模拟电路的cAD分析与设计 第1章绪论 第2章 Pspice电路分析功能介绍 第3章元器件与模型 第1章绪论 1.1电路设计与电路CAD工具 计算机辅助设计 (CAD Computer Aided Design) 电子设计自动化 (EDA: Electronic Design Automation) 作用:缩短周期;提高质量;降低成本 系统级系统仿真工具 大大促进了电 电路级了数字电路仿真工具 子行业的发展 模拟电路仿真工具 版图级集成电路设计工具
1 模拟电路的 模拟电路的CAD CAD分析与设计 分析与设计 第1章 绪论 第2章 Pspice 电路分析功能介绍 第3章 元器件与模型 第1章 绪论 1.1 电路设计与电路CAD工具 计算机辅助设计 (CAD :Computer Aided Design) 电子设计自动化 (EDA :Electronic Design Automation) 作用: 缩短周期；提高质量；降低成本 电路级 系统仿真工具 版图级 系统级 数字电路仿真工具 模拟电路仿真工具 集成电路设计工具 大大促进了电 子行业的发展 大大促进了电 子行业的发展
数字电路CAD工具(较成熟,自动化程度高): FPGA VHDL→系统综合→ Gate Array Standardsell 模拟电路CAD工具: SPICE (Simulation Program with IC Emphasis) 1972 UC Berkeley开发 1985C改写 电路分析度景高! 1988美国国家工业标准 (最底层) 流行版本 HSPICE-美国原 Meta software公司 PSPICE- Microsin公司 12电路仿真工具 PSpice的基本组成 1.六个基本模块 (1)电原理图输入程序 Schematics 电原理图→网单文件VHDL-AMS即 网单文件 将成为工业标准 2)激励源编辑程序 Stimulus editor (3)电路仿真程序 Pspice A/D-一核心 OUT文件(数据) DAT文件(图形) (4)输出结果绘图程序 Probe (5)模型参数提取程序 Parts (6)元器件模型库Lib 2
2 数字电路CAD工具(较成熟，自动化程度高)： FPGA Gate Array Standardsell VHDL 系统综合 1972 UC Berkeley 开发 1985 C改写 1988 美国国家工业标准 模拟电路CAD工具: SPICE (Simulation Program with IC Emphasis) 电路分析精度最高！ （最底层） 流行版本： HSPICE-----美国原Meta Software公司 PSPICE------ Microsim公司 1.2 电路仿真工具PSpice的基本组成 1. 六个基本模块 (1) 电原理图输入程序Schematics 电原理图→网单文件 网单文件 { VHDL－AMS 即 将成为工业标准 (2) 激励源编辑程序Stimulus Editor (3) 电路仿真程序Pspice A/D――核心 *.OUT 文件(数据) *.DAT 文件(图形) (4) 输出结果绘图程序Probe (5) 模型参数提取程序Parts (6) 元器件模型库Lib
2.各程序模块间的关系及设计流程 源激励器 电原理图或文件 *. sch 输入 schematic 网单 netlist LIB 电路仿真 Parts 绘图 Probe 修改电路 指标满足 要求 END 13 PSpice输入输出方式概述 13.1电路的输入语句和格式 R CC 4.语句说明 例1 加标号! RL 标题行 电路输入网单文件 CE AMPI 继续行 RB32220K RC 3 4 3K +Is=1E-15BF=100 RL 50 10K 电路描+RB=50VAF=100注释行 CI 2 10UF 述语句 +CJC=2P TF=0.35N C2454.7 RTHIS ISA MODEL 分析类型语句 VCO AC DEC 10 10 IOMEG VI 10 AC O PROBE MODEL M 结束语句厂 END 输出描述语句 3
3 2. 各程序模块间的关系及设计流程 电原理图或文件 输入schematic 电路仿真 绘图Probe 指标满足 要求? END 修改电路 源激励器 LIB Parts *.sch 网单netlist ↓ ← *.cir ↓ ← *.out *.dat N Y Q1 RB vi RC RL VCC C1 C2 1.3 PSpice输入输出方式概述 1.3.1 电路的输入语句和格式 1．语句说明 例1 0 2 3 4 5 CE AMP1 RB 3 2 220K RC 3 4 3K RL 5 0 10K C1 1 2 10UF C2 4 5 4.7UF Q1 4 2 0 MQ VCC 3 0 12 VI 1 0 AC 1 0 .MODEL MQ NPN + IS=1E-15 BF=100 +RB=50 VAF=100 +CJC=2P TF=0.35NS *THIS IS A MODEL .OP .AC DEC 10 10 10MEG .PROBE .END 1 加标号! 电路输入网单文件: 标题行 标题行 继续行 继续行 电路描 述语句 电路描 述语句 注释行 注释行 分析类型语句 分析类型语句 结束语句 结束语句 输出描述语句 输出描述语句
2. PSpice一些规定 ◆节点标号(不允许有悬浮节点,0为地节点) ◆输入文件名(CIR) 不分大小写 ◆单位( QFHHZVA°) ◆比例因子 M-103;MEG-10°; K-103:G-109:T-1012 U-10-6;N-109;P-10-12:F-10 在 Probe界面中M→106;m→103 13.2输出变量和输出语句 1.输出变量 ●输出电压(V) V(2)V(2,3)vC(Q1)vCE(Q1) ●输出电流(I) I(VS)I(RD IB(QD ●参见表1.32~表134 2.输出命令 (1)文本打印命令 PRINT ●语句格式 PRINT PRTYPE OVI ↓ 关键字分析类型 输出变量
4 2. PSpice的一些规定 节点标号 （不允许有悬浮节点，0为地节点） 输入文件名(*.CIR) 不分大小写 单位 (Ω F H Hz V A ° ) 比例因子 M--10-3; MEG--106; K --103; G--109; T--1012; U-- 10-6; N-- 10-9; P-- 10-12; F-- 10 -15 *** 在Probe界面中 M→106 ; m→10-3 *** 2. PSpice的一些规定 节点标号 （不允许有悬浮节点，0为地节点） 输入文件名(*.CIR) 不分大小写 单位 (Ω F H Hz V A ° ) 比例因子 M--10-3; MEG--106; K --103; G--109; T--1012; U-- 10-6; N-- 10-9; P-- 10-12; F-- 10 -15 *** 在Probe界面中 M→106 ; m→10-3 *** 1.3.2 输出变量和输出语句 1. 输出变量 z 输出电压( V ) V(2) V(2 , 3) VC(Q1) VCE(Q1) z 输出电流( I ) I(VS) I(R1) IB(Q1) z 参见表1.3.2～表1.3.4 2. 输出命令 (1) 文本打印命令 .PRINT z语句格式 .PRINT PRTYPE OV1 ↓↓ ↓ 关键字 分析类型 输出变量 1.3.2 输出变量和输出语句 1. 输出变量 z 输出电压( V ) V(2) V(2 , 3) VC(Q1) VCE(Q1) z 输出电流( I ) I(VS) I(R1) IB(Q1) z 参见表1.3.2～表1.3.4 2. 输出命令 (1) 文本打印命令 .PRINT z语句格式 .PRINT PRTYPE OV1 ↓↓ ↓ 关键字 分析类型 输出变量
举例: PRINT DC V(4)V(5) 输出一张数据表格,存于OUT文件中 VIN V(5) -1.250E016.363E+00-7954E-01 1.200E-016.299E+00-7.897E-01 1.150E-016.234E+00-7.838E-01 1.100E016.170E+00-7.779E-01 1.050E-016.105E+00-7.719E-01 1.000E-016.040E+00-7.658E-01 -9.500E-025975E+00-7.596E-01 9.000E-025.910E+00-7.532E-01 8.500E-025.845E+00-7467E-01 (2)文本绘图语句PLOT ●语句格式 PLOT PLTYPE OVI 举例: PLOT TRAN V(4,5) 输出图形曲线,数据存于OUT文件中 IME v(4.5) )-4.0E+00-200E+00.000E+002.0000E+004.00E+00 (+)-4.0000E+01-2.00E+010.000E+0020000E+0140000E+0 0.000E+001.430E-13 01 6.000E8-1.611E 8.000E08-2.260E+D 1m47123: 1.600E·07696 2.800E-07-1854E+00 3.000E-07-2.156E+0 5
5 举例: .PRINT DC V(4) V(5) 输出一张数据表格，存于.OUT文件中 VIN V(4) V(5) -1.250E-01 6.363E+00 -7.954E-01 -1.200E-01 6.299E+00 -7.897E-01 -1.150E-01 6.234E+00 -7.838E-01 -1.100E-01 6.170E+00 -7.779E-01 -1.050E-01 6.105E+00 -7.719E-01 -1.000E-01 6.040E+00 -7.658E-01 -9.500E-02 5.975E+00 -7.596E-01 -9.000E-02 5.910E+00 -7.532E-01 -8.500E-02 5.845E+00 -7.467E-01 VIN V(4) V(5) -1.250E-01 6.363E+00 -7.954E-01 -1.200E-01 6.299E+00 -7.897E-01 -1.150E-01 6.234E+00 -7.838E-01 -1.100E-01 6.170E+00 -7.779E-01 -1.050E-01 6.105E+00 -7.719E-01 -1.000E-01 6.040E+00 -7.658E-01 -9.500E-02 5.975E+00 -7.596E-01 -9.000E-02 5.910E+00 -7.532E-01 -8.500E-02 5.845E+00 -7.467E-01 (2) 文本绘图语句 .PLOT z语句格式 .PLOT PLTYPE OV1 举例: .PLOT TRAN V(4,5) 输出图形曲线，数据存于.OUT文件中 TIME V(4,5) (*)---------- -4.0000E+00 -2.0000E+00 0.0000E+00 2.0000E+00 4.0000E+00 (+)---------- -4.0000E+01 -2.0000E+01 0.0000E+00 2.0000E+01 4.0000E+01 0.000E+00 1.430E-13 . . X . . 2.000E-08 -2.112E-01 . . X. . . 4.000E-08 -8.343E-01 . . X . . . 6.000E-08 -1.611E+00 . . X . . . 8.000E-08 -2.260E+00 . X . . . . 1.000E-07 -2.520E+00 . X . . . . 1.200E-07 -2.267E+00 . X . . . . 1.400E-07 -1.575E+00 . . X . . . 1.600E-07 -6.903E-01 . . X . . . 1.800E-07 4.984E-02 . . X . . 2.000E-07 4.072E-01 . . . X . . 2.200E-07 2.341E-01 . . . X . . 2.400E-07 -3.800E-01 . . X . . . 2.600E-07 -1.180E+00 . . X . . . 2.800E-07 -1.854E+00 . .X . . . 3.000E-07 -2.156E+00 . X. . . . TIME V(4,5) (*)---------- -4.0000E+00 -2.0000E+00 0.0000E+00 2.0000E+00 4.0000E+00 (+)---------- -4.0000E+01 -2.0000E+01 0.0000E+00 2.0000E+01 4.0000E+01 0.000E+00 1.430E-13 . . X . . 2.000E-08 -2.112E-01 . . X. . . 4.000E-08 -8.343E-01 . . X . . . 6.000E-08 -1.611E+00 . . X . . . 8.000E-08 -2.260E+00 . X . . . . 1.000E-07 -2.520E+00 . X . . . . 1.200E-07 -2.267E+00 . X . . . . 1.400E-07 -1.575E+00 . . X . . . 1.600E-07 -6.903E-01 . . X . . . 1.800E-07 4.984E-02 . . X . . 2.000E-07 4.072E-01 . . . X . . 2.200E-07 2.341E-01 . . . X . . 2.400E-07 -3.800E-01 . . X . . . 2.600E-07 -1.180E+00 . . X . . . 2.800E-07 -1.854E+00 . .X . . . 3.000E-07 -2.156E+00 . X. . .
(3)绘图软件包调用语句 PROBE ●语句格式 PROBE 举例 PROBE PROBE V(3) 输出图形曲线,数据存于DAT文件中 a 100mU UP(o+) 1叫z3非NHz Frequency 第2章 PSpice.主要分析功能介绍 ●主要分析功能概述 1.直流分析 3瞬态分析时域分析) (1)工作点分析 (1)瞬态响应TRAN (2)直流扫描分析DC(2)付立叶分析 (3)直流传输特性分析TF (谐波失真分析)FOUR 2.交流小信号分析(频域分析 4.温度分析TEMP (1)频响特性分析AC 5.容差分析 (2)噪声分析 NOISE 6.灵敏度分析
6 (3) 绘图软件包调用语句 .PROBE z语句格式 .PROBE 举例: .PROBE .PROBE V(3) V(3 , 4) 输出图形曲线，数据存于.DAT文件中 第2章 PSpice的主要分析功能介绍 z主要分析功能概述 1. 直流分析 (1) 工作点分析 .OP (2) 直流扫描分析 .DC (3) 直流传输特性分析 .TF 1. 直流分析 (1) 工作点分析 .OP (2) 直流扫描分析 .DC (3) 直流传输特性分析 .TF 2. 交流小信号分析(频域分析) (1) 频响特性分析 .AC (2) 噪声分析 .NOISE 2. 交流小信号分析(频域分析) (1) 频响特性分析 .AC (2) 噪声分析 .NOISE 3. 瞬态分析(时域分析) (1) 瞬态响应 .TRAN (2) 付立叶分析 （谐波失真分析）.FOUR 3. 瞬态分析(时域分析) (1) 瞬态响应 .TRAN (2) 付立叶分析 （谐波失真分析）.FOUR 4. 温度分析 .TEMP 5. 容差分析 6. 灵敏度分析 4. 温度分析 .TEMP 5. 容差分析 6. 灵敏度分析
21直流工作点和直流扫描分析 211直流工作点分析(OP) 1功能:计算电路的直流工作点 2语句格式:.OP 输出信息 (1)电路所有节点电压 2)所有电压源的电流和总功耗 (3)所有晶体管的偏置电压,各级电流等。 4)所有晶体管在此工作点下的交流小信号 线性化模型参数。 输出文件OUT 注意:在, AC TRAN前自动进行OP 03/180110:51:45** PSpice5.0(Jul1991)ID#62594 A CE AMP SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE= 27.000 DEG C NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE OLTAGE (1)0.0000 (2).6702 (4)9.9475 (5)12.0000(6)0.0000 VOLTAGE SOURCE CURRENTS NAME CURRENT 0.000E+00 VBB8.656E06 VCC 1.026E03 TOTAL POWER DISSIPATION 1.23E-02 WATTS
7 2.1 直流工作点和直流扫描分析 2.1.1 直流工作点分析( .OP) 1.功能: 计算电路的直流工作点 2.语句格式: .OP .输出信息 (1)电路所有节点电压。 (2)所有电压源的电流和总功耗。 (3)所有晶体管的偏置电压，各级电流等。 (4)所有晶体管在此工作点下的交流小信号 线性化模型参数。 .输出文件 *.OUT .输出信息 (1)电路所有节点电压。 (2)所有电压源的电流和总功耗。 (3)所有晶体管的偏置电压，各级电流等。 (4)所有晶体管在此工作点下的交流小信号 线性化模型参数。 .输出文件 *.OUT 注意：在 注意：在.AC .TRAN .AC .TRAN前自动进行 前自动进行.OP .OP **** 03/18/01 10:51:45 ********* PSpice 5.0 (Jul 1991) ******** ID# 62594 A CE AMP SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG C ****************************************************************** NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE OLTAGE ( 1 ) 0.0000 ( 2 ) .6702 ( 3 ) .8000 ( 4 ) 9.9475 ( 5 ) 12.0000 ( 6 ) 0.0000 VOLTAGE SOURCE CURRENTS NAME CURRENT VI 0.000E+00 VBB -8.656E-06 VCC -1.026E-03 TOTAL POWER DISSIPATION 1.23E-02 WATTS **** 03/18/01 10:51:45 ********* PSpice 5.0 (Jul 1991) ******** ID# 62594 A CE AMP SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG C ****************************************************************** NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE OLTAGE ( 1 ) 0.0000 ( 2 ) .6702 ( 3 ) .8000 ( 4 ) 9.9475 ( 5 ) 12.0000 ( 6 ) 0.0000 VOLTAGE SOURCE CURRENTS NAME CURRENT VI 0.000E+00 VBB -8.656E-06 VCC -1.026E-03 TOTAL POWER DISSIPATION 1.23E-02 WATTS
来来实 BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS NAME Q MODEL q IB 8.66E-06 1.03E-03 BE6.70E01 VBC 928E+00 VCE 995E+00 BETADC 119E+02 GM 3.97E-02 RPI 2.99E+03 RX 1.00E+02 RO 5.78E+04 CBE 1.47E-11 CBC 1.06E-12 CBX 0.00E+00 CJS 0.00E+00 BETAAC 119E+02 FT 4.01E+08 2.1.2直流扫描分析 1.功能 计算输出变量随独立源或元件参数步进变化的相应变化曲 线 2.格式 DC SVAR START STOP SINC + 3.扫描类型( STYPE)4扫描变量(SAR) ●线性扫描LIN ●独立电压源或电流源 ●数量级扫描DEC ●元件值需配合 MODEL语句) ●倍频程扫描OCT ●温度 ●列表扫描LIST ●模型参数(在 MODEL语句中)
8 **** BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS NAME Q1 MODEL mq IB 8.66E-06 IC 1.03E-03 VBE 6.70E-01 VBC -9.28E+00 VCE 9.95E+00 BETADC 1.19E+02 GM 3.97E-02 RPI 2.99E+03 RX 1.00E+02 RO 5.78E+04 CBE 1.47E-11 CBC 1.06E-12 CBX 0.00E+00 CJS 0.00E+00 BETAAC 1.19E+02 FT 4.01E+08 **** BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS NAME Q1 MODEL mq IB 8.66E-06 IC 1.03E-03 VBE 6.70E-01 VBC -9.28E+00 VCE 9.95E+00 BETADC 1.19E+02 GM 3.97E-02 RPI 2.99E+03 RX 1.00E+02 RO 5.78E+04 CBE 1.47E-11 CBC 1.06E-12 CBX 0.00E+00 CJS 0.00E+00 BETAAC 1.19E+02 FT 4.01E+08 2.1.2 直流扫描分析 1. 功能 计算输出变量随独立源或元件参数步进变化的相应变化曲 线。 2. 格式 .DC SVAR START STOP SINC + 3. 扫描类型(STYPE) z线性扫描 LIN z数量级扫描 DEC z倍频程扫描 OCT z列表扫描 LIST 4. 扫描变量(SVAR) z独立电压源或电流源 z元件值(需配合 .MODEL语句) z温度 z模型参数(在.MODEL语句中)
5.举例 ① DC LIN VI230.1 ②DCⅤCE0101IB050U10U ③RB23RMOD1 MODEL RMOD RES(R=1O) DC RES RMOD(R) IK 300K 10K ④. DC TEMIP LIST-100 10 说明 ●直流扫描可嵌套第一个扫 描为内循环,第二个扫描为 外循环 ●通用参数扫描语句STEP 见2.7节 注意:STEP对所有分析进 行参数扫描,直流、交流、 瞬态) 22直流小信号传输函数分析(TF) 1.功能 计算工作点处直流(低频)小信号增益值和输 入、输出电阻 2.语句格式 TF OUTVAR INSRC 3举例(例221) OP TF V(4) VS 只适用于直 4输出计算结果 流耦合电路! 存在out文件
9 5. 举例 c .DC LIN VI -2 3 0.1 d .DC VCE 0 10 1 IB 0 50U 10U e RB 2 3 RMOD 1 .MODEL RMOD RES(R=10) .DC RES RMOD(R) 1K 300K 10K f .DC TEMP LIST -10 0 10 说明: z直流扫描可嵌套,第一个扫 描为内循环, 第二个扫描为 外循环 z通用参数扫描语句 .STEP , 见2.7节 注意：.STEP 对所有分析进 行参数扫描，直流、交流、 瞬态） 说明: z直流扫描可嵌套,第一个扫 描为内循环, 第二个扫描为 外循环 z通用参数扫描语句 .STEP , 见2.7节 注意：.STEP 对所有分析进 行参数扫描，直流、交流、 瞬态） 2.2 直流小信号传输函数分析( .TF ) 1. 功能 计算工作点处直流 ( 低频 ) 小信号增益值和输 入、输出电阻 2. 语句格式 .TF OUTVAR INSRC 3. 举例 (例 2.2.1) .OP .TF V(4) VS 4.输出计算结果 存在.out 文件 只适用于直 流耦合电路! 只适用于直 流耦合电路!
24交流小信号分析(AC) ∠1.功能 交流、小信号、线性、频域分析 用来计算频响特性曲线、输入和输出阻抗等 语句格式 AC LIN N FSTART FSTOP AC DEC ND FSTART FSTOP AC OCT NO FSTART FSTOP 扫描类型点数起始频率终止频率 3.举例 AC LIN20K20K注意:此时的激励源是 AC DEC 2 11KAC源(常用单位源) 如s10AC10 25瞬态分析 1.功能 时域分析,计算电路的时域响应波形。 2.语句格式 TRAN TSTEP TSTOP 3.举例 TRAN INS 100NS RAN 1US 500US 200US TRAN 5NS 200NS 0 INS 4.几点说明 ●输出时间增量的选择 ●计算时间的选择 ●瞬态分析常用信号源(瞬时源:脉冲、正弦…) ●瞬态分析变量及波形显示 ●初始条件设置 10
10 2.4 交流小信号分析( .AC) 1. 功能 交流、小信号、线性、频域分析。 用来计算频响特性曲线、输入和输出阻抗等。 2. 语句格式 .AC LIN NP FSTART FSTOP .AC DEC ND FSTART FSTOP .AC OCT NO FSTART FSTOP ↓ ↓↓ ↓ ↓ 扫描 类型 点数 起始频率 终止频率 3. 举例 .AC LIN 20 1K 20K .AC DEC 2 1 1K 注意：此时的激励源是 AC源 (常用单位源) 如 VS 1 0 AC 1 0 注意：此时的激励源是 AC源 (常用单位源) 如 VS 1 0 AC 1 0 2.5 瞬态分析 1. 功能 时域分析，计算电路的时域响应波形。 2. 语句格式 .TRAN TSTEP TSTOP 3. 举例 .TRAN 1NS 100NS .TRAN 1US 500US 200US .TRAN 5NS 200NS 0 1NS 4. 几点说明 z输出时间增量的选择 z计算时间的选择 z瞬态分析常用信号源(瞬时源：脉冲、正弦…) z瞬态分析变量及波形显示 z初始条件设置