OrCADPSpice简明教程.docx

1、OrCADPSpice简明教程PSPICE 简明教程宾西法尼亚大学电气与系统工程系University of PennsylvaniaDepartment of Electrical and Systems Engineering编译：陈拓2009年8月4日原文作者：Jan Van der Spiegel, 2006 jan_at_seas.upenn.edu Updated March 19, 2006目录1. 介绍2. 带 OrCAD Capture 的 Pspice 用法 2.1 第一步：在 Capture 中创建电路 2.2 第二步：指定分析和仿真类型偏置或直流分析（BIAS or D

2、C analysis） 直流扫描仿真（DC Sweep simulation）2.3 第三步：显示仿真结果2.4 其他分析类型： 瞬态分析（Transient Analysis） 交流扫描分析（AC Sweep Analysis） 3. 附加的使用 Pspice 电路的例子3.1 变压器电路3.2 使用理想运算放大器的滤波器交流扫描（滤波器电路)3.3 使用实际运算放大器的滤波器交流扫描（滤波器电路)3.4 整流电路（峰值检波器）和参量扫描的使用 峰值检波器仿真（Peak Detector simulation） 参量扫描（Parametric Sweep） 3.5 AM 调制信号3.6 中心

3、抽头变压器4. 添加和创建库：模型和元件符号文件4.1 使用和添加厂商库4.2 从一个已经存在的 Pspice 模型文件创建 Pspice 符号4.3 创建你自己的 Pspice 模型文件和符号元件 参考书目1. 介绍SPICE 是一种强大的通用模拟混合模式电路仿真器，可以用于验证电路设计并且预知 电路的行为，这对于集成电路特别重要，1975 年 SPICE 最初在加州大学伯克利分校被开发 时也是基于这个原因，正如同它的名字所暗示的那样：Simulation Program for Integrated Circuits Emphasis.PSpice 是一个 PC 版的 SPICE（Pers

4、onal-SPICE），可以从属于 Cadence 设计系统公司 的 OrCAD 公司获得。学生版（功能受限）随教科书奉送。OrCAD 的学生版称为 PSpice AD Lite 。 有 关 PSpice AD Lite 的 信 息 可 以 从 OrCAD 的 网 站 获 得 ： Pspice 的学生版有下面的限制：电路最多有 64 个节点，10 个晶体管和 2 个运算放大器。SPICE 可以进行各种类型的电路分析。最重要的有： 非线性直流分析：计算直流传递曲线。 非线性瞬态和傅里叶分析：在大信号时计算作为时间函数的电压和电流；傅里叶分 析给出频谱。 线性交流分析：计算作为频率函数的输出，并产

5、生波特图。 噪声分析 参量分析 蒙特卡洛分析另外，Pspice 有标准元件的模拟和数字电路库（例如：NAND，NOR，触发器，多选器，FPGA，PLDs 和许多数字元件）。这使得它成为一种广泛用于模拟和数字应用的有用工具。 所有分析都可以在不同温度下进行。默认的温度是 300K。电路可以包含下面的元件： Independent and dependent voltage and current sources 独立和非独立的电压、电流源 Resistors 电阻 Capacitors 电容 Inductors 电感 Mutual inductors 互感器 Transmission lines

6、 传输线 Operational amplifiers 运算放大器 Switches 开关 Diodes 二极管 Bipolar transistors 双极型晶体管 MOS transistors 金属氧化物场效应晶体管 JFET 结型场效应晶体管 MESFET 金属半导体场效应晶体管 Digital gates 数字门 其他元件 (见用户手册)。2. 带 OrCAD Capture 的 PSpice（9.2 学生发行版)在开始仿真电路之前，你需要指定电路配置，这可以用多种方法进行。方法之一是按照 元件、连接、元件的模型和分析的以文本文件输入电路描述。该文件被称为 SPICE 输入文件或源文

7、件（可参考：http:/www.seas.upenn.edu/%7Ejan/spice/spice.overview.html）。 另一种方法是使用原理图输入程序，例如 OrCAD CAPTURE。OrCAD Capture 与 PSpiceLite AD 在随教科书提供的同一张光盘上。OrCAD Capture CIS 版集成了具有器件信息系统(Component Information System，简称 CIS)的 OrCAD Capture 原理图设计应用功能。该软件的设计着重考虑了降低花在查询现有重 复采用的器件上面的时间，以及减少手工登记元器件的信息内容和元器件数据库的维护。对 元

8、器件的查询是基于它们所拥有的电性能参数，通过采用 OrCAD Capture CIS 软件可以自动 地检索相关联的器件情况。Capture 是一个用法友好的程序，它允许你获取电路的原理图并且指定仿真的类型。Capture 不但可以产生输入文件而且可以用于 PCB 布局设计程序。 下面的图概要说明了有关用 Capture 和 PSpice 仿真一个电路的不同步骤。我们将通过几个例子简要地描述这些步骤的每一步。第一步：用 Capture 创建电路 创建一个新的模拟，混合 AD 项目 放置电路元件 连接元件 指定值和名字 第二步：指定仿真类型 创建一个仿真模板 选择分析类型： 偏置，DC 扫描，晶体

9、管，AC 扫描 运行 PSpice第三步：观察结果 添加曲线到探测窗口 用光标分析波形描 运行 Pspice 保存或打印结果 图 1：用 Pspice 仿真电路的步骤元件的值可以用下面的度量因子指定（大小写均可）：T or Tera (= 1E12) U or Micro (= E-6)G or Giga (= E9)NorNano (= E-9)MEG or Mega (= E6)PorPico (= E-12)K or Kilo (= E3)FofFemto (= E-15)M or Milli (= E-3)在 Pspice 和 Hspice 中都允许大写和小写字母。例如，可以下面的方法

10、指定一个 225pF的电容：225P，225p，225pF；225pFarad；225E-12；0.225N。注意：兆被写为 MEG，例如一个 15 兆欧姆的电阻可以被指定为 15MEG，15MEGohm， 15meg 或 15E6。小心 M 与 Mega！如果你写 15Mohm 或 15M，Spice 将会把它们读为 15 milliOhm！作为例子，我们将对下面的电路进行不同类型的仿真。图 2：要被仿真的电路（OrCAD Capture 的屏幕快照）2.1 第一步：在 Capture 中创建电路2.1.1 创建新项目1. 打开 OrCAD Capture CIS Lite Edition。

11、2. 创建一个新项目：File New Project。3. 输入项目的名字，例如 Bias and DC Sweep。项目文件的扩展名为.opj，双击项目文 件可以打开项目。4. 选择 Analog or Mixed-AD 模拟或混合-AD。5. 在 Location 框中输入项目路径。点击 OK。6. 在 Create PSpice Project 对话框打开时，选择“Create Blank Project”。 一个新的页将在 Project Design Manager 中打开，如下所示。图 3：OrCAD Capture 界面2.1.2. 放置元件并连接它们1. 在 Capture

12、中点击原理图窗口。2. 用 Place Part 命令放置元件或点击 Place Part 图标，打开如图 4 的对话框。图 4：放置元件窗口 Place Part3. 选择包含所需元件的库。在 Part 文本框中输入元件名字的开始部分，如图中的 R， 元件列表将卷动到其名字包含输入字母的元件处。第一次使用 Capture 时如果没有 库可用，你必须点击 Add Library 添加库按钮，打开 Add Library 窗口将，选择需要 的库。Spice 库在路径 CaptureLibraryPspice 下。常用的 Library 有下面几个： Analog：包含无源元件（R、L、C），互感

13、器，传输线，以及电压和电流非独立的 源（电压控制的调用源 E、电流控制的电流源 F、电压控制的电流源 G 和电流控制 的电压源 H）。 Source：给出不同类型的独立电压和电流源，例如：Vdc（直流电压），Idc（直流 电流），Vac（交流电压），Iac（交流电流），Vsin（正弦电压），Vexp（指数电压）， 脉冲，分段线性，等。先浏览一下库，看那些元件可用。 Eval：提供二极管（D），双极型晶体管（Q），MOS 晶体管，结型场效应晶体 管（J），真实运算放大器；如 u741，开关（SW_tClose, SW_tOpen），各种数字 门和元件。 Abm：包含一个可以应用于信号的数学运算符

14、选择，例如：乘法（MULT），求和（SUM），平方根（SWRT），拉普拉斯（LAPLACE），反正切（ARCTAN），等。Special：包含多种其他元件，像参数、节点组，等。4. 从库中选择电阻、电容和直流电压以及电流源。你可以用鼠标左键放置元件，用鼠 标右键点击旋转元件。如果要放置相同元件的另一个实例，可以再次点击鼠标左键。 对某个元件完成特定的操作后按 ESC 键, 或右击并选择 End Mode。可以给电容器 添加初始化条件；双击该元件将打开看起来像电子表格的 Property 属性窗口，在 IC 列的下面输入初始化条件的值，例如，2V。对于我们的例子我们假定 IC 是 0V（这是默认

15、值）。移动元件时 Snap to grid 工具控制元件是否吸附到网格上。5. 在放置好所有的元件后，你需要点击 GND 图标放置 Ground 地端子（在右边的工 具栏中，见图 3）。当放置地窗口打开时，选择 GND/CAPSYM 并且给它命名为 0。 不要忘记改变其名字为 0，否则 PSpice 将给出一个错误或“Floating Node”。原因 是 SPICE 需要一个地端子作为参考节点，其名字或节点号必须是 0。图 5：放置低端子对话框；地端子的名字应该是 06. 现在用从菜单用 Place Wire 命令或点击 Place Wire 图标连接元件。7. 你可以用 PLACE NET

16、 ALIAS 菜单命令为网络或节点指定别名。我们将输出和输 入节点命名为 Out 和 In，见图 2。快捷键：I: 放大 O:缩小C: 以光标所指为新的窗口显示中心W: 画线 On/Off P: 快速放置元件 R: 元件旋转 90 N: 放置网络标号J : 放置节点 On/Off F: 放置电源H: 元件标号左右翻转 V: 元件标号上下翻转 G: 放置地B: 放置总线 On/Off E: 放置总线端口Y: 画多边形T: 放置 TEXTPageUp : 上移一个窗口 Ctrl+ PageUp : 左移一个窗口 PageDn : 下移一个窗口 Ctrl+ PageDn : 右移一个窗口 Ctrl+

17、F: 查找元件 Ctrl+E: 编辑元件属性Ctrl+C: 复制 Ctrl+V: 粘贴Ctrl+Z: 撤消操作2.1.3. 为元件指定值和名字1. 双击电阻旁边的数字改变电阻值。你也可以改变电阻的名字。对于电容、电压和电 流源的操作是一样的。2. 为节点指定名字（例如：Out 和 In 节点）。3. 保存项目。2.1.4. 生成网表网表用简单的格式给出所有元件的列表：R_namenode1node2valueC_namenodexnodeyvalue, etc.1. 用 PSpice Create Netlist 菜单命令产生网表。2. 在项目 Project Manager 管理窗口（在文件

18、窗口的左边）中双击 Outputs/ 文 件可以查看网表，如下表。关于元件中电流方向的注释：在元件中，例如在电阻中，正电流方向是从节点 1 到节点 2 的。对于水平方向的元件节点 1 是左边的引脚，对于垂直方向的元件节点 1 是上面的引脚。将元件旋转 180 度可以交换 引脚号。为了验证节点号你可以查看网表，例如：R_R2 node1 node2 10k R_R2 0 OUT 10k因为我们兴趣在从 OUT 输出节点到地的电流方向，我们需要旋转电阻 R2 两次以使节点名相互交换，重新生成网表，查看变化：R_R2 OUT 0 10k2.2 第二步：指定分析和仿真的类型如在介绍中所提及的那样，Sp

19、ice 允许你做直流偏置，直流扫描，傅里叶瞬态分析，交 流分析，蒙特卡洛/最差情况扫描，参量扫描和温度扫描。我们将首先解释怎样在图 2 的电 路上做直流偏置和直流扫描。2.2.1 偏置或直流分析1. 打开原理图，在 PSpice 菜单上选择 New Simulation Profile。 2. 在文本框 Name 中输入一个描述性的名字，例如 Bias。3. 从 Inherit From 列表中选择 none 并点击 Create。4. 当 Simulation Setting 仿真设置窗口打开时，对于 Analyis Type 分析类型，选择 Bias Point 偏置点并点击 OK。5.

20、现在你已经准备好运行仿真了：PSpice Run。6. 一个状态窗口将打开，让你知道是否仿真成功，如果有错，可查看仿真输出文件， 或 Session Log 窗口（该窗口不能关闭）。7. 为了看到直流偏置点的仿真结果，你可以打开仿真输出文件或返回原理图并点击 V 图标（偏置电压显示）和 I 图标（偏置电流显示）显示电压和电流，见图 6。 为了检查电流方向，你必须查看网表：电流的正方向是从节点 1 流到节点 2（见上面有关电流方向的注释）。 图 6：显示在原理图上的偏置分析结果2.2.2 直流扫描仿真使用相同的电路进行 0 和 20V 之间的电压源扫描的误差估计。保持电流源恒定在 1mA。1.

21、从 Pspice 菜单创建一个新的 New Simulation Profile 仿真配置文件；我们将称它为DC Sweep，Inherit From 还是 none。2. 为了分析 DC Sweep；输入将被扫描的电压源的名字：V1，分别指定开始值、结束 值和步距：0，20 和 0.1V，（见图 7）。图 7：设置 DC Sweep 仿真3. 运行仿真 Pspice Run。PSpice 将产生一个包含电路中所有电压和电流值的输出文 件。2.3 第三步：显示仿真结果Pspice 有一个用户友好的界面于显示仿真结果，一旦仿真结束，如图 8 所示的 Probe 探 针窗口将打开。你可以用下面两种

22、方法添加踪迹以显示仿真结果。图 8：探针窗口1. 从 TRACE 菜单选择 ADD TRACE 并且选择你想要显示的电压和电流。在我们的例 子中，我们将添加 V(out)和 V(in)，点击 OK。图 9：Add Traces 添加踪迹窗口2. 你也可以在原理图中用 Voltage Markers 电压标记添加踪迹。从 PSpice 菜单选择 Markers Voltage Level。在 Out 和 In 节点上放置标记。做完后，右击并选择 End Mode。图 10：用 Voltage Markers 电压标记 V(out)和 V(in)显示仿真结果3. 返回探针窗口，波形出现了。4. 你

23、可以添加第二个 Y 轴并用它显示电阻 R2 上的电流，就像下面图 11 显示的那样。 从探针窗口菜单选择 Plot Add Y Axis，下一步，为 I(R2)添加踪迹。5. 你也可以在曲线图上用光标取 Vout 和 Vin 踪迹上某些点的实际值。从探针窗口菜单 选择 Trace Cursor Display。6. 光标将与第一个踪迹相关联，作为指示，在窗口底部 V(OUT)的图例被很小的虚线 矩形所围。左击第一条踪迹， X 和 Y 轴的值被显示在 Probe Cursor 探针光标窗口 中。在 Probe Cursor 窗口中，左击踪迹时 A1 的值变化，右击踪迹可以改变 A2 的值， di

24、f 给出 A1 和 A2 的差。点击左、右键时拖动光标可以观察 A1 或 A2 值的连续变化。 图越大光标定位的精度越高。在图例上先点右击再选左键切换所关注的踪迹。7. 为了将光标与第二个踪迹（用于 V(IN)）相关联，右击窗口底部 V(IN)的图例。你 将看到围绕在 V(IN)周围的轮廓，当你右击第二个踪迹时光标会吸到它上面。第一 个和第二个光标的值以及它们之间的差值将显示在 Probe 探针窗口。8. 双击 X 和 Y 轴可以改变它们的刻度等属性。9. 在添加踪迹时你可以在踪迹上进行数学计算，如图 9，在 Add Trace 窗口的右边所 示。图 11：直流扫描的结果，显示 Vout，Vi

25、n 和通过电阻 R2 的电流。光标被用于 V(out)和 V(in)右击一条踪迹的图例，可以改变其颜色等属性。 选择一条踪迹的图例，按 Delete 键，可以删除该踪迹。2.4 其他的分析类型2.4.1 瞬态分析（时域分析）我们将使用同样的电路做瞬态分析，但在电路中添加了一个开关来控制施加在 C1 上的 电压和电流源，如图 12 所示。图 12：用于瞬态分析的电路1. 如上图所示从 EVAL 库插入 Sw_tCLOSE 开关。双击开关 TCLOSE 的值，输入 Value为 5m，使得 TCLOSE = 5 ms。2. 设置瞬态分析：从菜单选择 PSpice New Simulation Pr

26、ofile 命令。命名为 Transient。 3. 当仿真设置窗口打开时，选择 Time Domain (Transient)时域瞬态分析。输入运行时间，我们设它为 200 ms。对于 Maximum Step 最大步长的大小，你可以让它空着或 输入 10us，如果空着波形不光滑，越小波形越光滑。4. 运行 Pspice。一个探针窗口将打开。5. 你现在可以添加踪迹以显示结果。我们在探针窗口中用 Plot Add Plot to Windew 命令添加一个图表，在窗口的上面的图表中绘制通过电容 C1 的电流，其方向可以 通过旋转电容并重新创建网表来改变；在窗口的下面的图表中绘制电容上的电压。

27、 用光标找指数曲线的时间常数（找 0.632 x 14.994V(out)max = 9.48V。光标给出相对 应时间约为 30ms，该处的时间常数 30-5=25ms（计算式 R1|R2C1），因为开关在 5ms 处被关闭，所以要减去 5ms）。图 13：图 12 的瞬态仿真结果6. 我们可以用一个改变结束时间的电压源代替开关。如图 14，我们使用 SOURCE 库 中的 VPULSE 和 IPULSE 源。输入电平（V1 和 V2），延时（TD），上升（TR）和 下降（TF）时间，脉冲宽度（PW）和周期（PER），这些值都在下面的图中。关于 这些参数的详情和其他 Spice 元件的描述可以

28、从用户指南或 Spice 教程中找到 http:/www.seas.upenn.edu/jan/spice/。图 14：使用脉冲电流和电压源的电路7. 在做过瞬态仿真之后，其结果可以像前面我们做过的那样被显示出来。8. 瞬态分析最后的例子是用一个正弦信号 VSIN。电路示于图 15。我们设正弦的幅度 为 10V，频率为 10 Hz。图 15：具有正弦输入的电路9. 为瞬态分析创建一个仿真配置文件 Simulation Profiler，并且运行 Pspice。 10. 对于 Vout 和 Vin 仿真的结果见图 16。图 16：正弦输入的瞬态仿真2.4.2 交流扫描分析（频域分析）交流分析将使

29、用一个正弦电压，其频率在一个指定的范围内扫描。仿真计算频率所对应的电压和电流的幅度以及相位。当输入幅度被设置为 1V 时，输出电压基本上是传递函数。 对比正弦瞬态分析，交流分析不是时域仿真而是电路的正弦稳态仿真。当电路包含像二极管 和晶体管这样的非线性元件时，这些元件将用它们的小信号模型代替，小信号模型的参数值 根据相应的偏置点计算。在第一个例子中，我们我们将展示一个简单的 RC 滤波器，相应的电路图见图 17。图 17：用于交流扫描仿真的电路1. 创建一个新的项目并构造电路。2. 从 Sources 库选择 VAC 作为电压源。3. 设置输入源的振幅为 1V。4. 创建仿真配置文件，命名为

30、AC Sweep。在 Simulation Settings 仿真设置窗口中，选 择 AC Sweep/Noise。5. 输入开始和结束频率和十进制刻度的点数。对于我们的例子，它们分别设置为0.1Hz，10 kHz 和 11。6. 运行仿真。7. 在探针窗口中为输入电压添加踪迹。除了显示输出电压的大小，我们添加第二个窗 口以显示相位。在 Add Trace 添加踪迹窗口中，电压可以用指定 Vdb(out)的方法用 dB 显示（在 Trace Expression 框中直接输入 VDB(OUT) 。对于相位输入 VP(OUT)）。8. 另一个以 dB 为单位显示电压和相位的可选方法是在原理图上使用标记：用 PSpice Markers Advanced dBMagnitude of Voltage 和 Phase of Voltage 菜单命令，在感兴 趣的节点上放置标记。9. 我们在图 18 中使用光标找 3dB 的点。与时间常数 25 ms (R1|R2C1)处相应的频率 是 6.37 Hz（f3db=1/(2RC)），幅度约为-9dB。在 0.1Hz 处的 Vout 衰减约为-6dB 或因 数 2（20logX=6dB，X=2），A1 和 A2 之差约为 3dB。相应的输出电压振幅值已在 图 16 的瞬态分析期间获得。图 1