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CAE供应商选型之PSPICE篇

2017/12/29    来源:e-works        
关键字:PSPICE  
       1、 PSPICE简介

      PSPICE是由SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)发展而来的用于微机系列的通用电路分析程序。于1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用FORTRAN语言开发而成,主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。

      用于模拟电路仿真的SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)软件于1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用FORTR AN语言开发而成,主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。SPICE的正式版SPICE 2G在1975年正式推出,但是该程序的运行环境至少为小型机。1985年,加州大学伯克利分校用C语言对SPICE软件进行了改写, 并由MICROSIM公司推出。1988年SPICE被定为美国国家工业标准。与此同时,各种以SPICE为核心的商用模拟电路仿真软件,在SPICE的基础上做了大量实用化工作,从而使SPICE成为最为流行的电子电路仿真软件。

      2、 PSPICE产品及解决方案介绍

电路原理图编辑程序 Schematics

PSPICE的输入有两种形式,一种是网单文件(或文本文件)形式,一种是电路原理图形式,相对而言后者比前者较简单直观,它既可以生成新的电路原理图文件,又可以打开已有的原理图文件。电路元器件符号库中备有各种原器件符号,除了电阻,电容,电感,晶体管,电源等基本器件及符号外,还有运算放大器,比较器等宏观模型级符号,组成电路图,原理图文件后缀为.sch。图形文字编辑器自动将原理图转化为电路网单文件以提供给模拟计算程序运行仿真。

激励源编辑程序 Stimulus Editor

PSPICE中有很丰富的信号源,如正弦源,脉冲源,指数源,分段线性源,单频调频源等等。该程序可用来快速完成各种模拟信号和数字信号的建立与修改,并且可以直观而方便的显示这些信号源的波形。

电路仿真程序 PSPICE A/D

模拟计算程序是PSPICE A/D也叫做电路仿真程序,它是软件核心部分。在PSPICE 4.1版本以上,该仿真程序具有数字电路和模拟电路的混合仿真能力。它接收电路输入程序确定的电路拓扑结构和原器件参数信息,经过原器件模型处理形成电路方程,然后求解电路方程的数值解并给出计算结果,最后产生扩展名为.dat的数据文件(给图形后处理程序Probe)和扩展名为.out的电路输出文本文件。模拟计算程序只能打开扩展名为.cir的电路输入文件,而不能打开扩展名为.sch 的电路输入文件。因此在Schemayics环境下,运行模拟计算程序时,系统首先将原理图.sch文件转换为.cir文件,而后再启动PSPICE A/D进行模拟分析。

输出结果绘图程序 Probe

Probe程序是PSPICE的输出图形后处理软件包。该程序的输入文件为用户作业文本文件或图形文件仿真运行后形成的后缀为.dat的数据文件。它可以起到万用表,示波器和扫描仪的作用,在屏幕上绘出仿真结果的波形和曲线。随着计算机图形功能的不断增强,PC机上windows95,98,2000/XP的出现,Probe的绘图能力也越来越强。

模型参数提取程序 Model Editor

电路仿真分析的精度和可靠性主要取决于元器件模型参数的精度。尽管PSPICE的模型参数库中包含了上万种元器件模型,但有时用户还是根据自己的需要而采用自己确定的元器件的模型及参数。这时可以调用模型参数提取程序Model ED从器件特性中提取该器件的模型参数。

元件模型参数库 LIB

PSPICE具有自建的元件模型,元件的建立以元件的物理原理为基础,模型参数与物理特性密切相关。元件的等效模型还有其工作条件与分析要求相关。在直流分析中,非线性元件的等效模型是小信号线性等效电路;在瞬态分析中,非线性元件的等效模型考虑到了电荷存储效应。双极管型晶体管采用GUMMEL-POON的积分电荷控制模型,结型场效应管采用SHICHMAN-HODGFS的场效应管模型。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。MOS1由I-V特性来描述,MOS2是一个解析模型,MOS3是一种半经验模型。除了分立元件参数库以外,还有集成电路的宏模型库,并提供了一些著名器件和IC生产厂家的专有元器件参数库。

模拟功能

SPICE程序的主要功能有非线性直流分析、非线性暂态分析、线性小信号交流分析、灵敏度分析和统计分析。
4.1 直流分析
非线性直流分析功能简称直流分析。它是计算直流电压源或直流电流源作用于电路时电路的工作状态。对电路进行的直流分析主要包括直流工作点分析、直流扫描分析和转移函数分析。
直流工作点是电路正常工作的基础。通过对电路进行直流工作点的分析,可以知道电路中各元件的电压和电流,从而知道电路是否正常工作以及工作的状态。一般在对电路进行仿真的过程中,首先要对电路的静态工作点进行分析和计算。
直流扫描分析主要是将电路中的直流电源、工作温度、元件参数作为扫描变量,让这些参量以特定的规律进行扫描,从而获取这些参量变化对电路各种性能参数的影响。直流扫描分析主要是为了获得直流大信号暂态特性。
与直流扫描分析相类似的还有温度分析。在这种分析过程中,将电路的温度作为扫描变量进行分析。因为电路的主要器件的特性都是与温度有关的,所以这就为分析电路在环境变化是的工作情况提供了一种非常有用的工具。特别重要的是,通过这种分析,我们可以预测电路在某些特殊环境如极端温度条件或极端电源电压条件或元件开路短路条件下电路的工作情况,从而在进行电路设计时采取必要的预防措施。
4.2 暂态分析
非线性暂态分析简称为暂态分析。暂态分析计。算电路中电压和电流随时间的变化,即电路的时域分析。这种分析在输入信号为时变信号时显得尤为重要。时域分析是指在某一函数激励下电路的时域响应特性。通过时域分析,设计者可以清楚地了解到电路中各点的电压和电流波形以及它们的相位关系,从而知道电路在交流信号作用下的工作状况,检查它们是否满足电路设计的要求。
4.3 交流分析
线性小信号交流分析简称为交流分析。它是SPICE程序的主要分析功能。它是在交流小信号的条件下,对电路的非线性元件选择合适的线性模型将电路在直流工作点附近线性化,然后在用户指定的范围内对电路输入一个扫频信号,从而计算出电路的幅频特性、相频特性、输入电阻、输出电阻等。这种分析等效于电路的正弦稳态分析即频域分析。频域分析用于分析电路的频域响应即频率响应特性。这种分析主要用于分析电路的幅频特性和相频特性。
小信号转移特性分析主要分析在小信号输入的情况下,电路的各种转移函数,通常分析的是电路的电压放大倍数。
噪声分析是电路设计的重要内容之一。在模拟电路中,无源器件和有源器件均会产生噪声,主要包括电阻上产生的热噪声,半导体器件产生的散粒噪声和闪烁噪声。在噪声分析时,将元件的噪声等效为一个输入信号进行交流分析。通过噪声分析可以计算出各器件在某一输出节点产生的总噪声以及某一输入节点的等效输入噪声。从而可以分析一个电路产生噪声的主要来源,采取一定的电路设计措施来减小噪声的影响。
4.4 灵敏度分析
灵敏度分析包括直流灵敏度分析和蒙特卡罗分析两种。
直流灵敏度分析业称为灵敏度分析。它是在工作点附近将所有的元件线性化后,计算各元器件参数值变化时对电路性能影响的敏感程度。通过对电路进行灵敏度分析,可以预先知道电路中的各个元件对电路的性能影响的重要程度。对于那些对电路性能有重要影响的元件,要在电路的生产或元件的选择时给予特别的关注。
4.5 统计分析
统计分析主要包括蒙特卡罗分析和最坏情况分析。蒙特卡罗分析是在考虑到器件参数存在容差的情况下,分析电路在直流分析、交流分析或暂态分析时电路特性随器件容差变化的情况。另一种统计分析是最坏情况分析,它不仅对各器件参数的变化逐一进行分析,得到单一器件对电路性能的灵敏度分析,同时分析各器件容差对电路性能的最大影响量(最坏情况分析),从而达到优化电路的目的。
PSPICE10.5个人认为它最为突出之处,是改进了其9.2版本,使绘制电路,以及仿真算法更加优化,更加节省时间(以前进行1S的仿真如果取点ms级,那将是非常恐怖的事情),而且蒙特卡罗分析和最坏情况分析有助于我们模拟在不同温度和环境,以及元件损坏的情况下电路的实现过程及结果,那么我们就知道电路的弱点,以及电路中的最重要元件,就可以相应的对其采取保护、散热等措施。
最后,如果想知道对模拟电路,数字电路的5种分析方法及解决办法,可以联系我,帮助大家解决。
4.6 .cir 文件转换为 .olb库文件
经常碰到orcad仿真库中找不到某些器件的情况,但是从这些器件的厂家网站上往往可以下到其spice model,一般是.cir文件,下面介绍一下如何使用这些.cir文件。以AD8131.cir为例。
首先,运行Model Editor (in PSpice Accessories在附件内,不在capture/capture cis里面) ,打开ADAD8131.cir文件,另存为(save as)AD8131.lib,add this to pspice library,for simulation purpose.
(注意:tools->options->schematic 选择 "capture",否则无法进行"Export to capture..")
use File->Export to capture part library…,to generate AD8131.olb,add this to capture library,this can perform circuit connection.
when you run simulation,open simulation setting\configurationfile\library addthe AD8131.lib to this design.
5、PSPICE的发展
目前为止,PSpice的版本已经发展到16.6,包含在OrCAD 16.6 release 当中。PSpice仿真功能从严格意义上讲已经发展演变为两大模块,一个是基本分析模块,简称PSpice A/D,另外一个是高级分析模块,简称PSpice AA,AD部分的功能在上文中已经做过介绍,此处不再赘述。而AA是近些年PSpice 不断加强和扩展的一个功能,AA部分的功能与生产方面结合的更为紧密,仿真分析中考虑的问题更加全面。
AA部分的功能主要有以下这几个方面:
l 灵敏度分析
灵敏度分析是为了确定电路中对指定电路特性影响最大的关键元器件参数,以便进行优化分析,所以灵敏度分析是参数优化设计的前提和基础;对于高灵敏度的电路,可选择高精度的元器件,而对于低灵敏度的电路,可采用容差大一些的元器件,所以灵敏度分析还是容差分析的基础。
l 优化分析
在电路设计过程当中,为了达到设计指标,一些电子元器件的参数是需要调整的,传统设计中,这写参数的调整和计算是手工进行的,依靠的是设计师的经验和计算得来,但是在PSpice AA当中,这些参数的调整可以有仿真工具自动完成,非常方便,而且速度非常快,大大节省了电路的调试时间。
l 蒙特卡诺分析
蒙特卡罗工具与PSpice A/D中的Monte Carlo分析功能是相同的,但是在分析能力和显示分析结果上有很大的改进,两者独立运行,无任何关联。在AA当中,用户可以直接对多个指标同时进行蒙托卡诺分析,快速得到产品的成品率信息。
l 电应力分析
元器件所承受的电应力指的是工作电压、工作电流以及热应力(比如工作温度)。
电子电路在工作过程中,常因某(些)个元器件承受的电应力超出其安全工作条件,因此降低了可靠性,严重地导致冒烟烧毁。因此,“冒烟报警”提高电路工作的可靠性,对一些安全性要求较高的电路需要采用降额设计。
l 参数测绘仪
参数测绘仪是Parametric Sweep的一个全面提升。它不仅可以同时进行多个复杂参数功能的扫描;还可以在Probe窗口中通过表格与绘图形式更美观和有效的分析扫描结果。用户可以方便的看到参数变化对电路性能的影响,已经性能改变的趋势。
高级分析的操作流程
l 在完成经典PSpice分析后必须为相应元器件设置高级分析参数,然后才能进入PSpice-AA。
l 通常情况是先进行灵敏度(sensitivity)分析:以便确定电路中对电路特性影响最大元器件参数。
l 针对这几个关键元器件参数,调用参数优化(Optimizer):进行优化设计,优化关键元器件参数。
l 由于优化设计所得的优化元器件参数还是一种标称值设计,而实际采用的各个元器件不可能都是标称值,具有一定的分散性。调用蒙特卡罗(Monte Carlo)分析:预测电路成品率,分析其可生产性。
l 满足上述要求的条件下,还需要检查电路中是否存在个别元器件受到超出其安全工作条件的应力作用,如出现这种情况会降低电路的可靠性。因此,设计最后一关时,就需要调用热电应力分析(smoke冒烟报警)以提高电路的可靠性
通过了AD分析之后的电路,基本上可以满足我们的性能指标要求,当电路通过AA分析之后,电路的性能指标基本上可以满足制造生产的需求,不会出现成品率太差或者工作不安全等状况。
责任编辑:王阳
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