1、第11章 Protel 2004電路仿真11.411.511.6電路仿真的基本概念Protel 2004仿真元件庫初始狀態的設置電路仿真仿真器的設置電路仿真實例11.1 電路仿真的基本概念1仿真元件在仿真電路中，只有具有“Simulation”（仿真）屬性的元件才可用于電路仿真，該元件也叫仿真元件，如圖11.1所示。元件的仿真屬性11.1 電路仿真的基本概念如果仿真檢查時發現有元件沒有定義仿真屬性，用戶可在圖11.1中“Type”下“Simulation”的位置右擊鼠標，在彈出的菜單中選擇“Add”命令，系統將彈出如圖11.2所示的模型選擇對話框，從中選擇“Simula

2、tion”模型即可。模型選擇對話框11.1 電路仿真的基本概念2仿真激勵源只有在輸入信號作用下，仿真電路才會正常工作。該輸入信號被稱為仿真激勵源。在電路原理圖中雖然也使用了VCC等表示提供電源的節點，但是這些符號僅表示電路連接的電源端子，而并沒有真正表示在電路中添加了電源器件。3網絡標號如果在某個節點上設置網絡標號，用戶就可以觀察該節點上的電壓及電流的變化情況。設置網絡標號可通過單擊菜單“Place”“Net Label”命令實現，要注意設置網絡標號一定要放在元件引腳的外端點或導線上，否則該節點將不會出現在如圖11.40所示的仿真分析設置對話框中的“Available Signals”列表欄內

3、。11.1 電路仿真的基本概念4仿真電路原理圖根據仿真元件和仿真激勵源繪制的原理圖就是仿真電路原理圖，也是仿真的對象。如圖11.3所示就是一個仿真原理圖，它由交流電壓源（即仿真激勵源）及具有仿真屬性的電阻、電容等元件組成，其中“VIN”及“VOUT”為網絡標號。5仿真方式Protel 2004提供了多種仿真方式，用戶可根據需要來選擇電路的仿真方式。仿真原理圖11.1 電路仿真的基本概念6電路仿真的基本流程（1）加載仿真元件庫（2）選擇仿真元件（3）繪制仿真原理圖（4）對仿真原理圖進行ERC（5）對仿真器進行設置（6）電路仿真11.1 電路仿真的基本概念7仿真激勵源工具欄Protel 2004為

4、仿真提供了一個激勵源工具欄，便于用戶進行仿真操作。單擊菜單“View”“Toolbars”“Utilities”命令，打開實用工具欄，然后選擇激勵源工具欄命令，即可得到如圖11.4所示的仿真激勵源工具欄。在仿真時，用戶可以從中選取合適的激勵源添加到仿真原理圖中。11.2 Protel 2004仿真元件庫Protel 2004為用戶提供了大部分常用的仿真元件，打開C:Program FilesAltium2004LibrarySimulation目錄，可見仿真元件庫，如圖11.5所示。 Protel 2004仿真元件庫11.2.1 仿真數學函數元件庫仿真數學函數元件庫Simulation Mat

5、h Function.IntLib中主要是一些仿真數學函數，如求正弦、余弦、反正弦、反余弦、開方、絕對值等。用戶可使用這些函數對電路中的信號進行數學計算，從而獲得需要的仿真信號。如圖11.6所示為一個對電壓取絕對值的仿真數學函數ABSV，其中V為輸入，Q為輸出。仿真數學函數“ABSV”11.2.2 仿真信號源元件庫1直流源直流源用來為仿真電路提供不變的電壓或電流激勵源。直流源包含了如圖11.7所示的直流電壓源VSRC和直流電流源ISRC兩種直流源元件，其參數設置對話框如圖11.8所示（雙擊圖11.1中“Simulation”項可打開該對話框）。直流源的符號直流源參數設置對話框11.2.2 仿真

6、信號源元件庫2正弦波形源正弦波形源用來為仿真電路提供正弦的電壓或電流激勵源。正弦波形源包含了如圖11.9所示的正弦波形電壓源VSIN和正弦波形電流源ISIN兩種正弦波形源元件，其參數設置對話框如圖11.10所示。正弦波形源的符號 正弦波形源參數設置對話框11.2.2 仿真信號源元件庫3周期脈沖源周期脈沖源用來為仿真電路提供周期性的連續脈沖電壓或電流激勵源。周期脈沖源包含了如圖11.11所示的周期脈沖電壓源VPULSE和周期脈沖電流源IPULSE兩種周期脈沖源元件，其參數設置對話框如圖11.12所示。 周期脈沖源的符號周期脈沖源參數設置對話框11.2.2 仿真信號源元件庫4分段線性源分段線性源用

7、來為仿真電路提供任意波形的電壓或電流激勵源。分段線性源包含了如圖11.13所示的分段線性電壓源VPWL和分段線性電流源IPWL兩種分段線性源元件，其參數設置對話框如圖11.14所示。分段線性源的符號分段線性源參數設置對話框11.2.2 仿真信號源元件庫5指數激勵源指數激勵源用來為仿真電路提供上升沿或下降沿按指數規律變化的電壓或電流激勵源。指數激勵源包含如圖11.15所示的指數激勵電壓源VEXP和指數激勵電流源IEXP兩種指數激勵源元件，其參數設置對話框如圖11.16所示。指數激勵源的符號指數激勵源參數設置對話框11.2.2 仿真信號源元件庫6單頻調頻源單頻調頻源用來為仿真電路提供單頻調頻波的電

8、壓或電流激勵源。單頻調頻源包含了如圖11.17所示的單頻調頻電壓源VSFFM和單頻調頻電流源ISFFM兩種單頻調頻源元件，其參數設置對話框如圖11.18所示。單頻調頻源的符號 單頻調頻源參數設置對話框11.2.2 仿真信號源元件庫7線性受控源線性受控源包含如圖11.19所示的線性電壓控制電流源GSRC、線性電壓控制電壓源ESRC、線性電流控制電流源FSRC及線性電流控制電壓源HSRC共4種線性受控源元件，其參數設置對話框如圖11.20所示。 線性受控源的符號線性受控源參數設置對話框11.2.2 仿真信號源元件庫8非線性受控源非線性受控源在仿真電路中可以由用戶定義的函數關系表達式產生所需的電壓或

9、電流激勵源。非線性受控源包含了如圖11.21所示的非線性受控電壓源BVSRC和非線性受控電流源BISRC兩種非線性受控源元件，其參數設置對話框如圖11.22所示。 非線性受控源的符號 非線性受控源參數設置對話框11.2.3 仿真專用函數元件庫仿真專用函數元件庫Simulation Special Function.IntLib中主要是一些專門為信號仿真而設計的運算函數，如增益、積分、微分、求和、電容測量、電感測量及壓控振蕩源等。如圖11.23所示為一個電壓控制開關模塊VSW。電壓控制開關模塊11.2.4 仿真信號傳輸線元件庫1LLTRA（Lossless Transmission Line，無

10、損耗傳輸線）LLTRA的符號如圖11.24所示，它是理想的雙向傳輸線。它有兩個端口，其節點定義了端口的正電壓極性。 LLTRA的符號11.2.4 仿真信號傳輸線元件庫其參數設置對話框如圖11.25所示。 LLTRA參數設置對話框11.2.4 仿真信號傳輸線元件庫2LTRA（Lossy Transmission Line，有損耗傳輸線）LTRA的符號如圖11.26所示，它使用兩端口響應模型。該模型包含了電阻值、電感值、電容值及長度等參數，這些參數不能直接在原理圖文件中設置，但用戶可以創建和引用自己的模型文件。 LTRA的符號11.2.4 仿真信號傳輸線元件庫3URC（Uniform Distri

11、buted Lossy Line，均勻分布傳輸線）URC的符號如圖11.27所示，它也稱為分布RC傳輸線模型。該模型由URC傳輸線的子電路類型擴展內部產生節點的集總RC分段網絡而獲得，RC各段在幾何上是連續的。URC必須嚴格地由電阻和電容段構成。 URC的符號11.2.5 常用元件庫1電阻常用元件庫為用戶提供了如圖11.28所示的各種類型的電阻。（a）半導體電阻 （b）抽頭電阻 （c）熱敏電阻 （d）壓敏電阻 （e）定值電阻 （f）可調電阻 （g）電位器圖11.28 電阻仿真元件11.2.5 常用元件庫（1）定值電阻打開如圖11.29所示的電阻屬性設置對話框，元件屬性設置介紹參見3.3.1節。

12、電阻屬性設置對話框11.2.5 常用元件庫下面介紹電阻的仿真參數設置。將指針移到“Models for”下的“Simulation”選項上，雙擊鼠標左鍵，系統將彈出如圖11.30所示的設置電阻仿真對話框。 設置電阻仿真對話框11.2.5 常用元件庫圖11.30中“Model Kind”選項卡顯示的是一般信息，用戶可以根據自己的仿真要求進行設置；“Parameters”選項卡用來設置仿真參數；“Port Map”選項卡用來設置元件引腳的連接屬性。單擊“Parameters”選項卡，系統將彈出如圖11.31所示的電阻參數設置對話框。 電阻參數設置對話框11.2.5 常用元件庫（2）半導體電阻半導體

13、電阻參數設置對話框如圖11.32所示。其中，“Value”、“Length”、“Width”及“Temperature”分別設置半導體電阻的阻值、長度、寬度及工作溫度。半導體電阻參數設置對話框11.2.5 常用元件庫（3）可調電阻可調電阻參數設置對話框如圖11.33所示，可調電阻的實際阻值為“Value”文本框中的數值乘以可調電阻系數“Set Position”文本框中的數值。 可調電阻參數設置對話框11.2.5 常用元件庫2電容常用元件庫為用戶提供了如圖11.34所示的各種類型的電容。（a）定值無極性電容 （b）定值有極性電容 （c）半導體電容電容仿真元件（1）定值電容無論有無極性，定值電容

14、都具備以下兩個參數。“Value”：電容值。“Initial Voltage”：電路初始工作時電容兩端的電壓。（2）半導體電容半導體電容參數“Value”、“Length”、“Width”及“Initial Voltage”分別設置半導體電容的電容值、長度、寬度及電路初始工作時半導體電容兩端的電壓。11.2.5 常用元件庫3電感常用元件庫為用戶提供了如圖11.35所示的各種類型的電感。（a）定值電感 （b）可調電感 （c）加鐵芯的定值電感 （d）加鐵芯的可調電感電感仿真元件（1）定值電感無論是否加鐵芯，定值電感都具備以下兩個參數。“Value”：電感值。“Initial Current”：電路

15、初始工作時流入電感的電流。（2）可調電感無論是否加鐵芯，可調電感的實際值為“Value”項中的數值乘以可調電感系數“Set Position”項中的數值。“Initial Current”為電路初始工作時流入電感的電流。11.2.5 常用元件庫4二極管常用元件庫為用戶提供了如圖11.36所示的各種類型的二極管。（a）普通二極管 （b）肖特基二極管 （c）變容二極管 （d）穩壓管 （e）發光二極管二極管仿真元件11.2.5 常用元件庫5集成芯片以常用元件庫中集成芯片ADC-8為例，其參數設置對話框如圖11.37所示。 ADC-8元件參數設置對話框11.3 初始狀態的設置11.3.1 節點電壓設置

16、節點電壓可在初始電壓設置對話框中設置，即打開如圖11.38所示的對話框，在“Model Kind”下拉列表中選擇“Initial Condition”選項，再在“Model Sub-Kind”中選擇“Initial Node Voltage Guess”選項，然后單擊“Parameters”選項卡進行初始電壓設置。初始電壓設置對話框11.3.2 初始條件設置在瞬態分析中，一旦設置了參數“Use Initial Conditions”和IC，瞬態分析就先不進行直流工作點的分析，因而應在IC中設定各點的直流電壓。如果瞬態分析中沒有設置參數“Use Initial Conditions”，那么在瞬態

17、分析前計算直流偏置（初始瞬態）解。這時IC設置中指定的節點電壓僅當做求解直流工作點時相應的節點的初始值。下面進行初始條件的設置。打開如圖11.38所示的對話框，在“Model Kind”下拉列表中選擇“Initial Condition”選項，再在“Model Sub-Kind”中選擇“Set Initial Condition”選項，然后單擊“Parameters”選項卡進行初始條件設置。11.3.3 特殊元件設置初始狀態Protel 2004在仿真信號源元件庫“Simulation Sources.IntLib”中提供了如圖11.39所示的兩個特別的初始狀態定義符。 .NS即Node Se

18、t（節點設置）。 .IC即Initial Condition（初始條件）。定義初始狀態元件11.4 仿真器的設置11.4.1 進入仿真設置環境單擊菜單“Design”“Simulate”“Mixed Sim”命令或單擊仿真工具欄（“Mixed Sim”）中的 按鈕，系統將彈出如圖11.40所示的仿真分析設置對話框。仿真分析設置對話框11.4.1 進入仿真設置環境 在該對話框左邊的“Analyses/Options”列表框中的項目為仿真分析類別，圖11.40顯示的是仿真分析的一般設置（“General Setup”）。此時“Availabu Signals”列表框中顯示的是可以進行仿真分析的信號

19、，“Active Signals”列表框中顯示的是激活的信號，也就是將要進行仿真分析的信號。用戶可以利用 （ ）按鈕添加全部（單個）或利用 （ ）按鈕移去全部（單個）激活的信號。 在該對話框右上方的“Collect Data For”下拉列表中，有5種不同的數據存儲類型。 在該對話框的“Analyses/Options”仿真方式列表框中，最下面有一個高級選項設置“Advanced Options”，該選項中的內容是各種仿真方式要遵循的基本條件，一般不要修改。11.4.2 直流工作點分析在仿真分析設置對話框中選中“Transient/Fourier Analysis”復選框，系統將顯示如圖11.

20、41所示的對話框，由于工作點分析的仿真參數均來自電路給定的參數，所以不需要用戶進行單獨設置。直流工作點分析參數設置對話框11.4.3 瞬態/傅里葉特性分析1瞬態特性分析（Transient Analysis）瞬態特性分析是從時間零開始到用戶設定的終止時間范圍內進行的，屬于時域分析。通過瞬態分析系統將輸出各個節點電壓、電流及元件消耗功率等參數隨時間變化的曲線。瞬態分析在時間零和開始時間之間只分析但并不保存結果，而在用戶設定的開始時間（Start Time）和終止時間（Stop Time）之間才既分析并同時保存結果，用于最后輸出。2傅里葉特性分析（Fourier Analysis）傅里葉特性分析是

21、瞬態分析的一部分，屬于頻譜分析，可與瞬態分析同步，主要用來分析電路中各個非正弦波的激勵和節點的頻譜，以獲得電路中的基頻、直流分量及諧波等參數。在每次進行傅里葉分析后，分析得到的諧波的幅值和相位的詳細信息都將保存在項目輸出文件夾中的ProjectName.sim文件中，并顯示在主窗口中。11.4.3 瞬態/傅里葉特性分析3瞬態/傅里葉特性分析參數設置在仿真分析設置對話框中選中“Transient/Fourier Analysis”復選框，系統將顯示如圖11.42所示的對話框，具體參數設置介紹如下。 瞬態/傅里葉特性分析參數設置對話框11.4.4 直流掃描分析在仿真分析設置對話框中選中“DC Sw

22、eep Analysis”復選框，系統將顯示如圖11.43所示的對話框，具體參數設置介紹如下。直流掃描分析參數設置對話框11.4.5 交流小信號分析在仿真分析設置對話框中選中“AC Small Signal Analysis”復選框，系統將顯示如圖11.44所示的對話框，具體參數設置介紹如下。 交流小信號分析參數設置對話框11.4.6 噪聲分析在仿真分析設置對話框中選中“Noise Analysis”復選框，系統將顯示如圖11.45所示的對話框，具體參數設置介紹如下。噪聲分析參數設置對話框11.4.7 極點-零點分析在仿真分析設置對話框中選中“Pole-Zero Analysis”復選框，系統

23、將顯示如圖11.46所示的對話框，具體參數設置介紹如下。極點-零點分析參數設置對話框11.4.8 傳遞函數分析在仿真分析設置對話框中選中“Transfer Function Analysis”復選框，系統將顯示如圖11.47所示的對話框，具體參數設置介紹如下。傳遞函數分析參數設置對話框11.4.9 溫度掃描分析在仿真分析設置對話框中選中“Temperature Sweep”復選框，系統將顯示如圖11.48所示的對話框，具體參數設置介紹如下。溫度掃描分析參數設置對話框11.4.10 參數掃描分析在仿真分析設置對話框中選中“Parameter Sweep”復選框，系統將顯示如圖11.49所示的對話

24、框，具體參數設置介紹如下。參數掃描分析參數設置對話框11.4.11 蒙特卡羅分析在仿真分析設置對話框中選中“Monte Carlo Analysis”復選框，系統將顯示如圖11.50所示的對話框，具體參數設置介紹如下。蒙特卡羅分析參數設置對話框11.5 電路仿真在上面的步驟全部完成后，單擊仿真工具欄（“Mixed Sim”）中的 按鈕，可對電路進行仿真。當系統以用戶設定的方式對原理圖進行分析后，將生成后綴為.sdf的輸出文件和后綴為.nsx的原理圖的SPICE模式表示文件，并在波形顯示器中顯示用戶設定節點仿真后的輸出波形，用戶可根據該文件分析并完善原理圖的設計。打開后綴為.nsx的文件，單擊菜

25、單“Simulate”“Run”命令，也可實現電路仿真，這種方式和直接從原理圖進行仿真生成的波形文件相同。11.6 電路仿真實例11.6.1 模擬電路仿真實例【例11.1】 以一個簡單的晶體管交流放大電路為例，說明模擬電路仿真方法。1新建一個項目首先新建一個如圖11.51所示的晶體管交流放大電路項目。新建晶體管交流放大電路項目11.6.1 模擬電路仿真實例2繪制仿真電路原理圖繪制欲仿真的晶體管交流放大電路原理圖，如圖11.52所示。晶體管交流放大電路原理圖11.6.1 模擬電路仿真實例3設置仿真節點本例中，設置如圖11.52所示的“VIN”、“VCE”和“VOUT”網絡標號。設置網絡標號可通過

26、單擊菜單“Place”“Net Label”命令實現，要注意設置仿真節點一定要放在元件引腳的外端點或導線上，否則該節點將不會出現在如圖11.40所示的仿真分析設置對話框中“Available Signals”列表框內。11.6.1 模擬電路仿真實例4設置仿真器打開如圖11.40所示的仿真分析設置對話框，先將仿真節點“VIN”、“VCE”和“VOUT”移入“Active Signals”列表框中，再選中參數掃描分析（“Parameter Sweep”）復選框，同時選中瞬態特性分析，如圖11.53所示。選中仿真分析項目及仿真分析信號11.6.1 模擬電路仿真實例選中參數掃描分析，設置參數掃描分析的

27、參數，如圖11.54所示。瞬態特性分析參數采用默認值。設置仿真分析項目參數11.6.1 模擬電路仿真實例5運行電路混合仿真單擊仿真工具欄（“Mixed Sim”）中的 按鈕，對電路進行仿真。在工作窗口顯示如圖11.55所示的仿真輸出波形圖文件（.sdf），并同時彈出如圖11.56所示的仿真信息面板，給出仿真的信息。圖11.55 晶體管交流放大電路仿真輸出波形圖11.6.1 模擬電路仿真實例圖11.56 仿真信息面板11.6.2 數字電路仿真實例【例11.2】 以一個簡單的數字電路為例，說明數字電路仿真方法。1新建一個項目首先新建一個如圖11.57所示的分頻電路項目。在該電路中，電路的輸入信號CPI的頻率分頻后與輸出信號CPO的頻率之比為32，故可稱其為分頻電路，也可稱為2/3分頻電路。同時它還將單相時鐘脈沖CPI轉換成兩相時鐘脈沖QA和QB，QA和QB是兩個頻率相同而相位不同的時鐘脈沖。具體創建方法見第2章。 新建分頻電路項目11.6.2 數字電路仿真實例2繪制仿真電路原理圖繪制欲仿真的分頻電路原理圖，如圖11.58所示。分頻電路原理圖11