Protel99se电路仿真.docx

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Protel99se电路仿真

 Protel99se电路仿真

一般说来，在电路设计的开场与完毕时，设计者总要对所设计的电路的性能进展推算、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。

它可以让我们准确地仿真由各种器件，比方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：

1、必须用仿真库中的器件〔或用户自己建的器件仿真模型和器件符号〕搭成电路，仿真库在\\DesignExplorer99SE\Library\Sch\Sim.ddb文件中；

2、 必须有鼓励源；

3、对所关心的节点建立网络标号；

4、设定初始条件。

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，包含了如下的电阻器：

RES固定电阻;

RESSEMI半导体电阻；

   RPOT电位器；

   RVAR变电阻。

   上述符号代表了一般的电阻类型，如图l所示。

图l 仿真库中的电阻类型

   这些元器件有一些特殊的仿真属性域，在放置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100kΩ〕；

   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℃〔仅对半导体电阻有效〕；

   Set 仅对电位器和可变电阻有效〔在“PartFieldsl～8〞选项卡中设置取值0～l〕。

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 定值有极性电容；

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。

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“PartFieldsl～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

 在库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。

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℃。

五、三极管

在库Bjt.lib中，包含了数目巨大的以工业标准部件数命名的三极管。

如图4所示，该图简单列出了库中包含的三极管型号。

图4仿真库中的三极管类型

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27℃。

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仿真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置：

   Designator 结型场效应晶体管名称〔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27℃。

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一样，但它们基于的物理模型是一样的。

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，该图简单列出了库中包含的MOS场效应晶体管。

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沟道宽度；

AD漏区面积；

AS源区面积；

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“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；

Temp可选项，元件工作温度，以摄氏度为单位。

缺省时为27℃。

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。

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。

通过适中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拟时能看作零和无穷大。

SPICE仿真器内支持如表l所示的开关参数。

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熔丝名称〔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丝阻抗。

＋、继电器〔RELAY〕

库Relay.lib包括了大量的继电器，如图8所示。

图8仿真库中的继电器类型

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.lib包含了74XX系列的TTL逻辑元件；库Cmos.lib包含了4000

系列的CMOS逻辑元件。

   设计者可把上述元件库包含的数字电路器件用到所设计的仿真图中。

   对数字电路器件的属性对话框可如下设置：

   Designator数字电路器件名称〔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，可以设置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，一旦定义该值，那么GNDValue值也需定义；

   GNDValue可选项，地支持电压。

将改变默认数字元件支持电压值，一旦定义该值，那么PWRValue值也需定义；

   VILValue低电平输入电压；

   VIHValue高电平输入电压；

   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，该元件没有设计者需设置的选项。

对于这些元器件，设计者只需简单放置并设置该标号。

所有的仿真用参数都已在SPICE子电路设定好。

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

这些元件属性对话框中的PartType域中包括了该器件的SPICE模型，如果设计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。

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           74系列TTL数字集成电路

7SEGDISP.lib       7段数码显示器

BJT.lib           工业标准双极型晶体管

BUFFER.lib        缓冲器

CAMP.lib           工业标准电流反应高速运算放大器

CMOS.lib           CMOS数字集成电路元器件

parator.lib     比拟器

Crystal.lib         晶体振荡器

Diode.lib           工业标准二极管

IGBT.lib            工业标准绝缘栅双极型晶体管

JFET.lib                工业标准结型场效应管

MATH.lib            二端口数学转换函数

MESFET.lib          MES场效应管

Misc.lib                杂合元件

MOSFET.lib          工业标准MOS场效应管

OpAmp.lib            工业标准通用运算放大器

OPTO.lib           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            电压变换器，如三端稳压器等

Relay.lib             继电器类

SCR.lib             工业标准可控硅

SimulationSymbols.lib 仿真测试用符号元件库

Switch.lib             开关元件

Timer.lib              555及556定时器

Transformer.lib        变压器

TransLine.lib          传输线

TRIAC.lib              工业标准双向可控硅

TUBE.lib               电子管

UJT.lib               工业标准单结管

在放置元件过程中，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，那么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，否那么不宜改变。

SIM99中的鼓励源

在电路仿真过程中需要各种各样的鼓励源，这些鼓励源也取自sim.ddb数据库文件包内的SimulationSymbols.lib元件库文件中，包括直流电压鼓励源VSRC（voltagesource）与直流电流鼓励源ISRC（currentsource）、正弦波电压鼓励源VSIN（voltagesource）与正弦波电流鼓励源ISIN（currentsource）、周期性脉冲信号鼓励源VPULSE（voltagesource）与IPULSE（currentsource）、分段线性鼓励源VPWL（voltagesource）与IPWL（currentsource）等。

常用的直流电压鼓励源VSRC、正弦电压鼓励源VSIN、脉冲电压鼓励源VPLUS，可通过单击“Simulate〞菜单下的“Source〞命令选择相应鼓励源后，将其拖到原理图编辑区内。

1）直流电压鼓励源VSRC与直流电流鼓励源ISRC

  这两种鼓励源作为仿真电路工作电源，在属性窗口内，只需指定序号〔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）正弦波信号鼓励源〔Sinusoid Waveform〕

   正弦波鼓励源在电路仿真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类型的鼓励源，就可以放置正弦波鼓励源，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）脉冲鼓励源〔Pulse〕

   脉冲鼓励源在瞬态分析中用得比拟多，放置脉冲鼓励源的方法是：

执行菜单命令“Simulate\Source〞，在弹出的子菜单内选择“Pulse〞类型的鼓励源即可。

双击脉冲鼓励源符号，将弹出如图11所示的属性设置对话框。

图11 脉冲信号鼓励源属性设置窗

4）分段线性鼓励源VPWL与IPWL〔PieceWiseLinear〕

    分段线性鼓励源的波形由几条直线段组成，是非周期信号鼓励源。

为了描述这种鼓励源的波形特征，需给出线段各转折点时间——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 分段线性鼓励源属性

5）调频波鼓励源——VSFFM〔电压调频波〕和ISFFM〔电流调频波〕

    调频波鼓励源也是高频电路仿真分析中常用到的鼓励源，调频波鼓励源位于Sim.ddb数据库文件包内的SimulationSymbols.lib元件库文件中，放置调频波信号源的操作方法与放置电阻、电容等的方法一样.

  此外，SimulationSymbols.lib元件库内尚有其他鼓励源，如受控鼓励源、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鼓励源或元件参数如何设置时，除了从“帮助〞菜单中获得有关信息外，还可以从Protel99的仿真实例中受到启发。

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

简单的电路仿真实例

一、仿真流程

在Protel99中进展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，在编辑原理图过程中，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真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〕，否那么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止仿真过程。

2）放置仿真鼓励源（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鼓励源。

仿真鼓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〕完全一样。

仿真鼓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，放置节点网络标号，以便观察到指定节点的电压波形，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“仿真设置〞工具〕进入“AnalysesSetup〞仿真设置窗口，选择仿真方式及仿真参数。

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

   仿真操作完毕后，自动启动波形编辑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，观察仿真结果，假设不满意，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

此子菜单罗列出了较常用的鼓励源。

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别。

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，那么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适宜，那么输出波形会失真，因此设置适宜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，当某输入在一定范围内步进变化时，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，步长可由用户设定，在每一个相应的电压将计算出一套电路参数，并显示。

④交流小信号分析〔ACSmallSignal〕

交流分析是在一定的频率范围内计算电路和响应。

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。

在进展交流分析之前，必须保证电路中至少有一个交流电源，也即在鼓励源中的AC属性域中设置一个大于零的值〔在本电路中，设为1V〕。

⑤温度扫描分析〔TemperatureSweep〕

温度扫描是指在一定的温度范围内进展电路参数计算，用以确定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出。

计算机瞬态偏置点的方法与直流偏置点不同。

直流偏置点被看作固定偏置点。

对于固定偏置点，电路节点的初始值对计算偏置点和非线性元件的小信号参数时节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局部而保存下来。

⑦噪声分析〔Noise〕

⑴    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〕的噪声电平都被计算出来。

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、输出电阻和直流增益。

⑨参数扫描分析〔ParameSweep〕

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展参数扫描，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，它是在给定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展直流、交流小信号和瞬态分析，并通过屡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。

计算其放大倍数，并进展瞬态分析。

图12分压式偏置放大电路

仿真步骤：

1．生成原理图文件。

这是进展仿真的根底和前提。

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13 V2正弦信号源设置

3．General页面设置：

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

设置该页面。

图14 Genernal页面设置

4．设置交流分析〔ACSmallSignal〕。

图15设置交流分析

5．输出结果见交流分析sdf，如下图。

它是输出端电压out的频率特性，可以使用View/Scaling菜单将X轴的标尺〔X-Scale〕改为对数〔Log〕。

图16 频率特性曲线

6．