基本介紹
- 中文名：電路模擬
- 外文名：Circuit Simulation
電路模擬簡介,電路模擬的基本分析法,直流分析,交流分析,暫態分析,電路模擬軟體,SPICE模擬器簡介,電路模擬器的分析類型,瞬態分析,傅立葉分析,噪聲分析,失真分析,DC掃描分析,靈敏度分析,參數掃描分析,溫度掃描分析,轉換功能分析,最壞情況分析,
電路模擬簡介
在邏輯設計完成以後，需要進行電路設計。電路設計的任務是根據所要求的電路性能，例如速度、功耗、電源電壓、邏輯操作類型和信號電平的容限等確定電路的結構和各元器件的參數；同時應考慮工藝上可能發生的偏差與使用溫度上的變化等，使得所設計的電路仍能達到規定的性能。到目前為止，除了少數特殊類型的電路外，還沒有自動電路設計軟體。在實際中，一般是設計者根據設計指標，提出電路框圖，進行電路結構的設計和元器件參數的初步確定，然後利用電路模擬程式對該電路進行模擬分析，再根據分析結果進行修改，經過多次反覆，最後得到符合要求的電路。
傳統的驗證方法是採用“實驗裝置”法，即根據電路搭成實驗板，使用儀器儀表做實地測試以檢驗該電路是否符合要求。電路模擬，簡單地說，就是根據電路的拓撲結構和元器件參數將需要分析的電路問題轉換成適當的數學方程並求解，根據計算結果檢驗電路設計的正確性。與傳統的電路驗證方法相比，採用EDA方法進行電路分析驗證不需要實際的元器件，而且還可以進行各種條件的模擬甚至破壞性模擬實驗，在大規模積體電路設計中有顯著的優勢。
電路模擬的精確度不僅與元器件模型本身有關，還與給定的元器件模型參數的正確性有密切關係。為此在電路設計之前，需要從所選擇的工藝方案中得到某些模型參數值（如薄層電阻值、氧化層厚度、單位面積結電容等），或者對同一類工藝的實際電路進行測量，從測量值中推算出這些模型參數值。
電路模擬的基本分析法
從電路分析的角度看。最主要的有以下三種分析法。
（1）直流分析（DC analysis）；
（2）交流分析（頻域分析，AC analysis）；
（3）暫態分析（時域分析，Transient analysis）；
其他的分析法都是基於這三種模擬分析方法建立的。
直流分析
求解電路直流工作點的運算叫做直流分析。在信號放大電路中，直流工作點為大家所熟知。那就是電路帶電而信號為零時的工作狀態。此時電路各點的電流、電壓就稱為電路的直流工作點。其他電路並不一定實際存在這樣意義的工作點。可以認為，模擬仿真中的直流工作點的概念是信號放大電路的直流工作點的延伸。在電路模擬仿真領域中，這樣一個工作點為各種電路的分析提供了一個平台。在進行交流分析或暫態分析之前，都要進行直流分析計算，以確定非線性元件線性化的基點。因此，成功的直流分析是電路模擬仿真成功的關鍵。
一般來說，直流工作點是一個靜態的工作點。所謂靜態就是沒有變化，即出di/dt，du/dt均為零，亦即是一個平衡點。可以推知，在平衡點工作狀態下，所有的電感、電容都不存在充放電，且所有電源都穩定在一個定值上。因此，在進行直流工作點計算時，電路作下列處理：
（1）所有電源都取定值。用戶可以按自己的需要決定一個初始值，如無須特別安排程式將零點值取為初始值；
（2）所有的電容開路；
（3）所有的電感短路。
交流分析
在電路分析中，一個重要的問題是電路的頻率回響如何，或者說電路的傳遞函式是什麼。交流分析就是為解答這個問題而設的。交流分析對電路進行小信號頻域分析，其激勵信號為頻域正弦信號，因而可以使用相位法進行計算。在相位法中，電感、電容都是複數，電流、電壓也是複數，整個運算都在複數域進行。
在進行交流分析前，直流分析必須完成，以確定交流分析的基點。在進行交流分析時，電路中所有的非線性元件即在這個直流工作點上進行線性化。需知，因為線性化，所有非線性引起的畸變及限幅均未計入模擬，同時所有的時變效應亦未計入模擬。而回響是對正弦激勵而言的，整個電路的頻率是統一掃描的。
當電路進行交流分析時，程式自動將電路中的電感、電容用複數輸入，這不需要用戶考慮。用戶需要考慮兩個方面的問題：一是激勵源在何處；二是頻率掃描的範圍和輸出的格式。
激勵源的位置就是用戶考慮為輸入的地方。激勵源可以有多個，但在計算中都是統一掃描的，不可能進行混頻。在進行交流掃描時，除了直流電源之外，所有電路中其他的時域電源都不激活。因此，在建立仿真電路時，頻域交流激勵源可以附設在其他電源上，一般採用單位幅值、相角為零的激勵源。這樣，在輸出端計算所得的回響就是增益了。
交流分析的運算成功率頗高。因為非線性元件都是在同一直流工作點線性化的，沒有新的收斂性問題。電感、電容只是隨頻率改變，亦無收斂性的問題。相位法的運算，精度也頗高。因此交流分析的收斂性取決於此前的直流分析，其結果的正確性和精確度取決於元件模型的正確性和精確度。
交流分析的輸出量都是複數。在曲線圖輸出中，EESIM已作了後續處理，化為模和相角輸出。交流掃描的範圍就是用戶想要觀察的頻率範圍，輸出的格式也是隨用戶需要而定。EESIM配備了線性、對數及分貝格式輸出。交流分析的輸出就是電路的波特圖，很方便地用於觀察電路的增益、傳遞函式、輸入及輸出阻抗，以及系統的穩定性。
暫態分析
暫態分析用於求解電路在運行的不同時刻下的行為，由此可以觀察電路中的電流、電壓等電氣量的波形，也就能觀察電路中的波動、干擾、噪聲、啟動、故障、過渡過程等暫態現象。它是電路模擬仿真的重要手段。
非線性系統含非線性元件。暫態分析就是要在每一個瞬時求解非線性系統，因而每一步都需進行線性化和數值積分。電路暫態分析的程式流程如圖1所示。
圖1
在前面的直流工作點分析中已經指出，直流工作點分析為暫態分析提供一個初始狀態。從圖1可見，暫態分析開始之前就要進行直流工作點分析，其結果作為暫態分析的初始條件。在某些情況下，暫態並不是從其直流工作點出發，如考慮時間零點時電容已充電、電感已儲能等，就要人為地設定初始條件，此時使用“．IC”指令。
數值積分的方法很多，各有其優缺點和適用範圍。在電路模擬仿真中主要使用的有下列幾種：
（1）向前歐拉法；
（2）向後歐拉法；
（3）梯形法；
（4）基爾法。
電路模擬軟體
在最近的15年中，電路模擬軟體的功能逐漸增強，並且更加易於使用。電路模擬器不僅允許電路設計人員在個人計算機上繪製電路原理圖和模擬電路操作，而且還允許研究分析電路中任何時刻的電壓和電流。因此，電路模擬器為評估某個特定的設計概念提供了一種非常簡捷的方法，而不必使用昂貴的測試設備，或者購買零件來裝配電路試驗板。
目前最具有代表性、套用最廣泛的電路模擬軟體是美國加州大學伯克利分校開發的SPICE（Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis）軟體。SPICE2是第一種得到廣泛認可的電路模擬器，作為原有SPICE程式的修改版本，它是由加利福尼亞大學伯克利分院於20世紀70年代中期開發的。SPICE、SPICE2和伯克利分院的最新版本SPICE3F5（通常稱為BSPICE）都是仿真模擬電路的公認標準，並且都是使用公共基金開發的。因此，該軟體對美國公民是免費的。XSPICE是專用於美國空軍的SPICE版本，它包含了特殊的建模子系統。PSPICE是MicroSim公司開發的一種用於個人計算機的商業版本。在PSPICE後面推出的Electronics Workbench和許多其他商業電路模擬軟體都可以運行在個人計算機上。這些模擬器之間的關鍵競爭性區別是：
（1）可用的設備模型數量，換句話說，電子設備有多少個可用的電路仿真模型?
（2）可允許的電路複雜性，這通常認為是對元件、連線或電路節點個數的限制。
（3）可用的分析類型。
（4）功能的複雜性和易用性。
（5）能夠將原理圖輸出到電路板設計軟體。
這些區別的重要性取決於個人的觀點。學習電子學的學生可能只對基本分析功能感興趣，而電子行業要求電路模擬軟體不僅具有眾多的功能，而且還能夠直接與電路板設計程式進行互動。
電路模擬器通過一個計算機模型來模擬所有的電路元件和電子元件。電路設計人員通過使用可用的元件模型，並指定其參數值，繪製出要分析的電路原理圖。如果沒有針對於某個特定設備的模型，則必須生成這樣一個模型。所有當前的電路模擬器都允許在計算機螢幕上繪製原理圖，而老式的SPICE模擬器通過指定用於連線各種電路節點的設備來定義原理圖。原理圖必須完整，並且必須包含所有的電源和地線連線。此外，還要提供較大範圍的DC電源和AC電源以及輸入信號源。螢幕上的電路幾乎與軟體電路試驗板（software bread—board）等價。然後，設計人員選擇所要分析的電壓和電流。有些模擬器只是繪製出電壓/電流隨時間變化的圖形，而其他模擬器則允許在電路中連線一個軟體驅動的數字式電壓表（DVM）或示波器，以顯示與實際示波器相同的波形。迄今所描述的電路模擬可以分為基本DC電路分析和（或）AC電路分析。注意，電路試驗板只能實現這兩種分析。然而，電路模擬器的分析速度更快，並且不需要任何實際元件和測試設備。
SPICE模擬器簡介
SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis，以積體電路為重點的模擬程式）模擬器最初於20世紀70年代在伯克利開發完成[Nagel75]，能夠求解描述電晶體、電阻、電容以及電壓源等分量的非線性微分方程。SPICE模擬器提供了許多對電路進行分析的方法，但是數字VLSI電路設計者的主要興趣卻只集中在直流分析（DC analysis）和瞬態分析（transient analysis）兩種方法上，這兩種分析方法能夠在輸入固定或者實時變化的情況下對結點的電壓進行預測。SPICE程式最初是使用FORTRAN語言編寫的，所以SPICE具有其自身的一些相關特點，尤其是在檔案格式方面與FORTRAN有很多相似之處。現在，大多數平台都可以得到免費的SPICE版本，但是，往往只有商業版本的SPICE才具有更強的數值收斂性。尤其是HSPICE，其在工業領域的套用非常廣泛，就是因為其具有很好的收斂性，能夠支持最新的器件以及互連模型，同時還提供了大量的增強功能來評估和最佳化電路。PSPICE也是一個商業版本，但是其有面向學生的限制性免費版本。
雖然各種SPICE模擬器的細節隨著版本和操作平台的不同而各不相同，但是所有版本的SPICE都是這樣工作的：讀入一個輸入檔案，生成一個包括模擬結果、警告信息和錯誤信息的列表檔案。因為以前輸入檔案曾經是以打孔卡片盒的方式提供給主機的，所以人們常常稱輸入檔案為SPICE“卡片盒（deck）”，輸入檔案中的每一行都是一張“卡片”。輸入檔案包含一個由各種組件和結點組成的網表。當然，輸入檔案也包含了一些模擬選項，分析指令以及器件模型。網表可以通過手工的方式輸入，也可以從電路圖或者CAD工具的版圖（layout）中提取。
一個好的SPICE“卡片盒”就好像是一段好的軟體代碼，必須具有良好的可讀性、可維護性以及可重用性。適當地插入一些注釋和空白間隔有助於提高“卡片盒”的可讀性。一般情況下，書寫SPICE“卡片盒”的最好方法就是：先找一個功能完備、正確的“卡片盒”範例，然後在此基礎上對其進行修改。
電路模擬器的分析類型
瞬態分析
瞬態分析是電路模擬器提供的一種重要功能，而電路試驗板卻不能提供這一功能。瞬態分析用於確定某個電路節點在加電或其他某一起始點之後所發生的瞬時變化。瞬態分析功能通常包括嚴格的數學運算和對邊界條件的定義。實驗室用的電路試驗板難以模擬瞬態條件，並且通常還需要使用數字示波器、存儲示波器（storage scope）或其他一些數據記錄設備。電路模擬器卻能夠相對容易地完成這一任務，並且允許精確地確定初始條件和分析起始及結束的時間。瞬態分析功能可以精確地繪製出電壓和電流在指定時間內的變化圖表。
傅立葉分析
噪聲分析
電路模擬器還可以模擬元件產生的各種噪聲類型：熱噪聲、散粒噪聲（shot noise）和閃變噪聲（flicker noise）。熱噪聲是由溫度及其對導體中電子和離子的感應影響造成的。散粒噪聲是由電子在半導體中流動時的離散特性（可以有一個或兩個電子流過電路，但不能有1.5個電子流過電路）造成的，並且是電晶體噪聲的主要成因。閃變噪聲是BJT和FET中的低頻噪聲。在使用電路模擬器中的噪聲分析功能時，將會計算和記錄某個特定節點產生的這三種噪聲的總值。
失真分析
在諸如放大器這樣的電子設備不能正確地複製輸人波形時，就會出現失真現象。電路的非線性增益或相對相位發生變化是產生失真的原因。由非線性增益產生的失真稱為諧波失真，而由相位變化產生的失真稱為互調失真。通過繪製出某個電路節點的頻率變化情況，就可以確定該電路的這兩種類型失真。
DC掃描分析
DC電源值的變化是影響電路準確性的重要因素。許多電路模擬器都提供一個DC掃描分析功能，在一個或兩個DC電源值發生變化時，該功能將對所選擇的電壓或電流進行分析。在選擇進行這種分析時，電路設計人員需要指定發生變化的DC電源和進行分析的電路節點，以及電源的起始值、結束值和增大步長。分析結果將指出DC電源變化對特定節點的電壓/電流的影響。
靈敏度分析
靈敏度分析用於確定對電路準確性影響最大的元件變化。DC靈敏度分析將變化所有元件的值（一次只改變一個元件的值），以確定究竟是哪一個元件會對電路的臨界電壓值產生最大的影響。另一方面，AC靈敏度分析只會改變一個元件的值，並分析該值的變化對電路的影響。
參數掃描分析
剛才討論的靈敏度分析用於確定哪一個元件會對電路準確性造成最大的影響。參數掃描分析將為元件的參數值提供一個變化範圍，並按照用戶所指定的步長增加。半導體元什擁有一些可以變化的參數值，相比之下，無源元件只有較少的可變參數。
溫度掃描分析
溫度掃描分析能夠在設計過程的早期確定環境溫度靈敏度。在該分析過程中，將記錄不同環境溫度下所選節點的電路操作。所有元件的參數值將隨溫度變化而變化，並在圖中標出參數值對電路功能的影響。
轉換功能分析
轉換功能精確地描述電路輸出功能模組對輸入信號執行的操作。電路模擬器可以分析和確定某個電路的轉換功能。為此，將電路的輸入和輸出指定給轉換功能分析特徵，然後分析和確定轉換功能、電路的輸入阻抗和輸出阻抗。
最壞情況分析
最壞情況分析是一種非常有用的設計工具。在設計過程中，通常需要知道某個電路節點的最大和最小電壓。最壞情況分析通過對每個元件進行靈敏度分析，就能夠從該分析中找到最大值和最小值。該信息對確定準確性規範和選擇元件誤差是非常重要的。
