CadencePSPICE电路仿真程序设计.pptx
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1、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 Aided Design)-计算机辅助设计计算机辅助设计u EDA EDA(Electroni
2、c 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 概论概论电子子电路路设计的流程的流程电子子设计自自动化(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
3、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
4、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
5、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
6、。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
7、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仿真仿真软件件长期以来,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
8、步发展,世界著名厂商如发展,世界著名厂商如CadenceDesignSystems,MentorGraphics,Synopsys,OrCAD和和ViewlogicSystems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、SYSTEMVIEW: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、MATLAB: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MAT
9、LAB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),(模拟滤波器软件),CircuitMaker2000,PROTEL,ElectronicWorkbench,PowerPCBEDA20
10、00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欢版,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。迎的电路仿真软件。1.2 SPICE发展展历程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
11、础实现的,如础实现的,如MicroSim公司的公司的PSpice,MetaSoftware公司的公司的HSPICE,以及,以及Analogy公司的公司的Saber等。等。SPICE(SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis)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开发。系分校开发。1972年首次推出。年首次推出。n19831983年年年年OrCADOrCAD公司推出可在公司推出可在公司推出可在公司推出可在
12、PCPC机上运行的机上运行的机上运行的机上运行的PSpice1PSpice1(P P即代表运行于即代表运行于即代表运行于即代表运行于PCPC机的机的机的机的版本)。版本)。版本)。版本)。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软件件简介介nPSpice软件分为工业版软件分为工业版(ProductionVersion)和教学版和教学版(EvaluationVersion)。nPSPICE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
13、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混合电路分析。路分析。nPSpice5.0及以前的版本都为及以前的版本都为DOS版,而版,而PSpice5.1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。1.2.2OrCAD/PSpice软件件n1998年年1月月MicroSim公公司司与与OrCAD公公司司合合并并,称称为为OrCAD公公司司。两两公公司司强强强强联联合合后后,相相继继推推出出一一系系列列基于基于PC机的机的EDA软件系统。软件系
14、统。n n19981998年年年年1111月月月月推推推推出出出出的的的的OrCAD/PSpiceOrCAD/PSpice9 9,是是是是有有有有相相相相关关关关中中中中文文文文参参参参考考考考书书书书的的的的版版版版本本本本。目目目目前前前前较较较较新新新新版版版版本本本本是是是是OrCAD/PSpiceOrCAD/PSpice10.510.5。nOrCAD软软件件覆覆盖盖了了电电子子设设计计中中的的4项项核核心心任任务务:电电路路原原理理图图输输入入及及器器件件信信息息管管理理系系统统OrCAD/CaptureCIS,模模拟拟、数数字字及及模模拟拟/数数字字混混合合电电路路分分析析与与优优
15、化化设设 计计 OrCAD/Pspice A/D,可可 编编 程程 逻逻 辑辑 设设 计计OrCAD/ExpressPlus,印印刷刷电电路路板板(PCB)设设计计OrCAD/LayoutPlus。1.2.3OrCAD/PSpice软件的改件的改进n n与与SPICE相相比比,OrCAD/PSpice并并不不只只是是单单纯纯将将SPICE移移植植到到PC机机,而而是是在在以以下下方方面面有有重重大变革。大变革。n n(1)不不仅仅可可以以对对模模拟拟电电路路进进行行直直流流、交交流流、瞬瞬态态等等基基本本电电路路特特性性分分析析,而而且且可可进进行行蒙蒙特特卡卡洛洛(MC(MONTECARLO
16、)统统计计分分析析、最最坏坏 情情 况况 分分 析析(Wcase(Worst-CaseAnalysis)、优优化化设设计计等等复复杂杂的的电电路路特特性性分分析。析。n n(2)不仅可对)不仅可对模拟电路模拟电路进行计算机辅助分析,进行计算机辅助分析,而且可对而且可对数字电路数字电路、数数/模混合电路模混合电路进行计算进行计算机模拟。为突出这一功能特点,新版本的软件机模拟。为突出这一功能特点,新版本的软件称为称为PSpiceA/D。n n(3)一改批处理运行模式,可在)一改批处理运行模式,可在WINDOWS环境下,以人机交互方式运行。绘制好电路图环境下,以人机交互方式运行。绘制好电路图后,即可
17、直接进行电路模拟,无需编制繁杂的后,即可直接进行电路模拟,无需编制繁杂的输入文件。在模拟过程中,可以随时分析观察输入文件。在模拟过程中,可以随时分析观察模拟结果,并在电路图上修改设计。模拟结果,并在电路图上修改设计。n n经过经过25年的发展和应用,年的发展和应用,OrCAD/PSpice实实际上已成为微机级电路模拟的标准软件。际上已成为微机级电路模拟的标准软件。1.3OrCAD/PSpiceOrCAD/PSpice软软件的功能特点件的功能特点件的功能特点件的功能特点n nPSpice A/DPSpice A/D可模拟下述可模拟下述6 6类最常用的电路元器件:类最常用的电路元器件:(1 1)基
18、基本本无无源源元元件件,如如电电阻阻、电电容容、电电感感、互互感感、传传输输线线等等(2 2)常常用用的的半半导导体体器器件件,如如二二极极管管、双双极极型型晶晶体体管管、结结型型场场效效应应晶晶体体管管、MOSMOS场场效效应应晶晶体体管管、GaAsGaAs场场效效应应晶晶体体管管、绝缘栅双极晶体管(绝缘栅双极晶体管(IGBTIGBT)等)等(3 3)独独立立电电压压源源和和独独立立电电流流源源。可可产产生生用用于于直直流流(DCDC)、交交流流(ACAC)、瞬瞬态态(TRANTRAN)分分析析和和逻逻辑辑模模拟拟所所需需的的各各种种激励信号波形激励信号波形(4 4)各种受控电压源、受控电流
19、源和受控开关)各种受控电压源、受控电流源和受控开关(5 5)基基本本数数字字电电路路单单元元,包包括括常常用用的的门门电电路路、传传输输门门、延延迟线、触发器、可编程逻辑阵列、迟线、触发器、可编程逻辑阵列、RAMRAM、ROMROM等等(6 6)常常用用单单元元电电路路,特特别别是是像像运运算算放放大大器器一一类类集集成成电电路路,可可将将其其作作为为一一个个单单元元电电路路整整体体出出现现在在电电路路中中,而而不不必必考考虑该单元电路的内部电路结构虑该单元电路的内部电路结构1.PSpiceA/D1.PSpiceA/D支持的元器件类型支持的元器件类型支持的元器件类型支持的元器件类型n n电路模
20、拟的精度很大程度上取决于电路中代表各种元电路模拟的精度很大程度上取决于电路中代表各种元电路模拟的精度很大程度上取决于电路中代表各种元电路模拟的精度很大程度上取决于电路中代表各种元器件特性的模型参数值是否精确。为方便用户使用,器件特性的模型参数值是否精确。为方便用户使用,器件特性的模型参数值是否精确。为方便用户使用,器件特性的模型参数值是否精确。为方便用户使用,PSpiceA/DPSpiceA/D提供的模型参数库中包括:超过提供的模型参数库中包括:超过提供的模型参数库中包括:超过提供的模型参数库中包括:超过1130011300种半导体器件和模拟集成电路产品的模型参数,种半导体器件和模拟集成电路产
21、品的模型参数,种半导体器件和模拟集成电路产品的模型参数,种半导体器件和模拟集成电路产品的模型参数,16001600多种数字电路单元产品的参数,其中包括最新多种数字电路单元产品的参数,其中包括最新多种数字电路单元产品的参数,其中包括最新多种数字电路单元产品的参数,其中包括最新的的的的GaAsGaAs器件和器件和器件和器件和IGBTIGBT器件模型参数,对器件模型参数,对器件模型参数,对器件模型参数,对MOSFETMOSFET器件器件器件器件还提供了还提供了还提供了还提供了6 6种不同级别的模型,适用于先进的亚微米种不同级别的模型,适用于先进的亚微米种不同级别的模型,适用于先进的亚微米种不同级别的
22、模型,适用于先进的亚微米工艺器件。工艺器件。工艺器件。工艺器件。n nPSpiceA/DPSpiceA/D为不同类别的元器件赋予不同的字母代为不同类别的元器件赋予不同的字母代为不同类别的元器件赋予不同的字母代为不同类别的元器件赋予不同的字母代号,如表号,如表号,如表号,如表1-11-1所示。电路图中不同元器件编号的首字所示。电路图中不同元器件编号的首字所示。电路图中不同元器件编号的首字所示。电路图中不同元器件编号的首字母必须按照字母代号选取。母必须按照字母代号选取。母必须按照字母代号选取。母必须按照字母代号选取。表表表表1-1PSpiceA/D1-1PSpiceA/D支持的元器件支持的元器件支
23、持的元器件支持的元器件类别类别及其字母代号(按字母及其字母代号(按字母及其字母代号(按字母及其字母代号(按字母顺顺序)序)序)序)备注备注备注备注:NN器件和器件和器件和器件和OO器件,是为混合电路中对数器件,是为混合电路中对数器件,是为混合电路中对数器件,是为混合电路中对数/模接口型结点模接口型结点模接口型结点模接口型结点进行接口电路转换而引进的等效器件。进行接口电路转换而引进的等效器件。进行接口电路转换而引进的等效器件。进行接口电路转换而引进的等效器件。2.PSpiceA/D2.PSpiceA/D分析的分析的分析的分析的电电路特性路特性路特性路特性PSpiceA/DPSpiceA/D可分析
24、的电路特性有可分析的电路特性有可分析的电路特性有可分析的电路特性有6 6类类类类1515种,如表种,如表种,如表种,如表1-21-2所示:所示:所示:所示:3.PSpiceA/D3.PSpiceA/D的配套功能软件(模块)的配套功能软件(模块)的配套功能软件(模块)的配套功能软件(模块)n n OrCADOrCAD软软软软件件件件包包包包中中中中进进进进行行行行电电电电路路路路模模模模拟拟拟拟分分分分析析析析的的的的核核核核心心心心软软软软件件件件是是是是PSpicePSpiceA/DA/D。为为为为更更更更快快快快更更更更好好好好地地地地进进进进行行行行模模模模拟拟拟拟工工工工作作作作,Or
25、CADOrCAD软软软软件件件件包包包包中中中中还还还还提提提提供供供供了了了了5 5个个个个配配配配套套套套软软软软件件件件(模模模模块块块块)。它们之间的相互关系如图它们之间的相互关系如图它们之间的相互关系如图它们之间的相互关系如图1-11-1所示所示所示所示n主主要要包包括括Schematics(图图形形编编辑辑程程序序)、PspiceA/D(仿仿真真分分析析程程序序)、Probe(图图形形后后处处理理程程序序)、StimulusEditor(信信号号源源编编辑辑程程序序)、Parts(元元器器件件模模型型参参数数提提取取程程序序)、Optimizer(电路优化程序)等(电路优化程序)等
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