第七章 数模混合电路仿真

集成电路设计基础

BasicofIntegratedCircuitDesign电子信息工程系武斌ScienceandTechnologyofElectronicInformation

1第七章数模混合电路仿真ScienceandTechnologyofElectronicInformation

7.1采用SPICE的电路设计流程7.2电路元件的SPICE输入语句格式7.3电路特性分析语句7.4电路特性控制语句7.5缓冲驱动器设计实例7.6跨导放大器设计实例SPICE电路设计基本流程设计指标要求确定电路结构确定元件参数电路描述（网表或图形0spice仿真性能满足要求修改电路结构修改元件参数最终设计方案SPICE——SimulationProgramwithICEmphasis运用PSpice的基本条件1.待仿真的元器件模型必须是PSpice的仿真模型2.电路中应该含有激励源（或者电路中存储能量）并且符合相应的电路特性分析类型的要求。3.必须设置好合适的电路特性分析类型可用的PSPICE软件

OrcadFamilyrelease9.2

DesignLabEval7.0

MicrosimEval7.0PSpiceStudentVersion9.1

CadencePSD15.1–Availableonlyin231NH,ELBBuildingPSPICE–网单文件例如：一个RLC电路描述如下*AsimpleRLCcircuitVIN30sin(0101kHz)R1322L1211.5MHC1

1010UF.TRAN10US3MS.PLOTTRANV(3)V(1).PROBE.ENDPspice网单文件包括:标题行，电路描述，分析指令，输出指令，结束标志PSPICE的元器件和源R,L,C,K-电阻、电感、电容、互感（Ω可省,H,F)V，I，E,F,G,H–独立源(V,A,)AGND/EGND–模拟和数字地VAC(VDC)–交流电压源VSIN–正弦压源TIME－sPSPICE-components如电阻：RLOAD1502K

RFDBCK

2

3

RMOD1

10K.MODELRMOD1RES(R=1,TC1=0.02,TC2=0.005)

<value>=R·(1+TC1·(T-Tnom)+TC2·(T-Tnom)²)如电容：CLOAD15020pF

IC=1.5VCFDBCK32CMOD10pF

.MODELCMODECAP(C，VC1，VC2，TC1，TC2)

<value>·C·(1+VC1·V+VC2·V²)·(1+TC1·(T-Tnom)+TC2·(T-Tnom)²)如电感：LLOAD15020mH

IC=2mA

LCHOKE342LMOD.03

.MODEL<modelname>IND[modelparameters]

<value>·L·(1+IL1·I+IL2·I²)·(1+TC1·(T-Tnom)+TC2·(T-Tnom)²)如互感：L13110uHL24210uHK12L1L20.9注意同名端PSPICE-components压空开关：

S12131721SMOD

.MODELSMODVSWITCH(Ron，Roff，Von，Voff）流控开关：W121317VCWMOD3142压控压源（E)；压控流源(G)流控流源(F)；流控压源(H)E<name><N+N-C+C-<gain>E<name><N+N-VALUE={<expression>}二极管：

D×××N+N-

modelname.ModelDMODD(…..)三极管:Q×××NCNBNEmodelname

.MODEL<modelname>NPN(PNP)[modelparameters]MOSFET:M×××NDNGNSNBmodelname

[L=?][W=?][level=?][M=<?>…].MODEL<modelname>NMOS(PMOS)[modelparameters]例:M1142130PNOML=25uW=12uM1617300PSTRONGM=2

PSPICE–电源独立压源V；独立流源I；V(I)<name>N+N-

[[DC]<value>]

[AC<magnitudevalue>[phasevalue]]

Examples

IBIAS1302.3mAIAC23AC.001IACPHS23AC.00190IPULSE10PULSE(-1mA1mA2ns2ns2ns50ns100ns)

I3

2677DC.002AC1SIN(.002.0021.5MEG)电源参数类型除DCAC外，还有时变信号源PSPICE–时变电源参数指数源：EXP(<parameters>)脉冲源：PULSE(<parameters>)线性分段源：PWL(<parameters>)调频源：SFFM(<parameters>)正弦源：SIN(<parameters>)Pspice中的分析类型直流工作点分析（BiasAnalysis.OP)灵敏度分析(.SENS)直流分析（DCSweep.DC)

对电路直流扫描分析，可以获得电路在一定参数区间内的工作点状况交流与噪声分析（ACSweep/Noise.AC;.NOISE)

对小信号线性电子电路进行交流扫描分析，它能够获得电路的幅频响应和相频响应以及转移导纳等特性参数。Pspice中的基本分析方法瞬态分析：即时域分析(Transientanalysis.TRAN)

它可在给定激励信号情况下，求电路输出的时间响应、延迟特性；也可在没有任何激励信号的情况下，求振荡波形、振荡周期等。傅里叶分析(Fourieranalysis)参数分析(ParametricSweep)温度分析(TemperatureSweep)最坏情况分析(Worstcase)蒙特卡洛分析(MonteCarlo)运行Pspice的基本步骤（1）启动OrCADCapture（2）新建一个工程（File>New>Project…)设置工程的类型为:

AnalogorMixed-signal

Circuit

为这个工程起一个名字选择设计项目的存储位置选择此项数模混合仿真类型的capture视窗(3)

添加库文件

(4).绘制电路图绘制原理图，添加电源及信号源，须采用PSpice库中的元器件才可以进行仿真，可以添加探针(5).建立仿真文件激活工程管理视窗，此时菜单下工具栏中的的键将会显现。点击此键建立新的仿真文件，编辑已有的仿真文件可以点击键(6).运行仿真文件，点击键(7).观察波形PSpice直流分析针对电路中直流电流或直流电压的变动而做出的分析例子：

D1是一个稳压二极管，可以采用直流分析的方法，使电压V1在一定范围内改变，同时观察D1上电压的变化，从而观察D1的稳压特性。

source库的VDCAnalog库的Rdiode库的IN5225采用如下步骤，可实现上述想法：1.绘制电路图（注意元件的来源）2.建立新的仿真文件或者编辑旧的仿真文件3.选择分析类型:DCSWEEP4.设置中选择PrimarySweep5.设置扫描变量为电压源,本例中电压源的名字为V16.设置扫描类型为线性

开始为0V结束为5V

增量为1V7.确定，点击运行仿真程序，系统将自动调用

PSpiceA/D以上设置把电压源V1设置为直流电压扫描变量，扫描值从0V到5V，每次递增1V请看演示……PSpice直流分析运行仿真程序后放置电压探针在D1的K脚（或者在PSpice的环境中选择菜单Trace>AddTrace选择V(D1:K))仿真的结果如下：定位光标在下一个采样点PSpiceA/D界面启动光标定位光标在下一个波峰定位光标在下一个波谷定位光标在最大值定位光标在下一个斜率最大值定位光标在下一个数字转折点定位光标在上一个数字转折点定位光标在最小值标注光标位置的坐标X轴取对数坐标Y轴取对数坐标FFT变换添加观测信号添加文本显示采样点添加复合观测信号PSpice交流分析针对电路中交流电流或交流电压的变动（幅度、频率、相位）而做出的分析例子:R2和C1构成了低通滤波器，改变交流信号源的频率可以观察RC回路的滤波特性。

source库的VAC其它元件来自analog库PSpice交流分析具体操作步骤如下：1.绘制电路图（注意元件的来源）2.建立新的仿真文件或者编辑旧的仿真文件3.设置分析类型为ACSWEEP/NOISE4.设置中选择GeneralSettings5.扫描类型设置为以十为底

的对数

起始频率设为1Hz

结束频率设为1MEGHz

每单位取样点数设为106.先不选用噪声分析请看演示…….PSpice交流分析运行仿真程序，放置电压探针在out端（或者在Probe演示窗口中加入V(out)波形

)仿真结果如下：PSpice中的噪声分析噪声分析是针对电路中固有噪声（如电阻和半导体的工作噪声）所做的分析，它的计算结果时所求节点相对于输入独立源的等效噪声。伴随AC交流分析而进行所涉及的噪声种类：

热噪声：电子的无序运动引起散弹噪声：单位时间通过PN结的载流子数目变化造成闪烁噪声：能量主要集中在低频段，由于生产工艺的缺陷而引起等效噪声：将整个电路中的噪声源都集中折算到选定的独立源处，然后计算在等效的噪声源的激励下，所求节点处产生的噪声。PSpice可以分析每个频率点上指定节点的等效输出噪声电压和指定输入端的等效输入噪声电压。噪声电压的单位是或，即把噪声电平对噪声带宽的均方根进行归一化PSpice中的噪声分析例子：差分电路激励源必须选用source库的VAC（否则不能进行ACSweep），如下图所示：PSpice中的噪声分析设置步骤如下：1.分析类型选择

ACSWEEP/NOISE2.设置中选择GeneralSettings3.扫描类型为以10为底对数

起始频率设为10K

结束频率设为10G

每单位取样点数设为104.选中NoiseAnalysis

输出端为：V(OUT2)

参考电源为：V1

噪声报告点频间隔为：30PSpice中的噪声分析5.确定后，运行仿真。在PSpiceA/D窗口中加入波形V(INOISE)和V(ONOISE)

（菜单Trace>AddTrace…或快捷键

)INOISE

即INPUTNOISEONOISE

即OUTPUTNOISE噪声的计算方法:输出节点的总噪声除以相对输入激励源的电路的总增益PSpice瞬态分析电路的瞬态分析即电路的时域响应

1.可以在给定激励信号的情况下求电路输出的时间响应、延迟特性；

2.可以在没有任何激励信号的情况下求振荡波形、振荡周期。瞬态分析是运用最多，最复杂的分析，也是消耗计算机资源最多的分析。瞬态分析的关键在于设置合理的激励源、采样点数和观察时间。PSpice瞬态分析例子：低通滤波电路

V1为激励源，型号为VSIN（电压型正弦波）在V1的属性编辑中设置

Voff=0v，(直流偏置)

Vampl=5V，(交流信号幅值)Freq=100KHzsource库的VSINPSpice瞬态分析具体操作步骤如下：1.绘制电路图，并且设置V1的参数2.建立新的仿真文件或者编辑旧的仿真文件3.分析类型选择

TimeDomain（Transient）4.具体分析类型选择

GeneralSettings5.运行时间设为50us6.数据开始采集时间设为07.最大采集时间间隔用系统默认值（不填写）PSpice瞬态分析运行仿真程序后放置电压探针在观测点可以观察其时域波形，例子中的波形为：可以在PSpice环境中对时域的波形进行快速傅里叶分析(FFT点击FFT快捷按钮）

FFT后的频域图波形如图：请看演示…...PSpice瞬态分析中的信号源瞬态分析中常用的激励源1、脉冲波VPULSE，IPULSE2、正弦波VSIN，ISIN3、指数波VEXP，IEXP4、分段线形波

VPWL，IPWL(piece-wiseliner)5、周期的折线波VPWL_ENH,IPWL_ENH6、单频调频波VSFFM，ISFFMPSpice瞬态分析中的信号源脉冲波VPULSE，IPULSE中属性的设定

例子：以VPULSE为例设置V1=0，V2=2V，TD=2ms,TR=1ms,TF=2ms,PW=4ms,PER=10ms;则VPULSE的波形为：PSpice瞬态分析中的信号源正弦波VSIN，ISIN中属性的设定例子：以VSIN为例设置VOFF=1V，Frep=1megVAMPL=2V，TD=1us,DF=100K，PHASE=0;

则VSIN的波形为：PSpice瞬态分析中的信号源指数波VEXP，IEXP中属性的设定例子：以VEXP为例设置V1=0V，V2=2V，

TD1=1us,TC1=0.2us,

TD2=5us,TC2=0.5us波形为：PSpice瞬态分析中的信号源分段线形波VPWL，IPWL中属性的设定分段线形波通过设定的样点值，采用插值的方法勾画出整个脉冲例子：以VPWL为例设置T1=0,V1=0V;T2=2us,V2=1V;

T3=3us,V3=4V;T4=6us,V2=0V;PSpice瞬态分析中的信号源周期性折线波VPWL_ENH，IPWL_ENH中属性的设定例子：以VPWL_ENH为例

TSF=1us,VSF=1V;FIRSTNPAIRS=(0,-5)SECONDNPAIRS=(1,5)THIRDNPAIRS=(2,-5)REPEATVALUE=2PSpice瞬态分析中的信号源单频调频波VSFFM，ISFFM中属性的设定Value=Voff

+Vampl

*sin(2π*

Fc*t+Mod*sin(2π*Fm*t))例子：以VSFFM为例

Voff=1v,Vampl=5v

Fc=2k,Fm=300HzMod=5波形如下:PSpice中的直流工作点分析直流工作点分析即直流偏置分析(Biaspointanalysis)采用直流偏置分析可以得到以下信息:1.电路的直流工作点

2.电路的直流灵敏度

3.电路的直流传输特性（TransferFunction)

包括电路的增益、输入输出等效阻抗等PSpice中的直流工作点分析例子：共发射极放大电路运用偏置分析的方法，求出电路中每一点的直流性能和电路的等效输入和输出阻抗SOURCE库VSINBIPOLAR库40235PSpice中的直流工作点分析操作步骤如下：1.分析类型选中BiasPoint2.具体分析类型

选择GeneralSetting3.是否包含非线性器件和半导体元件4.是否进行灵敏度

分析（需要填写分析谁的灵敏度）5.是否计算小信号直流增益（即进行传输特性分析,需要填写输入输出点)PSpice中的直流工作点分析仿真后需要在输出文件中看到分析的结果（PSpiceA/D环境中菜单view>outputfile)元件灵敏度S

是指电路特性参数T对元器件值X的绝对变化的灵敏度。相对灵敏度Sn

是指电路特性参数T对元器件值X的相对变化为1%情况下的灵敏度。1.SecondSweep是和直流分析（DCSWEEP）中的PrimarySweep一起使用的PSpice中的SecondSweepPSpice中的SecondSweep例子：分析三极管共发射极连接时的输出特性输出特性的绘制方法：A.改变V1

使它从0V到5V进行扫描B.改变输入电流Ib

使它从0uA到40uA改变C.以V1为横轴，观察输出电流Ic的变化。仿真文件编辑如下1.分析类型选择

DCSWEEP2.设置中首先选中

PrimarySweepA.扫描变量选择电压源电压源的名字为V1B.扫描类型选择线性开始为0V

结束为5V

增量为0.1VPSpice中的SecondSweepPSpice中的SecondSweep3.在设置中选中

SecondSweepA.扫描变量选择

电流源电流源的名字为I1B.扫描类型选择线性开始为0uA

结束为40uA

增量为10uA4.确认后可以进行仿真并用电流探针观察电流IcPSpice中的SecondSweep结果如下：PSpice中的参数分析参数分析是分析电路中,某一个参数（如电阻值、电容值等）在一定范围内的改变对整个电路的影响下面以一个滤波器电路为例介绍参数分析的使用PSpice中的参数分析设置步骤：1.绘制电路图A.添加参数元件PARAM

在SPECIAL库中）B.双击PARAM，编辑它的属性

点击

New…加入新的属性R，并设置R的值为1K，点击Disply….>选择NameAndValue

点击New…加入新的属性L，并设置L的值为50mH，点击Disply….>选择NameAndValueC.编辑R2的属性，设置其Value为{R}D.编辑L2的属性，设置其Value为{L}PSpice中的参数分析2.编辑仿真文件（分析类型采用交流分析，参数扫描对象使用刚才新建的R）2.1分析类型选择

ACSweep/Noise2.2选中GeneralSetting2.3扫描类型选择

以十为底对数开始为1Hz

结束为10MEG

增量为10Hz

以上设置相当于普通的交流分析设置PSpice中的参数分析2.4再选中ParametricSweepA.扫描变量选择

GlobalparameterB.参数名设为RC.扫描类型选择线性

开始为1K

结束为20K

增量为5K确定后可以运行仿真程序，如电路图一样放置电压探针在R2上运行结果如下图PSpice中的参数分析仿真后观察R2上的电压结果如右图从仿真的结果可以看出当R2为1K时，电路相当于一个低通滤波器。当R2逐渐变大时，电路变成了陷波器（即带阻滤波器）PSpice中的参数分析刚才的例子是以R为参数进行分析。在刚才的参数设置中，我们还创建了另一个参数L，因此我们也可以以L为参数进行分析，请大家自己实现，仿真结果如下：L的值从10 mh到

100mh，增量为20mhPSpice中的温度分析温度分析是对电路在不同温度条件下的工作状态进行分析在进行其他类型的分析时都可以加入温度分析例子：以前面的直流分析为例，在进行直流分析的同时，加入温度分析步骤：1.画电路图2.编辑仿真文件

2.1首先设置直流分析，设置方法同前

V1扫描起始电压为0V

终止电压为5V

递增量为0.1V

PSpice中的温度分析

2.2设置温度分析

A.在Option中选择

Temperature(Sweep)B.可以选择电路在特定

温度下运行，也可以选择电路在多种温度下运行。选择后者，运行温度分别设置为

20，100，200

摄氏度3.运行仿真程序。PSpice中的温度分析放置电压探针在D1上，仿真的结果如右图温度=20摄氏度温度=100摄氏度温度=200摄氏度PSpice中的最坏情况分析和

蒙特卡洛分析最坏情况分析是指电路中的元件在其容差域边界点上取某种组合时引起的电路性能的最大偏差分析蒙特卡洛分析是指电路中的元件在其容差域内取随机组合，多次测试，估计出电路的平均性能运行条件:

分析的元件应该设置好容差范围PSpice中的最坏情况分析和

蒙特卡洛分析准备工作:1.把电路中需要进行分析的器件用BREAKOUT库中相应的器件代替如R改为RBREAK）。2.编辑器件的仿真模型，改写模型的仿真语句（选中器件，菜单EDIT>

PSpicemodel)

带容差的仿真语句书写格式如下：参数名=参数值[DEV[/lot#][/分布规律]<变化值>[%]]+[LOT[/lot#][/分布规律]<变化值>[%]]

例子：R=1dev5%

R=1dev/4/gauss1%+lot/uniform5%用于两种分析的完整仿真模型语句格式：.MODEL模型名模型类型(模型取值）例：

.modelrcres(R=1dev5%)

DEV,LOT表示变化模式/lot#表示采用哪一个随机数发生器分布规律：高斯分布gauss和

均匀分布uniformPspice综合分析案例二极管限幅电路

在上述学习的基础上，通过这一限幅电路，具体讲述如何在同一设计中，完成各种不同的Pspice分析。本里综合分析中，包括的各种分析如右所示：DCsweepanalysisTransientanalysisACsweepanalysisParametricanalysisPerformanceanalysisPspice综合分析案例DCsweep

在这一分析中，设输入信号为从-10v到+15v，以1v为步长变动的直流电压扫描源。从分析结果中可以看到，V(out)始终保持在0v上，而V(mid)则清晰的表现出了两个二极管在扫描过程中分别的限幅作用。Pspice综合分析案例Transient

将输入信号换为一个正弦信号源（振幅为10v，频率1kHz,利用信号源编辑器来编辑）。在2ms内，观察时域输出波形。

可以看到，1kHz信号的正向输出被限定在4v左右，而反向输出则被限定在-2v左右。

Pspice综合分析案例ACsweep

进一步更换激励信号源，将输入信号中的直流电压源去掉，改为交流电压源（振幅为1v)。在Mid和Out两节点处分别放置电压db观察器。输出结果波形表明，前级分压电阻与限幅二极管的分布电容构成低通回路，而输出滤波电容与输出电阻构成高通回路，从而整个电路为一个带通滤波电路。配合使用电压相位观察器，可以全面的观察输出端的频率响应。Pspice综合分析案例Parametric

保持激励信号源不变，将输入电阻的阻值改为变量{rval}，并放置变量编辑器Parameters，添加新项rval。

从输出信号波形图中可以看出，随着输入电阻阻值rval从100欧到10k欧的增大，电压输出db值由-0.7db变化到-19db，带宽也逐渐变窄。

为便于进一步观察，可以单独的观察各组信号。如观察第一组信号和第二十一组信号，即vdb(out)@1和vdb(out)@21，并观察它们的差值。Pspice综合分析案例Performance

为观察节点的输出信号及其函数值随变量参数变化的趋势，可以进一步调用Performance模块，分析3db带宽Bandwidth(V(out),3)和最大的电压db输出值Max(Vdb(out))。Pspice综合分析案例小结

从上面的各个例子中可以看出，完成一个Pspice分析需要如下四个必要步骤：完成Capture中原理图的绘制；设置元器件的值和其他各种属性；设置合理的偏置电源和输入激励信号；设定一个或多个分析程序。

另外，Orcad还为电路分析提供了很多方便应用：应用Capture中的各种观察器，可以方便的观察各点信号。对同一个电路原理图进行不同类型的电路分析时，可以分别存储分析参数的设置和观察器的设置，便于调用。

数字信号源

source.olb库中的数字信号源

1.DigClock主要属性：

ontime高电平持续时间

offtime低电平持续时间

2.STIMn主要属性：(n表示位数，例如stim1)COMMAND格式：时间值例如0us01us1

在每一个command中都可以写一组

时间—取值

PSpice中的数字分析PSpice中的数字分析3.FILESTMn主要属性（n表示位数）

filename指明仿真文件的名字，可以带路径，例如：