用分立元件有关参数的含义 1 电阻器2 电容器3 电感器4 保险丝5 变压器 6 继电器7 晶体振荡器8 二极管 三极管及结型场效应管9 MOS场效应管10 可控硅及双向可控硅11 运算放大器 比较器12 TTL及CMOS数字集成电路13 节点电压初始值 IC 14 节点电压设置 NS 3 仿真信号源及参数在电路仿真过程中需要各种各样的激励源 这些激励源也取自sim ddb数据库文件包内的SimulationSymbols lib元件库文件中 包括直流电压激励源VSRC voltagesource 与直流电流激励源ISRC currentsource 正弦波电压激励源VSIN voltagesource 与正弦波电流激励源ISIN currentsource 周期性脉冲信号激励源VPULSE voltagesource 与IPULSE currentsource 分段线性激励源VPWL voltage source 与IPWL currentsource 等 常用的直流电压激励源VSRC 正弦电压激励源VSIN 脉冲电压激励源VPLUS可通过单击 Simulate 菜单下的 Source 命令选择相应激励源后 将其拖到原理图编辑区内 1 直流电压激励源VSRC与直流电流激励源ISRC这两种激励源作为仿真电路工作电源 在属性窗口内 只需指定序号 Designator 如VDD VSS等 及大小 PartType 如5 12等 如图4 1所示 图4 1直流电源属性设置窗 2 正弦波信号激励源 SinusoidWaveform 正弦波激励源在电路仿真分析中常作为瞬态分析 交流小分析的信号源 执行菜单命令 Simulate Source 选择SineWave类型的激励源 就可以放置正弦波激励源 其参数设置对话框如图4 2所示 图4 2正弦信号属性设置窗 由如图4 2所示的参数描述的正弦信号源的波形特征如图4 3所示 可见当直流偏压Offset不为0时相当于波形上移 图4 3正弦波形信号 3 脉冲激励源 Pulse 脉冲激励源在瞬态分析中用得比较多 放置脉冲激励源的方法是 执行菜单命令 Simulate Source 在弹出的子菜单内选择 Pulse 类型的激励源即可 双击脉冲激励源符号 将弹出如图4 4所示的属性设置对话框 图4 4脉冲信号激励源属性设置窗 脉冲信号激励源波形特征可用图4 5形象地描述 其中Pulsed 100mV Period 8ms 脉冲宽度Plus 3ms 图4 5脉冲激励源波形图 4 分段线性激励源VPWL与IPWL PieceWiseLinear 分段线性激励源的波形由几条直线段组成 是非周期信号激励源 为了描述这种激励源的波形特征 需给出线段各转折点时间 电压 或电流 坐标 对于VPWL信号源来说 转折点坐标由 时间 电压 构成 对于IPWL信号源来说 转折点坐标由 时间 电流 构成 如图4 6所示 由如图4 6所示的参数构成的分段线性激励源的波形特征可用图4 7形象地描述 图4 6分段线性激励源属性 图4 7分段线性激励源波形 5 调频波激励源 VSFFM 电压调频波 和ISFFM 电流调频波 调频波激励源也是高频电路仿真分析中常用到的激励源 调频波激励源位于Sim ddb数据库文件包内的SimulationSymbols lib元件库文件中 放置调频波信号源的操作方法与放置电阻 电容等的方法相同 调频波信号源属性如图4 8所示 由图4 8属性设置窗所示参数生成的调频波激励源信号波形如图4 9所示 其频谱特性如图4 10所示 图4 8属性设置窗所示参数 图4 9调频波激励源波形 图4 10调频波信号频谱 此外 SimulationSymbols lib元件库内尚有其他激励源 如受控激励源 指数函数 频率控制的电压源等 这里就不一一列举了 根据需要可从该元件库文件中获取 如果实在无法确定某一激励源或元件参数如何设置时 除了从 帮助 菜单中获得有关信息外 还可以从Protel99的仿真实例中受到启发 在DesignExplorer99 Examples CircuitSimulation文件夹内含有数十个典型仿真实例 打开这些实例 即可了解元件 仿真激励源参数设置方法 4 3电路仿真操作初步 在介绍了电路仿真操作步骤 元件及激励信号源属性设置方法后 下面以图4 11所示的共发射极放大电路为例 说明Protel99仿真操作过程 图4 11分压式偏置电路 4 3 1编辑电原理图在仿真操作前 先建立原理图文件 原理图文件的编辑方法在前面章节中已介绍过 这里不再重复 在编辑过程中 只需注意 电路图中所有元件的电气图形符号一律取自 DesignExplorer99 Library Sch 文件夹下的Sim ddb仿真测试用元件电气图形符号数据库文件包内相应的元件库文件 在元件未固定前必须按下Tab键 在元件属性窗口内 设置元件的属性选项 Designate Part及PartFields1 16 然后放置相应的仿真激励信号源 接着在感兴趣的节点上 放置网络标号 具体操作过程如下 1 在 DesignExplorer 窗口内 单击 File 菜单下的 New 命令创建一个新的设计文件 接着输入新设计文件名 并指定存放路径 2 单击 设计文件管理器 前的 显示设计文件包结构 并单击其中的 Documents 文件夹 3 单击 File 菜单下的 New 命令 在弹出的文档类型选择框内 双击 SchematicDocument 原理图文件 即可在 Documents 文件夹窗口内建立文件名为 Sheetx 的原理图文件 输入文件名并按回车键 如果不输入文件 而直接按回车键 将使用Sheet1 Sheet2作为原理图的文件名 4 单击原理图文件图标 进入原理图编辑状态 5 单击 DesignExplorer 设计文件管理器 窗口的 BrowseSch 标签 并选择 Library 作为浏览对象 6 单击 Add Remove 按钮 选择 DesignExplorer99 Library Sch 文件夹下的Sim ddb仿真测试用元件电气图形符号库文件包作为当前库文件包 然后即可选择Sim ddb数据文件包内相应的元件库 如SimulationSymbols Lib库文件作为当前使用的元件库文件 7 在元件列表窗内找出并单击特定的元件名称后 再单击 Place 按钮 将选定的元件拖到原理图编辑区内 8 在元件未固定前 按下Tab键 进入元件属性设置窗 在属性窗口内 单击 Attributes 标签 设置元件序号 大小或型号 再依次单击 PartFields1 8 和 PartFields9 16 标签 输入元件仿真参数 9 放置并设置仿真激励源 10 放置网络标号 4 3 2选择仿真方式并设置仿真参数完成原理图编辑后 下一步就是选择仿真方法和设置仿真参数 在原理图编辑窗口内 指向并单击 Simulate 菜单下的 Setup 命令 或直接单击主工具栏内的 仿真设置 工具 进入如图4 12所示的 AnalysesSetup 仿真设置窗口 选择仿真方式及仿真参数 图4 12仿真方式设置窗 在 有效信号 列表窗口内 除了显示已定义的网络标号 如Vin Vout等信号名外 还列出了元器件电流 带后缀 i 功率 带后缀 p 以及激励源阻抗 带后缀 z 等参量 其中激励源阻抗定义为激励源电压瞬时值与流过激励源电流瞬时值之比 即激励源阻抗等于被分析电路的输入阻抗Zi等 例如 C1 i 表示电容C1中的电流 当器件电流从第一引脚流向第二引脚时为正 反之为负 C1 p 表示电容C1消耗的功率 VCC branch 表示流过VCC支路的电流 流入正极时为正 流出正极时为负 Netr1 2 表示电阻R1第2引脚节点电压 对于没有定义的节点电压 Protel仿真程序用Net元件名 元件引脚编号表示节点电压信号 1 选择仿真分析方式在 General 标签窗口中 单击相应仿真方式前的选项框 允许或禁止相应仿真方式 本例仅选择 OperatingPointAnalyses 工作点分析 和 Transient FourierAnalysis 瞬态特性 傅立叶分析 2 选择计算及可立即观察的信号1 选择仿真过程需要计算的信号类型仿真过程中仅计算 有效信号 列表窗内的信号 设置过程如下 在如图4 12所示的窗口内 单击 CollectDataFor 收集数据类型 下拉按钮 选择仿真过程中需要计算的数据类型 3 设置仿真参数并执行仿真操作除了 OperatingPointAnalyses 仿真方式不需要设置仿真参数外 选择了某一仿真方式后 尚需要设置仿真参数 在本例中 单击 Transient FourierAnalysis 标签 在如图4 13所示的 Transient FourierAnalysis 瞬态特性 傅立叶分析 参数设置窗口内 设置相应的参数 图4 13 Transient FourierAnalysis 瞬态特性 傅立叶分析 参数设置 4 高级选项设置 可选 必要时 在如图4 12所示的仿真方式设置窗口内 单击 Advanced 高级选项 按钮 在如图4 14所示的高级选项设置框内 选择仿真计算模型 数字集成电路电源引脚对地参考电压 瞬态分析参考点 缺省的仿真参数等 但必须注意 一般并不需要修改高级选项设置 尤其是不熟悉Spice电路分析软件定义的器件参数含义 取值范围以及仿真算法的初学者 更不要随意修改高级选项设置 否则将引起不良后果 图4 14高级选项设置 5 启动仿真计算过程设置了仿真参数后 可立即单击 RunAnalyses 按钮 启动仿真计算过程 当然 也可以单击 Close 按钮关闭仿真设置窗口 需要仿真时 再单击原理图编辑窗口内主工具栏中的 运行仿真 工具 或执行 Simulate 菜单下的 Run 命令 启动仿真过程 运行仿真后 将按 cfg文件设定的仿真方式及参数 对电路进行一系列的仿真计算 以便获得相应的仿真结果 仿真结果记录在 sdf SimulationDataFile 文件内 该文件以文本 如工作点仿真分析 或图形方式 如瞬态特性 直流传输特性分析等 记录了仿真计算结果 如图4 15所示 在仿真计算过程中 当发现设定的仿真方式或参数不正确时 可随时单击仿真窗口内主工具栏中的 停止仿真 工具 中断仿真计算过程 图4 15仿真波形观察窗口 4 3 3仿真结果观察及波形管理在仿真数据文件 sdf 编辑窗口内 通过如下方式观察仿真结果 1 调整仿真波形观察窗口内信号的显示幅度将鼠标移到仿真输出信号下方横线上 当鼠标箭头变为上下双向箭头时 按下左键不放 拖动鼠标器 松手后即可发现横线上方仿真输出信号幅度被拉伸或压缩 2 调整仿真波形窗口内信号的显示位置将鼠标移到波形窗口内相应的仿真输出信号名上 按下鼠标左键不放 拖动鼠标器 即可发现一个虚线框 代表信号名 随鼠标的移动而移动 当虚线框移到另一信号显示单元格内时松手 即可发现两个信号波形出现在同一显示单元格内 如图4 16所示 图4 16信号波形重叠显示 3 改变显示刻度在 Scaling 刻度 选择框内 单击相应刻度 如X轴 文本框右侧上下 增加或减小 按钮 即可改变X轴 Y轴或偏移量大小 当然也可以在文本框中直接输入相应的数值 4 在仿真波形窗口内添加未显示的信号波形在 Waveforms 波形列表 窗口内找出并单击需要显示的信号 如VB 然后再单击 Show 显示 按钮 即可在仿真波形观察窗口内显示出指定的信号 如图4 17所示 图4 17添加了VB信号的仿真波形窗口 5 隐藏仿真波形观察窗口内的信号波形将鼠标移到波形观察窗口内需要隐藏的信号名上 单击左键使目标信号处于选中状态 选中后信号波形线条变宽 同时信号名旁边出现一个小黑点 如图4 16中的ui 然后再单击 Hide 隐藏 按钮 相应仿真信号即从波形观察窗口内消失 6 波形测量单击如图4 15所示的窗口内 MeasurementCursors 测量曲线 框中 A 右侧的下拉按钮 选择被测量信号名 如uo A 框下方即显示出被测信号点X Y的值 同时波形窗口上方出现测量标尺 如图4 18所示 图4 18测量标尺 7 只观察一个单元格内的信号将鼠标移到某一信号单元格内 单击左键 然后执行 View 选择框内的 SingleCells 选项 或将鼠标移到某一信号单元格内 单击右键 调出快捷菜单 指向并单击 ViewSingleCell 命令 即可显示该单元格内的信号 如图4 19所示 图4 19仅显示一个单元格内的信号 8 选择X Y轴刻度单位及Y轴度量对象根据观察信号的类型 必要时可执行 View 菜单下的 Scaling 命令 在如图4 20所示的窗口内 重新选择X Y轴度量单位 可供选择的X轴度量单位 Linear 线性 Log 对数 9 设置波形窗口其他选项 背景颜色 显示计算点等必要时 可执行 View 菜单下的 Options 命令 在如图4 21所示的窗口内 重新选择波形窗口背景 前景以及栅格线颜色等 图4 20刻度选择 图4 21波形窗口选项设置 10 切换到另一仿真方式波形窗口如果在仿真时 同时执行了多种仿真操作 例如在如图4 12所示的仿真方式设置窗口内 同时选择了 OperatingPointAnalyses 静态工作点 和 TransientAnalysis 瞬态特性 则仿真波形窗口下方将列出相应仿真结果波形标签 单击相应的仿真波形标签 即可观察到对应仿真方式的结果 11 设置窗口的显示方式当需要在屏幕上同时显示多个文件窗口时 如同时显示原理图文件窗口和仿真波形窗口时 可将鼠标移到当前文件窗口的文件图标上 如图4 19中的 Sheet1 sdf 单击右键 指向并单击如下命令之一 即可重新设定窗口的显示方式 Close关闭当前文件窗口SplitVertical按垂直方式分割窗口SplitHorizontal按水平方式分割窗口TileAll重叠所有窗口 即屏幕上只观察到当前文件窗口MergeAll同时显示所有已打开的文件窗口 在这种方式下可同时观察到多个文件 如屏幕上同时显示原理图窗口和仿真波形窗口单击窗口上的 关闭 按钮或执行 File 文件 菜单下的 Close 命令即可关闭当前窗口 4 4常用仿真方式及应用 4 4 1工作点分析 OperatingPointAnalyses 在进行工作点分析时 仿真程序将电路中的电感元件视为短路 电容视为开路 然后计算出电路中各节点对地电压 各支路 每一元件 电流 这就是常说的静态工作点分析 在如图4 12所示的仿真方式设置窗口内 单击 OperatingPointAnalyses 选项前的复选框 选中 工作点分析 选项 执行仿真操作后 单击如图4 15所示的仿真波形观察窗口下方 仿真结果列表 栏内的 OperatingPoint 即可在仿真波形窗口内观察到工作点计算结果 如图4 22所示 图4 22工作点分析结果 4 4 2瞬态特性分析 TransientAnalysis 与傅立叶分析 FourierAnalysis TransientAnalysis属于时域分析 用于获得节点电压 支路电流或元件功率等信号的瞬时值 即信号随时间变化的瞬态关系 相当于在示波器上直接观察信号的波形 因此TransientAnalysis是一种最基本 最常用的仿真分析方式 在设置FourierAnalysis参数时 对于周期信号来说 基波就是被分析信号周期的倒数 分析的最大谐波与信号性质有关 对于方波信号来说 取10次谐波已足够 而对于调幅 调频波来说 为了获得正确结果 基波按下列关系选择 基波 载波频率 调制信号频率 4 4 3参数扫描分析 ParameterSweepAnalysis 参数扫描分析用于研究电路中某一元器件参数变化时 对电路性能的影响 常用于确定电路中某些关键元件参数的取值 在进行瞬态特性分析 交流小信号分析或直流传输特性分析时 同时启动 参数扫描 分析 即可非常迅速 直观地了解到电路中特定元件参数变化时 对电路性能的影响 在如图4 12所示的仿真参数设置窗口内 单击 ParameterSweep 标签 即可获得如图4 23所示的ParameterSweep 参数扫描 设置窗口 图4 23参数扫描设置窗口 参数扫描设置过程如下 1 单击 ParameterSweepFirst 主扫描参数 选择框内 Parameter 下拉列表盒右侧的下拉按钮 选择参数变化的元件 如R1 C1 Q1 BF 等 其中Q1 BF 表示三极管Q1的电流放大倍数 2 在 StartValue 文本盒内输入元件参数的初值 在 StopValue 文本盒内输入元件参数的终值 在 StepValue 文本盒内输入参数变化增量 图4 24三极管Q1放大倍数 变化对应的输出信号 从图4 24中可以看出 在如图4 11所示的放大电路中 三极管Q1放大倍数 对电路性能指标的影响不大 即当 50后 放大器输出信号Vout基本重叠 当选择R5作为主扫描参数时 即可获得交流负反馈电阻对放大器放大倍数的影响 例如R5从10 增加到时100 增量为10 输出信号Vout振幅如图4 25所示 图4 25电阻R5变化时对应输出信号 4 4 4交流小信号分析 ACSmallSignalAnalysis 1 AC小信号分析的主要功能AC小信号分析用于获得电路中 如放大器 滤波器等的频率特性 一般来说 电路中的器件参数 如三极管共发射极电流放大倍数 并不是常数 而是随着工作频率的升高而下降 2 AC小信号分析参数设置单击 Simulate 菜单 指向并单击 Setup 命令 在 AnalysesSetup 对话框内 单击 ACSmallSignal 标签 即可进入如图4 26所示的 ACSmallSignal 设置框 图4 26AC小信号分析参数设置 StartFrequency 扫描起始频率 StopFrequency 扫描终了频率 TestPoints 分析频率点的数目 当 SweepType 按线性变化时 则测试点数就是总的测试点数 当 SweepType 按级数 10倍频 即取对数刻度 变化时 则TestPoints为每10倍频内测试点的个数 总测试点个数是TestPoints StopFrequency StartFrequency 10 如上图中 如果每10倍频测试点取1000个 则总测试点约为4700个 图4 27给出了低通滤波电路及AC小信号分析结果 对于如图4 28所示的并联谐振电路来说 利用AC小信号分析观察并联谐振曲线将非常方便 直观 如图4 29所示 其中AC小信号分析参数为 StartFrequency 1Hz StopFrequency 1MHz TestPoints 1000 图4 27低通滤波器幅频特性 图4 28并联谐振电路 图4 29谐振特性曲线 在AC小信号分析中 结合参数扫描分析 能非常直观地了解到电路中某一元件参数对电路幅 频特性的影响 例如 在如图4 11所示的电路中 选择发射极交流旁路电容C3作为主扫描参数 初值取0 1 终值取2 增量为0 3 并将AC小信号分析参数设为 StartFrequency 1Hz StopFrequency 10kHz 测试点数取1000 即可迅速了解到电容C3对放大器低频特性的影响 如图4 30所示 图4 30电容C3对放大器低频特性的影响 4 4 5阻抗特性分析 ImpedancePlotAnalysis Protel99仿真程序具有阻抗特性分析功能 只是不单独列出 而是放在AC小信号分析方式中 即在AC小信号波形窗口内选择激励源阻抗 如Vin z VCC z 等作为观察对象 即可得到电路的输入 输出阻抗曲线 由于电路输入阻抗是前一级电路或信号源的负载 而电路输出阻抗体现了电路输出级的负载驱动能力 因此在电路设计中常需要了解电路的输入 输出阻抗 1 求输入阻抗Ri根据电路输入阻抗Ri的定义 求电路输入阻抗Ri时 无须改动电路结构 在AC小信号分析窗口内 选择输入信号源阻抗 如图4 11中的信号源的阻抗V1 z 作为观察对象即可获得放大器输入阻抗Ri曲线 如图4 31所示 中频段约为7 1k 图4 31输入阻抗Ri特性曲线 在输入阻抗 放大倍数估算过程中 将三极管B E极电阻rbe近似为常数 但实际上rbe随发射极电流IE 引起re变化 的增大而减小 随集电结偏压VCB 引起rbb 变化 的增大而增大 例如 在如图4 11所示的分压式偏置电路中 基极电压基本保持不变 当发射极电阻R4增大时 发射极电流IE减小 导致发射结电阻re增大 结果输入阻抗Ri增大 如图4 32所示 图4 32R4变化对输入阻抗Ri的影响 由于VCE VCC IC R3 IE R4 R5 因此当集电极电阻R3增大时 VCE将减小 即集电结反向偏压VCB变小 使集电结耗尽层减小 导致基区厚度增加 使rbb 减小 最终使输入阻抗Ri减小 如图4 33所示 图4 33R3变化对输入阻抗Ri的影响 2 求输出阻抗Ro根据输出阻抗的定义 求输出阻抗时 需要按以下步骤修改电路结构 1 用导线将输入信号源短路 但要保留输入信号源的内阻 2 负载RL开路 在操作上 可先删除RL 将输入信号源移到RL位置 用导线连接与输入信号源相连的两个节点 3 在输出端接一信号源 这样信号源两端电压与流过该信号源的电流之比 就是输出电阻Ro 4 然后执行AC小信号分析 在AC小信号分析窗口内 选择信号源阻抗作为观察对象即可 求如图4 11所示的放大电路的输出阻抗电路如图4 34 a 所示 而输出阻抗特性曲线如图4 34 b 所示 图4 34输出阻抗求解电路及结果 a 求输出阻抗电路 b 输出阻抗曲线 图4 34输出阻抗求解电路及结果 a 求输出阻抗电路 b 输出阻抗曲线 4 4 6直流扫描分析 DCSweepAnalysis 直流扫描分析 DCSweep 方法是在指定范围内 输入信号源电压变化时 进行一系列的工作点分析以获得直流传输特性曲线 常用于获取运算放大器 TTL CMOS等电路的直流传输特性曲线 以确定输入信号的最大范围和噪声容限 直流扫描分析 也常用于获取场效应管的转移特性曲线 但直流扫描分析不适用于获取阻容耦合放大器的输入 输出特性曲线 在原理图编辑窗口内 单击 Simulate Setup 命令 在 AnalysesSetup 对话框内 单击 DCSweep 标签 即可进入如图4 35所示的直流扫描仿真设置框 图4 35直流扫描分析参数设置 各参数含义如下 DCSweepPrimary主变化信号源Secondary第二变化信号源 在直流扫描仿真分析中 允许两个信号源同时变化 然后分别计算工作点SourceName变化的信号源StartValue初始电压值StopValue终止电压值StepValue电压变化步长 例如 利用直流扫描分析即可获取如图4 36所示的运算放大器的直流传输特性曲线 操作过程如下 图4 36运算放大器 1 在原理图编辑窗口内 执行 Simulate 菜单下的 Setup 命令 2 在 AnalysesSetup 窗口内 单击 DCSweep 标签 在如图4 35所示的窗口内设置直流扫描参数 如图4 37所示 3 启动仿真分析后 打开 sdf文件 并选择 DCSweep 即可观察到仿真结果 如图4 38所示 图4 37直流扫描分析设置窗 图4 38直流传输特性曲线 利用直流扫描分析 将非常容易获得如图4 39所示的74LS00与非门电路的直流传输特性曲线 如图4 40所示 可以看出 74LS系列门电路最大输入低电平电压小于0 9V 最小输入高电平电压必须大于1 2V 图4 39由74LS00组成的与非门电路 图4 4074LS门电路的直流传输特性曲线 利用 直流扫描分析 即可获得如图4 41 a 所示的N沟道结型场效应管2N3684的转移特性曲线 如图4 41 b 所示 对V1电压源进行扫描 初始电压为 3 5V 终了电压为0 步长为10mV 图4 41结型场效应管转移特性 a 转移特性测试原理图 b 转移特性曲线 图4 41结型场效应管转移特性 a 转移特性测试原理图 b 转移特性曲线 4 4 7温度扫描分析 TemperatureSweepAnalysis 一般说来 电路中元器件的参数随环境温度的变化而变化 因此温度变化最终会影响电路的性能指标 温度扫描分析就是模拟环境温度变化时电路性能指标的变化情况 因此温度扫描分析也是一种常用的仿真方式 在瞬态分析 直流传输特性分析 交流小信号分析时 启用温度扫描分析即可获得电路中有关性能指标随温度变化的情况 温度扫描分析应用举例 分析环境温度对如图4 42所示的基本放大电路放大倍数的影响 操作过程如下 1 编辑电路图 2 在 AnalysesSetup 窗口内 单击 TemperatureSweep 标签 在如图4 43所示的窗口设置温度扫描参数 图4 42共发射极基本放大电路 图4 43温度扫描参数设置窗口 3 设置了温度扫描参数后 启动仿真过程 结果如图4 44所示 图4 44输出电压Vout随温度变化的情况 4 4 8传输函数分析 TransferFunctionAnalysis 传输函数分析用于获得模拟电路直流输入电阻 直流输出电阻以及电路的直流增益等 这里不进行详细介绍 4 4 9噪声分析 NoiseAnalysis 1 噪声分析功能电路中每个元器件在工作时都要产生噪声 由于电容 电感等电抗元件的存在 不同频率范围内 噪声大小不同 例如运算放大器对直流噪声比较敏感 而对频率变化较快的高频噪声反映迟钝 为了定量描述电路中噪声的大小 仿真软件采用了一种等效计算方法 具体计算步骤如下 1 选定一个节点作为输出节点 在指定频率范围内 将电路中每个电阻和半导体器件等噪声源在该节点处产生的噪声电压均方根 RMS 值做叠加 2 选定一个独立电压源或独立电流源 计算电路中从该独立电源 电流源 到上述输出节点处的增益 再将第 1 步计算得到的输出节点处总噪声除以该增益就得到在该独立电压源 或电流源 处的等效噪声 2 噪声分析的参数设置在 AnalysesSetup 窗口内 单击 Noise 标签 在如图4 45所示的窗口设置噪声分析参数 图4 45噪声分析参数设置窗口 当参考节点 ReferenceNode 为0时 以接地点作为计算参考点 即输出节点噪声大小相对地电平而言 如图4 36所示的运算放大器噪声分析结果如图4 46所示 可见该电路在低频段噪声输出电压均方值较大 图4 46运算放大器噪声特性曲线 4 5仿真综合应用举例 4 5 1数字电路仿真实例对如图4 47 a 所示的电路进行参数扫描分析 即可直观地了解到74LS系列TTL门电路输出高电平的负载能力 结果如图4 47 b 所示 图4 4774LS系列集成电路高电平负载能力 a 输出高电平测试电路 b 输出高电平随负载电阻的变化 图4 4774LS系列集成电路高电平负载能力 a 输出高电平测试电路 b 输出高电平随负载电阻的变化 操作过程如下 1 在原理图编辑窗口内编辑原理图 在操作过程中必须注意 TTL数字电路隐藏的电源引脚标号为VCC 且仿真程序默认的TTL电源为 5V 因此可以不用绘制电源供电电路 也就是说可以不用放置V3和电源符号VCC 2 单击主工具栏内的 仿真设置 工具或执行 Simulate 菜单下的 Setup 命令 在如图4 12所示的仿真方式设置窗口内 分别单击 Transient FourierAnalysis ParameterSweep 标签 参数扫描分析参数 对RL进行扫描 起始值为100 终了值为5k 增量为500 然后运行仿真操作 即可得到如图4 47 b 所示的结果 可见负载越重 输出高电平电压越小 图4 4874LS系列TTL电路输出低电平负载能力测试电路 图4 4974LS系列TTL电路输出低电平负载能力 4 5 2模拟 数字混合电路仿真分析实例图4 50是单片机系统常用的复位 掉电信号生成电路 分析上电 掉电期间复位信号以及掉电信号波形是否满足要求 图4 50MCS 51单片机系统常用的掉电 复位电路 下面通过瞬态仿真分析检查各点波形时序是否满足设计要求 操作过程如下 1 编辑原理图 放置激励源 用分段线性激励VPWL模拟上电 掉电波形 V1激励源参数为 00 02m5 010m5 011m0 030m0 032m5 0 即上电时间为2ms 电源由正常值5 0V下降到0V 时间1ms 停电时间为19ms V1波形如图4 48所示 2 单击主工具栏内的 仿真设置 工具或执行 Simulate 菜单下的 Setup 命令 在如图4 12所示的仿真方式设置窗口内 单击 Transient FourierAnalysis 标签 设置瞬态分析参数 如图4 51所示 3 运行仿真操作 结果如图4 52所示 可见电源波形 掉电信号以及复位信号时序满足设计要求 即电源V 小于4 75V时 掉电信号INT0为低电平有效 CPU响应INT0中断后进入掉电操作状态 上电时 电源供电正常后 即V 大于4 75V后 复位信号为高电平 使CPU进入复位操作 经过大约5ms的延迟后返回低电平 满足了MCS 51系列单片机对复位信号的要求 图4 51瞬态分析参数 图4 52各测试点电压波形 4 5 3 数学函数 库内信号合成函数的应用MATH lib 位于DesignExplorer99 Library Sch Sim ddb数据库文件内 元件库中含有许多二端口数学函数 如节点电压加 减 乘 除函数 支路电流加 减 乘 除函数等 这些数学函数被视为特殊元件 放置 移动 编辑等操作方式与电阻 电容等完全相同 在电路仿真分析中 灵活使用这些数学函数可迅速获得电路的有关参数 1 利用电压除法函数获得放大器电压增益例如 在如图4 11所示的电路中 增加DIVV 电压除法 函数 即可在瞬态分析窗口内直接获取电压增益Au 操作过程如下 1 在原理图编辑状态下 在 元件库 lib 列表窗口内 找出并单击MATH lib库文件 将MATH lib元件库文件作为当前库文件 2 在 元件 列表窗口内 找出并单击DIVV 电压除法 函数 3 单击 Place 按钮 将DIVV元件拖到原理图编辑区内 同时按下Tab键 进入元件属性设置窗口 设置仿真参数 对于DIVV函数来说 只需指定序号 如M1 M2等 4 用导线 或标号 分别将V1 V2端连接到需要做除法运算的节点上 并在输出端放置网络标号 如Au等即可 如4 53所示 图4 53增加DIVV函数 5 在仿真设置窗口内 指定仿真方式 仿真参数 这里选择瞬态仿真方式 仿真观察信号 并运行仿真操作 结果如图4 54所示 图4 54DIVV函数 2 利用电压减法函数求出电路中任意两个节点的电位差在Protel99仿真操作过程中 选择节点电压作为观察对象即可获得电路中任一点对的电压信号 当需要获得任意两个节点间的电位差 如图4 11中 集电极与发射极之间的电压差 即Q1管VCE 可通过电压差函数实现 操作过程如下 1 在原理图编辑状态下 在 元件库 lib 列表窗口内 找出并单击MATH lib库文件 将MATH lib元件库文件作为当前库文件 2 在 元件 列表窗口内 找出并单击SUBV 电压差 函数 3 单击 Place 按钮 将SUBV元件拖到原理图编辑区内 同时按下Tab键 进入元件属性设置窗口 设置仿真参数 对于SUBV函数来说 只需指定序号 如M1 M2等 4 用导线 或标号 分别将V1 V2端连接到需要做减法运算的节点上 并在输出端放置网络标号 如VCE等即可 如4 55所示 图4 55通过SUBV函数求任意两点的电位差 5 在仿真设置窗口内 指定仿真方式 仿真参数 这里可选择工作点仿真方式和瞬态仿真方式 观察对象 并运行仿真操作 结果如图4 56所示 图4 56通过SUBV函数求出VCE 3 利用电流除法函数获得放大器电流增益利用电流除法函数DIVI即可迅速获得如图4 57 a 所示的三极管直流电流放大倍数IC IB 操作过程如下 1 在原理图编辑状态下 在 元件库 lib 列表窗口内 找出并单击MATH lib库文件 将MATH lib元件库文件作为当前库文件 2 在 元件 列表窗口内 找出并单击DIVI 电流除法 函数 3 单击 Place 按钮 将DIVI元件拖到原理图编辑区内 同时按下Tab键进入元件属性设置窗口 设置仿真参数 对于DIVI函数来说 只需指定序号 如M1 M2等 4 用导线 或标号 分别将被除数支路电流 除数支路电流端连接到需要做除法运算的支流上 并在输出端放置一个假负载 如图4 57 b 所示 由于R5支路与待分析电路没有公共参考点 因此需要在R5一端加虚拟接地点 否则仿真不能进行 这点非常重要 对含有变压器 光耦元件等电路进行仿真分析时 也同样需要加虚拟接地点 a 图4 57通过电流除法函数求两支路电流比 图4 57通过电流除法函数求两支路电流比 b c 图4 57通过电流除法函数求两支路电流比 5 在仿真设置窗口内 指定仿真方式 仿真参数 这里选择工作点 直流扫描 V1从0 0V变化到5 0V时 仿真观察信号 选择R5支路电流 并运行仿真操作 结果如图4 57 c 所示 4 6常用元器件仿真模型 在Protel99中 每一仿真元件特性由元件电气图形符号和元件仿真模型文件描述 其中仿真元件电气图形符号分类存放在DesignExplorer99 Library Sch Sim ddb数据库文件包内不同的元件库 lib 文件中 而元件仿真模型参数以文本文件形式分类存放在DesignExplorer99 Library Sim SimulationModels ddb库文件包内 每一元件或同类元件对应一个仿真模型文件 扩展名为 mdl或 ckt 它记录了器件的仿真模型参数 1 仿真模型文件格式及内容模拟电路元件仿真模型文件一般由下列语句组成 1 注释语句注释语句由 开始 用于说明器件的基本功能或参数以及器件参数来源等 例如 Si500mW40V800mA300MHzpkg TO 183 2 12 模型语句一些器件 如二极管 双极型晶体管 结型场效应管 MOS管等有许多参数 这些参数通过模型语句描述 3 子电路描述语句对于复合元件 如达林顿晶体管 由两个或两个以上基本元件组成 这类元件的仿真模型参数文件扩展名除了使用 ckt 做标记外 还用子电路描述语句和元件描述语句 4 元件描述语句元件描述语句格式与元件类型有关 用于描述子电路内各元件的连接关系 如电阻元件描述语句格式如下 Partnamen1n2Value TC TC1 TC2 2 浏览 编辑元件仿真模型文件需要注意的是 用户不要随意修改各元件的模型文件内容 否则可能丢失元件的仿真参数 仿真时出错 或计算结果不正确 4 6 1二极管二极管模型既适用于结型二极管 也适用于肖特基势垒二极管 模型描述语句如下 MODELMNAMED param1 Val1param2 Val2 例如 1N5408整流二极管模型参数如下所示 MODEL1N5408D IS 4 26NRS 14MN 1 7BV 1E 03IBV 165U CJO 125PVJ 0 75M 0 333TT 4 32U 二极管模型参数及默认值如表4 1所示 表4 1二极管模型参数及默认值 4 6 2三极管模型三极管的模型描述为 MODELMNAMENPN PNP Param1 Val1 Param2 Val2 双极型三极管模型关键词为NPN或PNP 其模型为来自SPECE2G 6中的GP模型 三极管的模型参数及其含义如表4 2所示 表4 2三极管模型参数及其含义 双极型晶体管模型有NPN和PNP两种类型 直流模型参数中IS BF NF ISE IKF和NE决定正向电流增益 IS BR NR ISC 1KR和NC决定反向电流增益 与BE结电容有关的参数是CJE FJE MFE和FC 与BC结势垒电容有关的参数是CJC VJC MJC VAR和VAR参数决定正向和反向输出电导 4 6 3结型场效应管 JFET 模型结型场效应管模型描述语句格式如下 MODELTYPENJF PJF Param1 Val1Param2 Val2 例如 2N3824结型场效应管模型参数如下 model2N3824NJF Beta 436 4uRd 1Rs 1Lambda 5 333mVto 2 139 Is 181 3fCgd 4pPb 5Fc 5Cgs 4 627pKf 3 783E 18Af 1 结型场效应管各模型参数含义如表4 3所示 表4 3结型场效应管各模型参数 4 6 4MOS场效应管模型MOS场效应管模型是集成电路中常用的器件 随着集成度的不断提高 MOS管尺寸不断缩小 已达到亚微米数量级 MOS管模型在Sim99中分为6级模型 参数有40 60个 大多是工艺参数 其模型描述格式为 MODELMNAMENMOS PMOS LEVEL x Param1 Val1Param2 Val2 MOS场效应管的模型参数 不同的级别有不同的参数 大部分都是厂家制作时的工艺参数 其中所有级别的MOS场效应管共用的参数如表4 4所示 表4 4MOS场效应管共用的参数 4 7创建仿真元件 在介绍了元件仿真模型文件结构 参数含义后 下面再简要介绍仿真元件的创建过程 前面说过 在Protel99仿真操作过程中 仿真元件特性由元件电气图形符号和模型参数文件描述 因此创建仿真元件的过程如下 1 在SchLib编辑状态下 使用 画图 工具编辑生成仿真元件的电气图形符号 并保存到DesignExplorer99 Library Sch Sim ddb文件包内的某一元件库文件 lib 中 2 在 DesignExplorer99 Library sim SimulationModels ddb 仿真模型文件包内相应目录下 建立仿真元件的模型参数文件 3 在原理图