Protel99se电路仿真.docx

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Protel99se电路仿真

一般说来，在电路设讣的开始与结朿时，设汁者总要对所设计的电路的性能进行推算、判断和验证，Protel99SE可以对模拟和数字信号混合电路仿真。

其仿真引擎使用的是伯克利分校的SPICE/XSPICE。

它可以让我们精确地仿頁•由齐种器件，比如TTL、CMOS、BJT等构成的电路。

Protel中支持的电路分析类型有：

静态工作点分析，交流小信号分析，瞬态分析，付立叶分析，噪声分析，直流分析，参数扫描分析，温度扫描分析和蒙特卡罗分析。

可用于仿真的电路，必须满足以下条件：

仁必须用仿真库中的器件（或用戸自己建的器件仿真模型和器件符号）搭成电路，仿頁•库在WDesignExplorer99SE\Library\Sch\Sim.ddb文件中；

2、必须有激励源；

3、对所关心的节点建立网络标号：

4、设泄初始条件。

SIM99仿真库中的主要元件电路仿真操作步骤在SIM99的仿真元件库中，包含了如下一些主要的仿真元器件。

一、电阻

在库SimulationSymbols,lib中，包含了如卜-的电阻器：

RES固定电阻;

RESSEMI半导体电阻：

RPOT电位器：

RVAR变电阻。

这些元器件有一些特殊的仿頁•属性域，在放宜过程中按键或放置完成后双击该器件得到属性对话框，可如下设置：

Designator电阻器名称（如R1）:

PartType以欧姆为单位的电阻值（如100kQ）:

L可选项，电阻的长度（仅对半导体电阻有效）；

W可选项，电阻的宽度（仅对半导体电阻有效）：

Temp可选项，元件工作温度，以摄氏度为单位，缺省时为27°C（仅对半导体电阻有效）；

Set仅对电位器和可变电阻有效（在“PartFieldsI〜8”选项卡中设置取值0〜I）。

二、电容

在库SimulationSymbols.Lib中，包含了如下的电容:

CAP定值无极性电容：

CAPZ泄值有极性电容：

CAPSEMI半导体电容。

这些符号表示了一般的电容类型，如图2所示。

I+pApoI

〒CAP〒:

厶ZJZCAPSEM

图2仿真库中的电容类型对电容的属性对话框可如下设置：

Designator电容名称（如C1）:

PartType以法拉为单位的电容值（如22uF）:

L可选项，以公尺为单位的电容的长度（仅对半导体电容有效）：

W可选项，以公尺为单位的电容的宽度（仅对半导体电容有效）：

IC可选项，初始条件，即电容的初始电压值。

在“PartFieldsI〜8”选项卡中设置。

该项

仅在仿真分析工具傅里叶变换中的使用初始条件被选中后，才有效。

三、电感

任库SimulationSymbols.Lib中，包含了INDUCTOR电感，对电感的属性对话框可如下设置：

Designator电感名称（如L1）:

PartType以亨为单位的电感值（如27mH）:

IC可选项，初始条件，即电感的初始电压值。

在“PartFields1〜8”选项卡中设置。

该项仅在仿真分析工具博里叶变换中的使用初始条件被选中后，才有效。

四、二极管

在库Diode,lib中，包含了数目巨大的以工业标准部件数命名的二极管。

如图3所示，该图简单列出了库中包含的几种二极管。

12CT0015SDa3C6V2

图3仿真库中的二极管类型

对二极管的属性对话框可如下设置：

Designator二极管名称（如D1）:

Area可选项，该属性建义了所定义的模型的并行器件数：

IC可选项，初始条件，即通过2极管的初始电压值。

该项仅在仿真分析工具傅里叶变换中的使用初始条件被选中后，才有效；

Temp可选项，元件工作温度，以摄氏度为单位，缺省时为27°C。

五、三极管

在库Bjt.Ub中，包含了数目巨大的以工业标准部件数命划的三极管。

如图4所示，该图简单列岀了库中包含的三极管型号。

图4仿貞•库中的三极管类型

对三极管的属性对话框可如下设置：

Designator三极管名称（如Q1）:

Area可选项，该属性定义了所定义的模型的并行器件数；

IC可选项，初始条件，即通过三极管的初始电压值。

该项仅在仿真分析工具傅里叶变换中的使用初始条件被选中后，才有效：

Temp可选项，元件工作温度，以摄氏度为单位，缺省时为27oCa

六、JFET：

结型场效应晶体管

结型场效应晶体管包含在Jfet.lib库文件中。

如图5所示，该图简单列出了库中包含的结型场效应晶体管。

图7-5仿貞•库中的结型场效应晶体管类型

对结型场效应晶体管的属性对话框可如下设巻：

Designator结型场效应晶体管劣称（Q1）

Area可选项，该属性建义了所宦义的模型的并行器件数：

IC可选项，初始条件，即通过三极管的初始电压值。

该项仅在仿真分析工具傅里叶变换中的使用初始条件被选中后，才有效；

Temp可选项，元件工作温度，以摄氏度为单位。

缺省时为27°C。

七、MOS场效应晶体管

MOS场效应晶体管是现代集成电路中最常用的器件。

SIM99提供了四种MOSFET模型，它们的伏安特性公式各不相同，但它们基于的物理模型是相同的。

在库MOSfet.lib中，包含了数目巨大的以工业标准部件数命名的MOS场效应晶体管。

如图6所示，该图简单列岀

图6仿真库中的MOS场效应晶体管类型对MOS场效应晶体管的属性对话图框可如下设置：

DesignatorMOS场效应晶体管名称（如Q1）:

L沟道长度：

w沟逍宽度：

AD漏区面积：

AS源区而积：

PD漏区周长：

PS源区周长。

IC可选项，初始条件，即通过MOS场效应晶体管的初始值。

在“PartFieldsl〜8”选项卡中设宜。

该项仅在仿真分析工具博里叶变换中的使用初始条件被选中后，才有效：

Temp可选项，元件工作温度，以摄氏度为单位。

缺省时为27°C。

八、电压/电流控制开关

库SWitch.lib包含了如下的可用于仿真的开关：

CSW默认用电流控制开关

SW默认电压控制开关。

如图7所示，该图简单列出了库中包含的电压/电流控制开关。

CSWSHL

图7仿真库中的电压/电流控制开关类型

对电压/电流控制开关的属性对话框可如下设置：

Designator电压/电流控制开关名称（如S1）:

ON/OFF可选项，初始条件选择，该选项可为ON或OFF。

此开关模型描述了一个几乎理想化的开关。

实际中，开关不可能十分理想，是因为电阻值不能从0到无穷大变化，而是总有一个有限的正值。

通过适当选择开态和关态电阻，可使得这两个电阻与其他电路元件相比较时能看作零和无穷大。

SPICE仿貞•器内支持如表I所示的开关参数。

樓熨易數

定文

*位

攻认（ft

筒值电压

0.0

海后电伍

0.0

III

RON

开态电81

1.0

ROFF

关杰电用

1/GMIN

表1开关模型的参数

九、熔丝

Fuse.lib包含了一般的保险丝器件。

对熔丝的属性对话框可如下设置：

Designaor熔幺幺.名称（如F1）；

Curent熔断电流（单位A,如1A）：

Resistance可选项，以欧姆为单位的串联熔幺幺•阻抗。

+、继电器（RELAY）

库Relay.lib包括了大量的继电器，如图8所示。

图8仿貞•库中的继电器类型

对继电器的属性对话框可如下设置：

Designatr继电器名称：

Pullin触点引入电压；

DroPoff触点偏离电压：

Contar触点阻抗；

Resignator线圈阻抗。

Inductor线圈电感。

十一、互感（电感耦合器）

库Transformer.lib包括了大量的电感耦合器。

对电感耦合器的属性对话框可如下设置：

Desigator电感耦合器名称（如T1）:

Ratio二次侧/一次侧变压比,这将改变模型的默认值：

RP可选项，一次测阻抗：

RS可选项，二次侧阻抗。

十二、TTL和CMOS数字电路器件

在74XX」ib包含了74XX系列的TTL逻借元件；库Cmos.lib包含了4000

系列的CMOS逻辑元件。

设汁者可把上述元件库包含的数字电路器件用到所设汁的仿貞•图中。

对数字电路器件的属性对话框可如下设置：

Designator数字电路器件划称（如U1）：

Propagation可选项，元件的延时，可以设置为最大或最小来使用，默认值为典型值：

Drive可选项，输出驱动特性，可以设垃为最大或最小来使用：

Current可选项，标识器件功率的输出，可以设置为最大或最小来使用默认值为典型植:

PWRValue可选项，电源支持电压。

将改变默认数字元件支持电压值，一旦泄义该值，则GNDValue值也需电义；

GNDValue可选项，地支持电压。

将改变默认数字元件支持电压值，一旦立义该值，则

PWRValue值也需泄义；

VILValue低电平输入电压:

VIHValue髙电平输入电压：

VOLValue低电平输出电压；

VOHValue低电平输出电压。

举例如下：

如CMOS数字器件支持5V申压，一部情况下.它的任一输出管脚的高电平为5V,但是，一旦VOH被设置为5V,那么输出管脚的高电平将为8V。

十三、模块电路

SIM99中复杂元件都被用SPICE的子电路完全模型化，该元件没有设汁者需设置的选项。

对于这些元器件，设汁者只需简单放宜并设豊该标号。

所有的仿頁•用参数都已在SPICE子电路设泄好。

表2是SIM99中的仿貞•用数据库中包含的元件库以及所包含有的复杂元件的不冋类型的符号。

这些元件属性对话框中的PartType域中包括了该器件的SPICE模型，如果设汁者不愿修改所引用的SPICE模型，请不要修改该PartType域，所有标识可选项均有默认值，一般情况下，该默认值适用于太多仿真，设计者一般毋须修改这些值。

仪S/isp

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K5BTlib

龙像■叹僅搖体窗

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Opuzp.hb

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1肚件数萍序的不件直集试址

SCRJib

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表2集成块所在的元件库及说明

在Protel99中，每一仿真元件的特性由元件电气图形符号库和元件模型参数数据库描述。

仿真测试原理图内元件电气图形符号存放在DesignExplorer99\Library\SCH\Sim.ddb仿真分析用元件电气图形符号库文件包内，共收录了5800多个元器件，分类存放在如下元件电气图形符号库（・lib）文件中：

74XX・lib

7SEGDISP.libBJT.libBUFFER.libCAMP,libCMOS,lib

74系列TTL数字集成电路

7段数码显示器

工业标准双极型晶体管

缓冲器

工业标准电流反馈髙速运算放大器

CMOS数字集成电路元器件

Comparator,lib比较器

Crystal,libDiode.UbIGBT.libJFET.UbMATHJibMESFET.UbMisc.UbMOSFET.libOpAmp.UbOPTO.lib

晶体振荡器

工业标准一极管

工业标准绝缘栅双极型晶体管

工业标准结型场效应管

二端口数学转换函数

MES场效应管

杂合元件

工业标准MOS场效应管

工业标准通用运算放大器

光电耦合器件（实际上该库文件仅含有4N25和通用的光电耦合器件

OPTOISO两个元件）

Regulator,lib

Relay,lib

SCR.lib

电压变换器，如三端稳压器等继电器类

工业标准可控硅

SimulationSymbols.lib仿真测试用符号元件库

Switch,lib

Timer.libTransformer.UbTransLine.UbTRIAC.lib

TUBE.lib

开关元件

555及556霍时器

变压器

传输线

工业标准双向可控硅

电子管

UJT.Ub工业标准单结管

在放世元件过程中，按下Tab键调出元件属性窗口，设置元件有关参数时，必须注意：

一般仅需要指定必须参数，如序号、型号、大小（如果打算从电原理图获取自动布局所需的网络表文件时，则需要给出元器件的封装形式）；而对于可选参数，一般用“"代替（即采用缺省值），除非绝对必要，否则不宜改变。

SIM99中的激励源

在电路仿貞•过程中需要各种各样的激励源，这些激励源也取自sim.ddb数据库文件包内的SimulationSymbols.lib元件库文件中，包括直流电压激励源VSRC（voltagesource）与直流电流激励源ISRC（currentsource）、正弦波电压激励源VSIN（voltagesource）与正弦波电流激励源ISIN（currentsource）.周期性脉冲信号激励源VPULSE（voltagesource）与IPULSE（currentsource）、分段线性激励源VPWL（voltagesource）IPVVL（currentsource）等。

常用的直流电压激励源VSRC、正弦电压激励源VSIN、脉冲电压激励源VPLUS,可通过单击“Simulate”菜单下的“Source”命令选择相应激励源后，将苴拖到原理图编辑区内。

1）直流电压激励源VSRC与直流电流激励源ISRC

这两种激励源作为仿真电路工作电源，在属性窗口内，只需指立序号（Designator,如VDD、VSS等）及大小（PartType,如5、12等），如图9所示。

图9直流电源属性设置窗

2）」匸弦波信号激励源（SinusoidV/aveform）

正弦波激励源在电路仿貞•分析中常作为瞬态分析、交流小分析的信号源，执行菜单命令“Simulate'Source”，选择SineWave类型的激励源，就可以放置正弦波激励源，其参数设置对话框如图10所示。

图10正弦信号属性设置窗

3）脉冲激励源（Pulse）

脉冲激励源在瞬态分析中用得比较多，放置脉冲激励源的方法是：

执行菜单命令“Simulate'Source”，在弹出的子菜单内选择“Pulse”类型的激励源即可。

双击脉冲激励源符号，将弹岀如图11所示的属性设置对话框。

图门脉冲信号激励源属性设置窗

4）分段线性激励源VPWL与IPWL（PieceWiseLinear）

分段线性激励源的波形由几条直线段组成，是非周期信号激励源。

为了描述这种激励源的波形特征，需给岀线段各转折点时间一一电压（或电流）坐标（对于VPWL信号源来说，转折点坐标由“时间/电压”构成：

对于IPWL信号源来说，转折点坐标由“时间/电流”构成）.图7-12分段线性激励源属性

5）调频波激励源—VSFFM（电压调频波）和ISFFM（电流调频波）

调频波激励源也是高频电路仿貞•分析中常用到的激励源，调频波激励源位于Sim.ddb数拯库文件包内的SimulationSymbols.lib元件库文件中，放置调频波信号源的操作方法与放宜电阻、电容等的方法相同.

此外，SimulationSymbols.lib元件库内尚有英他激励源，如受控激励源、指数函数、频率控制的电压源等，这里就不一一列举了，根据需要可从该元件库文件中获取。

如果实在无法确定某一激励源或元件参数如何设苣时，除了从“帮助”菜单中获得有关信息外，还可以从Protel99的仿貞•实例中受到启发。

在DesignExplorer99\Examples\CircuitSimulation文件夹内含有数十个典型仿貞•实例，打开这些实例，即可了解元件、仿真激励源参数设置方法。

简单的电路仿真实例

一、仿真流程

在Protel99中进行电路仿真分析的操作过程可概括如下：

1）编辑原理图

利用原理图编辑器（SchematicEdit）编辑仿真测试原理图，在编借原理图过程中，除了导线、电源符号、接地符号外，原理图中所有元件的电气图形符号均要取自电路仿貞•测试专用电气图形符号数据库文件包Sim.ddb内相应元件电气图形符号库文件（.lib）,否则仿真时因找不到元件参数（如三极管的放大倍数、C-E结反向漏电流）而给出错误提示并终1匕仿真过程。

2）放宜仿真激励源（包括直流电压源）

在仿真测试电路中，必须包含至少一个仿真激励源。

仿真激励源被视为一个特殊的元件,放置、属性设置、位置编辑等操作方法与一般元件（如电阻、电容等）完全相同。

仿真激励源电气图形符号位于仿真测试专用元件电气图形文件包Sim.ddb内的SimulationSymbols.lib元件图形库文件中。

3）放置节点网络标号

在需要观察电压波形的节点上，放巻肖点网络标号，以便观察到指左节点的电压波形，原因是Protel99仿真程序只能自动检测支路电流、元件阻抗，没有节点电压。

4）选择仿真方式并设置仿真参数

在原理图编辑窗口内，指向并单击“Simulate”菜单下的“Setup...”命令（或直接单击主工具栏内的“仿真设宜”工具）进入"AnalysesSetup”仿貞•设置窗口，选择仿貞•方式及仿真参数。

5）执行仿真操作

在原理图编辑窗口内，指向并单击“Simulate”菜单下的“Run”命令（或直接单击主工具栏内的“执行仿真”工具）启动仿真过程，等待一段时间后即可在屏幕上看到仿真结果。

6）观察仿真结果

仿真操作结朿后，自动启动波形编借器并显示仿真数据文件（.sdf）的内容（或在“设计文件管理器”窗口内，单击对应的.sdf文件）。

在波形编辑器窗口内，观察仿頁•结果，若不满意，可修改仿真参数或元件参数后，再执行仿真操作。

7）保存或打印仿真波形

仿真结果除了保存在.sdf文件中外，还可以在打印机上打印出来。

二、仿真（Simulation）菜单项

1.Run

运行仿真命令，同工具条上的按钮。

2.Sources

此子菜单罗列岀了较常用的激励源。

我们在搭电路时，可以从这里找到常用的直流信号源、正弦信号源、脉冲信号源。

除了这些常用的信号源外，Protel99SE还支持指数源、分段线性源、单频率调频源、多项式源。

3.CreateSPICENetlist

建立SPICE网表，Protel99SE在仿真之前要生成网表文件，然后传递给SPICE去仿真。

4.Setup仿真设置。

仿真设置是否合理，直接影响到仿真结果。

下面我们将对仿真参数设置加以说明。

1分析（Analysis）主菜单

在General选项中，设计者可以选择分析类別。

2静态工作点分析

静态工作点是在分析放大电路中提出来的，它是放大电路正常工作的重要条件。

当把放大器的输入信号短路，则放大器处于无信号输入状态，称为静态。

如果静态工作点选择不合适,则输岀波形会失真，因此设置合适的静态工作点是放大电路正常工作的前提。

3直流扫描分析（DCSweep）

直流扫描分析就是直流转移特性，当某输入在一左范国内步进变化时，计算电路直流输出变量的相应变化曲线。

例如某个电压源从1V到20V变化，步长可由用户设圧，在每一个相应的电压将计算岀一套电路参数，并显示。

4交流小信号分析（ACSmallSignal）

交流分析是在一左的频率范朗内汁算电路和响应。

如果电路中包含非线性器件或元件，在计算频率响应之前就应该得到此元器件的交流小信号参数。

在进行交流分析之前，必须保证电路中至少有一个交流电源，也即在激励源中的AC属性域中设置一个大于零的值（在本电路中，设为1V）O

5温度扫描分析（TemperatureSweep）

温度扫描是指在一定的温度范国内进行电路参数汁算，用以确怎电路的温度漂移等性能指标。

6瞬态分析（TransientAnalysis）和付立叶分析（Fourier）

瞬态响应分析是对时域中的输入信号确定时域中的输岀。

计算机瞬态偏巻点的方法□直流偏置点不同。

直流偏置点被看作固左偏置点。

对于固立偏置点，电路右点的初始值对计算偏宜点和非线性元件的小信号参数时巧点初始值也考虑在内，因此有初始值的电容和电感也被看作是电路的一部分而保留下来。

7噪声分析（Noise）

（1）电阻和半导体器件等都能产生噪声，噪声电平取决于频率。

电阻和半导体器件产生不同类型的噪声（注意：

在噪声分析中，电容、电感和受控源视为无噪声元器件）。

对交流分析的每一个频率，电路中每一个噪声源（电阻或晶体管）的噪声电平都被汁算岀来。

它们以输出节点的电平通过将各均方根值相加得到。

噪声分析在电路设计中较为常见。

8传递函数分析（TransferFunction）

传递函数分析用于计算电路的直流输入、输岀电阻和直流增益。

9参数扫描分析（PararneSweep）

参数扫描分析它可以与直流、交流或瞬态分析等分析类型配合使用，对电路所执行的分析进行参数扫描，对于研究电路参数变化对电路特性的影响提供了很大的方便。

在分析功能上与蒙特卡罗分析和温度分析类似，它是按扫描变量对电路的所有分析参数扫描的，分析结果产生一个数据列表或一组曲线图。

10蒙特卡罗分析＜MonteCarlo）

蒙特卡罗分析是一种统计模拟方法，它是在给左电路元器件参数容差为统计分布规律的情况下，用一组组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。

三、电路仿真举例

下面将通过对一个简单模拟电路的仿真，具体说明Protel99se中仿真器的使用。

在此实例中，采用如图12所示的模拟电路。

计算英放大倍数，并进行瞬态分析。

比C2

图12分压式偏這放大电路

仿真步骤：

1.生成原理图文件。

这是进行仿真的基础和前提。

2.我们使用交流分析计算其放大倍数，图中V2是正弦信号源，双击该元件进入属性中PartFields页面，

将电压数值（ACMagnitude）字段内容设置为5mV.

图13V2正弦信号源设置

3.General页而设置：

执行菜单Simulate/Setup,屏幕弹出设置窗口的General页面。

设置该页而。

图14Genernal页而设置

4.设置交流分析（ACSmallSignal）。

GeneralTransient/Fouriet宜理…]Ncte|ParameterSweep

图17创建放大倍数曲线屏幕就显示放大倍数曲线。

可以看出中频放大倍数为97.4。

寻找放大倍数的0.707倍数点.可以找到上下限频率。

图18放大倍数曲线

图19光标显示设置

7.瞬态分析。

瞬态分析就是在输入端加入振幅（Amplitude）为10mV＞频率（Frequency）为1kHz的正弦信号，如图20所示。

首先设置General页而。

然后设置瞬态分析。

图7~22General页面设更

GeneralTfar«

rFcuwcg曲

FT.Frequocy11.000kHArmert

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