電路仿真

電子電路仿真（英語：Electronic circuit simulation），是指使用數學模型來對電子電路的真實行為進行模擬的工程方法。

基本介紹

• 中文名：電路仿真
• 外文名：Electronic circuit simulation
• 常用軟體：Multisim系列，Cadence
• 類別：模擬實際功能

簡介

電子電路仿真（英語：Electronic circuit simulation），是指使用數學模型來對電子電路的真實行為進行模擬的工程方法。

仿真系統可以對電路的功能行為進行模擬，而不需要建立實際的電路（這過程可能繁瑣而昂貴），因此它是一種很有實用價值的工具。由於仿真系統對真實情況的模擬越來越逼真，許多大學、研究機構都會使用這類工具來輔助電子工程方面的教學。由於電子電路仿真系統一般具有較好的圖形化界面，它們常常可以使用戶有身臨其境的感覺。對於初學者，他們可以在仿真軟體的幫助下進行分析、綜合、組織和評估所學的知識。

在構建實際的電路之前，對設計進行仿真驗證，可以大大地提高設計效率。這是由於，設計人員可以在構建電路之前，預先觀察、研究電路的行為，而不必為電路的物理實現付出時間和經濟的成本。尤其是積體電路，在物理上實現電路所需的光掩模等電子工藝成本不菲，而積體電路的高複雜性又在麵包板上面難以實現，用傳統的方法研究電路的行為較為困難。因此，幾乎所有的積體電路設計都較為依賴仿真。最著名的模擬仿真是SPICE，而最著名的數字電路仿真器都是基於Verilog或VHDL的。

一些電子仿真系統集成了原理圖編輯器、仿真引擎、波形顯示功能，這樣使用戶可以輕鬆地觀察電路行為的即時狀態。通常，仿真系統也會包括擴展模型以及電子元件庫。其中模型主要包括積體電路專用的電晶體模型，例如BSIM；而元件庫會提供很多通用元件，如電阻器、電容器、電感元件、變壓器和用戶定義的模型（例如受控的電流源、電壓源），此外還可以提供Verilog-A或VHDL-AMS中的一些模型）。印刷電路板設計還要求專用的模型，例如線路走線的傳輸線模型和IBIS模型等。

類型

儘管存在嚴格的模擬信號電子電路仿真器，大多數仿真器同時包含模擬和事件驅動的數字仿真器。它們通常被稱為混合模式仿真器（mixed-mode simulators）。這意味著，大多數仿真系統都包含模擬、數字兩部分元件。這樣，混合信號處理就可以在同一個集成原理圖上完成。在混合模式仿真系統中，數字模式提供了對於時序、上升沿、下降沿延遲的準確規定。

混合模式模擬器提供了事件驅動的算法，並支持非數字類型的數據。例如，可以使用實型數（real）和整數（integer）來模擬數位訊號處理器或數據採樣濾波器的功能。由於事件驅動算法比標準的SPICE矩陣解決方案更快，因此使用事件驅動算法來替代模擬類型的模型，可以節省時間。

混合模式仿真分為以下三個層次：

1. 採用原始的數位化元素和時序模型的數字邏輯仿真器
2. 採用積體電路實際電晶體拓撲結構的子電路模型
3. 採用邏輯代數表達式

在傳輸線模型、信號完整性的分析中，需要對積體電路的輸入輸出連線埠的性質進行仔細檢查，這時要套用精確的電路描述。邏輯代數表達式是不具備時間延遲函式的，在模擬環境中，它們可以提供對於邏輯信號的處理。這兩個模型使用了SPICE來解決問題，而在第三種方法中，則使用了仿真器的混合模型。上述的每一種方法，都有各自的優點，並適應著不同的套用場合。事實上，許多仿真系統（尤其是那些涉及模數、數模轉換的情況）需要各種方法的綜合，單獨依靠某一個途徑不足以解決問題。

另外一類仿真主要是針對電力電子技術，它們具有分段線性（piecewise linear）的算法模型。

複雜性

在矽積體電路的製造中，由於工藝的水平，可能造成其電氣屬性與標稱值有一定的偏差，而電路仿真器常常並沒有考慮到這些在實際的矽積體電路中存在的偏差。這些參數的偏差可能很小，但是常常在整個電路中累積起來會嚴重地影響晶片的輸出。

溫度也會造成偏差，不過有一些技術可以對溫度的影響進行建模，從而允許設計人員在對電路仿真時檢查它在不同溫度下的性能。