第10章-ProtelDXP电路仿真技术

2023/2/6清华大学出版社Page1第10章ProtelDXP电路仿真技术ProtelDXP仿真概述10.1ProtelDXP仿真步骤10.2主要仿真元器件10.3

仿真信号源10.410.1ProtelDXP仿真概述所谓的电路仿真就是基于相似原理在电路模型上进行系统的性能分析与研究。ProtelDXP包含了一个数目庞大的仿真库，提供了强大的仿真功能，它具有编辑环境简单，仿真元器件丰富、仿真方式多样、仿真结果直观的特点，因而能很好地满足设计者的需要。10.1.1ProtelDXP电路仿真的特点10.1.2ProtelDXP仿真电路图2023/2/6清华大学出版社Page210.1.1ProtelDXP电路仿真的特点仿真电路的编辑器中用于仿真电路的各种元器件必须具有仿真属性。ProtelDXP中可以用于仿真的元器件可达5800多种，从而实现对模拟、数字和模数混合电路的仿真。ProtelDXP支持多种仿真方式，从而从不同的角度对电路的各种电器特性进行仿真。仿真结果均以图形的方式输出，当输出多个节点的信号时，输出多个图形，类似于多通道示波器对多个通道进行观测。2023/2/6清华大学出版社Page310.1.2ProtelDXP仿真电路图为了正确地进行电路仿真，在仿真之前，必须要先绘制用于仿真的电路图，并确保所设计的原理图满足以下条件：所有的元器件，必须选中其Simulation特性，以确保与相应的仿真器件模型关联。电路图中的元器件和信号源必须连接正确。电路图中需要观测的节点上必须放置仿真网络标号。必须根据仿真要求，设置好电路仿真的初始条件。2023/2/6清华大学出版社Page410.2ProtelDXP仿真步骤1.绘制仿真原理图2.修改仿真元器件参数3.设置仿真激励源4.放置节点网络标号5.设计仿真方式及参数6.运行仿真操作7.仿真结果分析及处理2023/2/6清华大学出版社Page5图10-1电路仿真的一般步骤10.3主要仿真元器件ProtelDXP为用户提供了一个常用的仿真元器件库，即“MiscellaneousDevices.IntLib”，该元器件库包含了电容、电阻、电感、二极管等。所有的元器件都定义了仿真特性，仿真时只要默认属性或修改为自己需要的仿真属性即可。本节主要介绍常用的仿真元器件及其参数的设置方法。10.3.1查找仿真元器件10.3.2设置仿真元器件的参数10.3.3常用仿真元器件库2023/2/6清华大学出版社Page610.3.1查找仿真元器件在ProtelDXP中，仿真元器件大部分集中在ProtelDXP的安装文件夹下，只要从库中直接调用其中的元器件并放置在原理图中即可进行仿真。还有一部分元器件的仿真模型分散在其它库中，这些元器件一般有3种库模型，即用于仿真的Simulation库，用于信号完整性分析的SignalIntegrity库以及用于制作PCB电路板的Footprint库。因此，基于仿真的原理图设计与基于PCB的原理图的设计的主要区别在于使用不同的元器件模型库，前者是用Simulation库，后者使用Footprint库。2023/2/6清华大学出版社Page7有时已知元器件的仿真模型，但不知其所在的库，可以利用搜索的方法进行查找。具体操作步骤如下：单击【元件库】控制面板中的

按钮，弹出【元件库查找】对话框，如图10-3所示。2023/2/6清华大学出版社Page8图10-3【元件库查找】对话框10.3.2设置仿真元器件的参数在如图10-6所示的原理图中的一个元器件R4作为例子，介绍仿真元器件参数的设置方法。双击电阻R4，弹出【元件属性】对话框，如图10-7所示。2023/2/6清华大学出版社Page9图10-6原理图实例图10-7【元件属性】对话框10.3.3常用仿真元器件库1.电阻ProtelDXP的仿真元器件库中，提供了两种类型的具有仿真属性的电阻，Res固定电阻和ResSemi半导体电阻，其缺省值是1K，如图5-9所示。2023/2/6清华大学出版社Page10图5-9两种类型的仿真电阻2.电位器ProtelDXP的仿真元器件库中，提供了多种具有仿真模型的电位器，如图10-15所示。2023/2/6清华大学出版社Page11图10-152种类型的可变电阻3.电容ProtelDXP的仿真元器件库中，提供了三种具有仿真模型的电容：Cap（无极性电容）、CapSemi（半导体电容）和CapPol（极性电容），如图10-17所示。2023/2/6清华大学出版社Page12图10-173种类型的电容4.电感ProtelDXP的仿真元器件库中，提供了多种具有仿真模型的电感，其名称为：Inductor（普通电感）或InductorIron（带铁芯的电感），如图10-20所示。2023/2/6清华大学出版社Page13图10-20仿真电感5.二极管ProtelDXP的仿真元器件库中，提供了多种具有仿真模型的二极管，如Diode（普通二极管）、DiodeZener（稳压二极管）、DiodeSchottky（肖特基二极管）等，如图10-22所示。2023/2/6清华大学出版社Page14图10-22仿真二极管6.晶体管ProtelDXP的仿真元器件库中，提供了多种具有仿真模型的三极管，如图10-24所示。2023/2/6清华大学出版社Page15图10-24仿真三极管7.熔断器（保险丝）ProtelDXP的仿真元器件库中，提供了多种具有仿真模型的熔断器，如图10-26所示。2023/2/6清华大学出版社Page16图10-26仿真熔断器8.继电器在ProtelDXP的仿真元器件库中，提供了多种具有仿真模型的继电器。如Relay、Relay-DPDT和Delay-SPST等，如图10-28所示。2023/2/6清华大学出版社Page17图10-28仿真继电器9．变压器在ProtelDXP的仿真元器件库中，提供了多种具有仿真模型的变压器。如Trans、TransAdj、TransCT等，如图10-30所示。2023/2/6清华大学出版社Page18图10-30仿真变压器10.晶振在ProtelDXP的仿真元器件库中，提供了一种具有仿真模型的晶振XTAL，如图10-32所示。2023/2/6清华大学出版社Page19图10-32晶振XTAL10.4仿真信号源绘制电路原理图后，必须在电路中放置合适的仿真激励源，这样才可以在仿真的过程中，给电路提供驱动，使电路正常工作。ProtelDXP提供了多种仿真激励源，有直流信号激励电源、正弦信号激励源、周期性脉冲信号激励源、指数脉冲信号激励源、调频信号激励电源等。这些元件在“SimulationSources.IntLib”库中可以找到。可以通过单击【元件库】面板中的

按钮进行加载，路径为“C:\ProgramFiles\Altium2004\Library\”。2023/2/6清华大学出版社Page2010.4.1直流信号激励源10.4.2正弦信号激励源10.4.3脉冲信号激励源10.4.4调频信号激励源10.4.5指数函数激励源10.4.6特殊的仿真元器件2023/2/6清华大学出版社Page2110.4.1直流信号激励源直流信号激励源用于为仿真电路提供的直流电压和电流，包括直流电压激励源（VSRC、VSRC2）和直流电流激励源（ISRC），如图10-34所示。2023/2/6清华大学出版社Page22图10-34直流仿真电源10.4.2正弦信号激励源正弦信号激励源主要为仿真电路提供激励信号，包括正弦交流电压源（VSIN）和正弦交流电流源（ISIN），如图10-36所示。常用于瞬态分析和交流小信号分析中。2023/2/6清华大学出版社Page23图10-36正弦信号激励源10.4.3脉冲信号激励源脉冲信号激励源主要为仿真电路提供周期性的脉冲信号，一般有两种：脉冲电压源（VPULSE）和脉冲电流源（IPULSE），可以产生矩形波、方波、三角波等多种波形，如图10-38所示。常用于脉冲数字电路的瞬态分析中。2023/2/6清华大学出版社Page24图10-38脉冲信号激励源10.4.4调频信号激励源调频信号激励源常用于高频电路仿真分析中，主要为为仿真电路提供一个频率随调制信号变化而变化的调频信号，一般有两种：调频电压源（VSFFM）和调频电流源（ISFFM），如图10-40所示。2023/2/6清华大学出版社Page25图10-40调频信号激励源10.4.5指数函数激励源指数函数激励源常用于高频电路仿真分析中，一般有两种：指数函数电压源（VEXP）和指数函数电流源（IEXP），如图10-42所示。2023/2/6清华大学出版社Page26图10-42指数函数激励源10.4.6特殊的仿真元器件节点电压初值节点电压初值元件“.IC”位于“SimulationSources.InLib”库中，如图10-44所示，其主要用于在瞬态特性分析时设置电路上某个节点的电压初值，其作用与电容中的【InitialVoltage】参数的作用相似。当电路中存在储能元器件（如电容、电感等）时，常会用到电压初值“.IC”。其放置方法是将“.IC”用导线或直接与仿真的节点相连，然后修改其初值。2023/2/6清华大学出版社Page27图10-44节点电压初值10.5仿真数学函数库在ProtelDXP的电路仿真器中还提供了丰富的仿真数学函数，位于“C:\ProgramFiles\Altium2004\Library\Simulation\SimulationMathFunction.IntLib”库中，它同样可以用于电路仿真原理图中，主要是对仿真电路图中的两个节点信号进行合成，执行加、减、乘、除等运算，也可以变换一个节点信号，如：正弦变换、余弦变换、双曲线变换等。使用时，只需将仿真数学函数功能模块放到仿真电路中需要进行信号处理的地方即可，不需要手工设置仿真。2023/2/6清华大学出版社Page2810.6仿真模式设置仿真原理图绘制好后，在进行电路仿真分析之前，需要选择合适的参数设置和仿真方式，才能对原理图进行仿真，观察仿真结果。在ProtelDXP的电路仿真中，仿真方式的设置分为两部分，一是常规参数设置；二是特殊参数设置。在原理图编辑窗口中，执行菜单【设计】/【仿真】/【MixedSim】命令，弹出【分析设定】对话框，如图10-48所示。2023/2/6清华大学出版社Page292023/2/6清华大学出版社Page30图10-48【分析设定】对话框10.6.1【GeneralSetup】设置从图10-48所示的【分析设定】对话框中可以看到，常规参数的设置包括如下几项内容：1.为此收集数据:用来选择仿真程序需要计算的节点数据类型

2.图纸到网格表（SheetstoNetlist）:用来设置仿真程序的作用范围3.SimView设定:

用来设置仿真输出波形的显示方式2023/2/6清华大学出版社Page3110.6.2工作点分析工作点分析(OperatingPointAanlysis)也就是通常说的静态工作点分析，此时，所有电容被开路，所有电感被短路，然后计算各节点对地的电压以及流过每一个元器件的电流。在进行工作点分析时，不需要用户进行仿真参数的设置，只需选中该复选框即可。运行仿真后，就能得到仿真文件。在进行瞬态特性分析和小信号分析时，仿真程序会首先执行工作点分析，以确定电流中非线性元器件的线性化参数的初始值。2023/2/6清华大学出版社Page3210.6.3瞬态/傅里叶分析瞬态/傅里叶分析（Transient/FourierAnalysis）是一种最常用的仿真分析方式。瞬态特性分析类似一个真实的示波器显示输出波形，在某一时间段指定的时间间隔内，处理随时间变化的变量（电压或电流）的瞬时输出。在进行瞬态分析之前，除使用初始的条件参数外，系统会自动完成对静态工作点的分析，以确定电路中的DC直流偏压。单击图10-48所示【分析/选项】栏中的Transient/FourierAnalysis项，则在右边将出现瞬态分析／傅里叶分析参数设置项，如图10-52所示。2023/2/6清华大学出版社Page332023/2/6清华大学出版社Page34图10-52瞬态特性分析与傅里叶分析参数设置10.6.4直流扫描分析直流扫描分析（DCSweepAnalysis）用于检验电路中的激励源在一定范围按照指定规律变化时，对静态工作点的影响。直流扫描分析(DCSweepAnalysis)的输出如同绘制曲线一样，产生直流传递曲线。直流分析将执行一系列静态工作点分析，从而获得一系列的直流输出，然后即可得出电路的直流传输特性曲线，以确认可输入信号的最大范围和噪声容量。在图10-48对话框中选择【DCSweepAnalysis】复选框，直流扫描分析窗口如图10-53所示。2023/2/6清华大学出版社Page352023/2/6清华大学出版社Page36图10-53直流扫描分析参数设置10.6.5交流小信号分析交流小信号分析(ACSmallSignalAnalysis)主要用来分析仿真电路的频率响应特性，属于电路的幅频特性分析，即输出信号是频率的函数。它首先执行静态工作点分析以确定电路仿真节点的直流偏压，然后以一个固定振幅的正弦信号源分析设定频段内该节点的频率相应。理想的交流小信号的输出通常是一个传递函数，如电压增益、传输阻抗等。在图10-48对话框选中【ACSmallSignalAnalysis】复选框，交流小信号分析窗口如图10-54所示。2023/2/6清华大学出版社Page372023/2/6清华大学出版社Page38图10-54交流小信号分析参数设置10.6.6噪声分析系统能够计算的噪声主要包括，输入噪声、输出噪声和器件噪声。器件噪声主要包括电阻、电容、电感及半导体器件等。电容和电感经过处理被认为是没有噪声的元件。因此，噪声分析（NoiseAnalysis）是同交流分析一起进行的。电路中产生噪声的器件有电阻器和半导体器件，每个器件的噪声源在交流小信号分析的每个频率上都可计算出相应的噪声，并传送到一个输出节点，所有传送到该节点的噪声进行RMS（均方根）相加，就得到了指定输出端的等效输出噪声。在图10-48对话框选中【NoiseAnalysis】复选框，噪声分析窗口如图10-55所示。2023/2/6清华大学出版社Page392023/2/6清华大学出版社Page40图10-55噪声分析参数设置

10.6.7极点-零点分析极点-零点分析（Pole-ZeroAnalysis）通过计算电路的交流小信号传递函数完成分析，数字信号被视为高阻接地。它通常是从直流工作点，对非线性器件求得线性化的小信号模型。在此基础上再进行传递函数的极点-零点分析。在图10-48对话框选中【Pole-ZeroAnalysis】复选框，极点-零点分析窗口如图10-56所示。2023/2/6清华大学出版社Page412023/2/6清华大学出版社Page42图10-56极点-零点分析参数设置10.6.8传递函数分析传递函数分析（TransferFunctionAnalysis）又称为直流小信号分析，是在直流工作点的基础上将电路线性化，从而分析电路中每个电压节点上的DC输入阻抗，DC输出阻抗和DC直流增益。在图10-48对话框选中【TransferFunctionAnalysis】复选框，传递函数分析窗口如图10-57所示。2023/2/6清华大学出版社Page432023/2/6清华大学出版社Page44图10-57传递函数分析参数设置10.6.9温度扫描分析温度扫描分析（TemperatureSweep）是指在指定温度范围内每个温度节点按指定的步长变化时，通过对电路参数进行各种仿真分析，确定电路的温度漂移等性能指标。输出一系列曲线，每条曲线对应一个温度点。2023/2/6清华大学出版社Page4510.6.10参数扫描分析参数扫描分析（ParameterSweep）允许设计者在指定的元器件参数范围内、以自定义的增幅扫描元器件的参数值，它可以与其他分析方法配合起来使用，通过分析电路参数变化对电路特性的影响，从而找到某一元器件在仿真电路中的最佳参数。在图10-48对话框选中【ParameterSweep】复选框，参数扫描分析窗口如图10-59所示。2023/2/6清华大学出版社Page462023/2/6清华大学出版社Page47图10-59参数扫描分析参数设置10.6.11蒙特卡罗分析蒙特卡罗分析是一种统计模拟方法，它是在给定仿真元器件参数容差的统计分布规律基础上，用一组组伪随机数求得元器件参数的随机抽样序列。对这些随机抽样的电路进行直流、交流小信号和瞬态分析，并通过多次分析结果估算出电路性能的统计分布规律和电路合格率、生产成本等。在图10-48对话框选中【MonteCarloAnalysis】复选框，蒙特卡罗分析窗口如图10-61所示。2023/2/6清华大学出版社Page482023/2/6清华大学出版社Page49图10-61蒙特卡洛分析参数设置10.6.12高级仿真参数设置在图10-48的电路仿真分析/选项对话框中，选择【AdbancedOptions】选项，将会弹出如图10-62所示的高级仿真参数设置窗口。一般情况下，为了能够准确地进行电路仿真，建议设计者不要轻易修改这些参数，因为它们都是最常用的，修改后所有的相关元器件的默认值都会发生变化。2023/2/6清华大学出版社Page502023/2/6清华大学出版社Page51图10-62高级仿真参数设置10.7仿真显示窗口的设置当系统根据用户设置运行仿真后，仿真波形将在波形显示窗口中显示出来，因此熟练使用波形显示窗口，将会为波形分析带来很大的方便。用户可以改变ProtelDXP的仿真显示窗口的默认设置，使波形的显示结果更为直观和清晰。图10-63为将原理图和波形图并列显示的窗口。2023/2/6清华大学出版社Page52图10-63原理图和波形图并列显示的窗口可以对仿真显示窗口进行如下操作：1．突出显示某个波形2．比较波形3．改变波形显示窗口的显示状态4．添加测量坐标5．不同仿真项目的切换6．调整波形显示范围7．添加新的仿真波形显示2023/2/6清华大学出版社Page5310.8实例讲解10.8.1简单电路仿真实例2023/2/6清华大学出版社Page54【实例10-1】简单电路仿真实例本实例要求对如图10-80所示的简单电路图进行仿真。图10-80进行仿真的电路原理图2023/2/6清华大学出版社Page55【实例10-2】共射放大电路的静态工作点分析本实例中，要求对如图10-94所示的共射放大电路进行静态工作点分析。图10-94共射放大电路2023/2/6清华大学出版社Page56【实例10-3】电路瞬态分析本实例要求对图10-98所示的电路中的节点“IN”、“X”和“OUT”进行瞬态分析。图10-98进行瞬态分析的电路2023/2/6清华大学出版社Page57【实例10-4】傅里叶分析本实例要求对如图10-103所示的电路进行傅里叶分析。图10-103进行傅里叶分析的电路2023/2/6清华大学出版社Page58【实例10-5】直流扫描分析本例中