基本介紹
- 外文名：Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis
- 縮寫：PSPICE
- 用於：大規模積體電路的計算機輔助設計
- 前身：SPICE
簡介,起源,發展,優越性,組成,電路原理圖編輯程式 Schematics,激勵源編輯程式 Stimulus Editor,電路仿真程式 PSPICE A/D,輸出結果繪圖程式 Probe,模型參數提取程式 Model Editor,元件模型參數庫 LIB,模擬功能,仿真步驟,
簡介
起源
用於模擬電路仿真的SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）軟體於1972年由美國加州大學伯克利分校的計算機輔助設計小組利用FORTR AN語言開發而成，主要用於大規模積體電路的計算機輔助設計。SPICE的正式版SPICE 2G在1975年正式推出，但是該程式的運行環境至少為小型機。1985年，加州大學伯克利分校用C語言對SPICE軟體進行了改寫， 並由MICROSIM公司推出。1988年SPICE被定為美國國家工業標準。與此同時，各種以SPICE為核心的商用模擬電路仿真軟體，在SPICE的基礎上做了大量實用化工作，從而使SPICE成為最為流行的電子電路仿真軟體。
發展
PSPICE採用自由格式語言的5.0版本自80年代以來在我國得到廣泛套用，並且從6.0版本開始引入圖形界面。1998年著名的EDA商業軟體開發商ORCAD公司與Microsim公司正 式合併，自此Microsim公司的PSPICE產品正式併入ORCAD公司的商業EDA系統中。不久之後，ORCAD公司已正式推出了ORCAD PSPICE Release 10.5，與傳統的SPICE軟體相比，PSPICE 10.5在三大方面實現了重大變革：首先，在對模擬電路進行直流、交流和瞬態等基本電路特性分析的基礎上，實現了蒙特卡羅分析、最壞情況分析以及最佳化設計等較為複雜的電路特性分析；第二，不但能夠對模擬電路進行，而且能夠對數字電路、數/模混合電路進行仿真；第三，集成度大大提高，電路圖繪製完成後可直接進行電路仿真，並且可以隨時分析觀察仿真結果。PSPICE軟體的使用已經非常流行。在大學裡，它是工科類學生必會的分析與設計電路工具；在公司里，它是產品從設計、實驗到定型過程中不可缺少的設計工具。
優越性
PSPICE軟體具有強大的電路圖繪製功能、電路模擬仿真功能、圖形後處理功能和元器件符號製作功能，以圖形方式輸入，自動進行電路檢查，生成圖表，模擬和計算電路。它的用途非常廣泛，不僅可以用於電路分析和最佳化設計，還可用於電子線路、電路和信號與系統等課程的計算機輔助教學。與印製版設計軟體配合使用，還可實現電子設計自動化。被公認是通用電路模擬程式中最優秀的軟體，具有廣闊的套用前景。這些特點使得PSPICE受到廣大電子設計工作者、科研人員和高校師生的熱烈歡迎，國內許多高校已將其列入電子類本科生和碩士生的輔修課程。
電路設計軟體有很多，它們各有特色。如Protel和Tango，它對單層/雙層電路板的原理圖及PCB圖的開發設計很適合，而對於布線複雜，元件較多的四層及六層板來說ORCAD更有優勢。但在電路系統仿真方面，PSPICE可以說獨具特色，是其他軟體無法比擬的，它是一個多功能的電路模擬試驗平台，PSPICE軟體由於收斂性好，適於做系統及電路級仿真，具有快速、準確的仿真能力。
(1)圖形界面友好，易學易用，操作簡單
由Dos版本的PSPICE到Windows版本的PSPICE，使得該軟體由原來單一的文本輸入方式而更新升級為輸入原理圖方式，使電路設計更加直觀形象。PSPICE 6．0以上版本全部採用選單式結構，只要熟悉Windows作業系統就很容易學，利用滑鼠和熱鍵一起操作，既提高了工作效率，又縮短了設計周期。即使沒有參考書，用戶只要具備一定的英語基礎就可以通過實際操作很快掌握該軟體。
(2)實用性強，仿真效果好
在PSPICE中，對元件參數的修改很容易，它只需存一次盤、創建一次連線表，就可以實現一個複雜電路的仿真。如果用Protel等軟體進行參數修改仿真，則過程十分繁瑣。在改變一個參數時，哪怕是一個電阻阻值的大小都需要重新建立網路表的連線，設定其他參數更為複雜。
(3)功能強大，集成度高
在PSPICE內集成了許多仿真功能，如：直流分析、交流分析、噪聲分析、溫度分析等 ，用戶只需在所要觀察的節點放置電壓（電流）探針，就可以在仿真結果圖中觀察到其“電壓（或電流）-時間圖”。而且該軟體還集成了諸多數學運算，不僅為用戶提供了加、減、乘、除等基本的數學運算，還提供了正弦、餘弦、絕對值、對數、指數等基本的函式運算，這些都是其他軟體所無法比擬的。
另外，用戶還可以對仿真結果視窗進行編輯，如添加視窗、修改坐標、疊加圖形等 ，還具有保存和列印圖形的功能，這些功能都給用戶提供了製作所需圖形的一種快捷、簡便的方法。因此，Windows版本的PSPICE更優於Dos版本的PSPICE，它不但可以輸入原理圖方式，而且也可以輸入文本方式。無疑是廣大電子電路設計師的好幫手。
組成
電路原理圖編輯程式 Schematics
PSPICE的輸入有兩種形式，一種是網單檔案（或文本檔案）形式，一種是電路原理圖形式，相對而言後者比前者較簡單直觀，它既可以生成新的電路原理圖檔案，又可以打開已有的原理圖檔案。電路元器件符號庫中備有各種原器件符號，除了電阻，電容，電感，電晶體，電源等基本器件及符號外，還有運算放大器，比較器等巨觀模型級符號，組成電路圖，原理圖檔案後綴為.sch。圖形文字編輯器自動將原理圖轉化為電路網單檔案以提供給模擬計算程式運行仿真。
激勵源編輯程式 Stimulus Editor
PSPICE中有很豐富的信號源，如正弦源，脈衝源，指數源，分段線性源，單頻調頻源等等。該程式可用來快速完成各種模擬信號和數位訊號的建立與修改，並且可以直觀而方便的顯示這些信號源的波形。
電路仿真程式 PSPICE A/D
模擬計算程式是PSPICE A/D也叫做電路仿真程式，它是軟體核心部分。在PSPICE 4.1版本以上，該仿真程式具有數字電路和模擬電路的混合仿真能力。它接收電路輸入程式確定的電路拓撲結構和原器件參數信息，經過原器件模型處理形成電路方程，然後求解電路方程的數值解並給出計算結果，最後產生擴展名為.dat的數據檔案（給圖形後處理程式Probe）和擴展名為.out的電路輸出文本檔案。模擬計算程式只能打開擴展名為.cir的電路輸入檔案，而不能打開擴展名為.sch 的電路輸入檔案。因此在Schemayics環境下，運行模擬計算程式時，系統首先將原理圖.sch檔案轉換為.cir檔案，而後再啟動PSPICE A/D進行模擬分析。
輸出結果繪圖程式 Probe
Probe程式是PSPICE的輸出圖形後處理軟體包。該程式的輸入檔案為用戶作業文本檔案或圖形檔案仿真運行後形成的後綴為.dat的數據檔案。它可以起到萬用表，示波器和掃瞄器的作用，在螢幕上繪出仿真結果的波形和曲線。隨著計算機圖形功能的不斷增強，PC機上windows95,98,2000/XP的出現，Probe的繪圖能力也越來越強。
模型參數提取程式 Model Editor
電路仿真分析的精度和可靠性主要取決於元器件模型參數的精度。儘管PSPICE的模型參數庫中包含了上萬種元器件模型，但有時用戶還是根據自己的需要而採用自己確定的元器件的模型及參數。這時可以調用模型參數提取程式Model ED從器件特性中提取該器件的模型參數。
元件模型參數庫 LIB
PSPICE具有自建的元件模型，元件的建立以元件的物理原理為基礎，模型參數與物理特性密切相關。元件的等效模型還有其工作條件與分析要求相關。在直流分析中，非線性元件的等效模型是小信號線性等效電路；在瞬態分析中，非線性元件的等效模型考慮到了電荷存儲效應。雙極管型電晶體採用GUMMEL-POON的積分電荷控制模型，結型場效應管採用SHICHMAN-HODGFS的場效應管模型。二極體模型既適用於結型二極體，也適用於肖特基勢壘二極體。MOS1由I-V特性來描述，MOS2是一個解析模型，MOS3是一種半經驗模型。除了分立元件參數庫以外，還有積體電路的宏模型庫，並提供了一些著名器件和IC生產廠家的專有元器件參數庫。
模擬功能
SPICE程式的主要功能有非線性直流分析、非線性暫態分析、線性小信號交流分析、靈敏度分析和統計分析。
4.1 直流分析
非線性直流分析功能簡稱直流分析。它是計算直流電壓源或直流電流源作用於電路時電路的工作狀態。對電路進行的直流分析主要包括直流工作點分析、直流掃描分析和轉移函式分析。
直流工作點是電路正常工作的基礎。通過對電路進行直流工作點的分析，可以知道電路中各元件的電壓和電流，從而知道電路是否正常工作以及工作的狀態。一般在對電路進行仿真的過程中，首先要對電路的靜態工作點進行分析和計算。
直流掃描分析主要是將電路中的直流電源、工作溫度、元件參數作為掃描變數，讓這些參量以特定的規律進行掃描，從而獲取這些參量變化對電路各種性能參數的影響。直流掃描分析主要是為了獲得直流大信號暫態特性。
與直流掃描分析相類似的還有溫度分析。在這種分析過程中，將電路的溫度作為掃描變數進行分析。因為電路的主要器件的特性都是與溫度有關的，所以這就為分析電路在環境變化是的工作情況提供了一種非常有用的工具。特別重要的是，通過這種分析，我們可以預測電路在某些特殊環境如極端溫度條件或極端電源電壓條件或元件開路短路條件下電路的工作情況，從而在進行電路設計時採取必要的預防措施。
4.2 暫態分析
非線性暫態分析簡稱為暫態分析。暫態分析計。算電路中電壓和電流隨時間的變化，即電路的時域分析。這種分析在輸入信號為時變信號時顯得尤為重要。時域分析是指在某一函式激勵下電路的時域回響特性。通過時域分析，設計者可以清楚地了解到電路中各點的電壓和電流波形以及它們的相位關係，從而知道電路在交流信號作用下的工作狀況，檢查它們是否滿足電路設計的要求。
4.3 交流分析
線性小信號交流分析簡稱為交流分析。它是SPICE程式的主要分析功能。它是在交流小信號的條件下，對電路的非線性元件選擇合適的線性模型將電路在直流工作點附近線性化，然後在用戶指定的範圍內對電路輸入一個掃頻信號，從而計算出電路的幅頻特性、相頻特性、輸入電阻、輸出電阻等。這種分析等效於電路的正弦穩態分析即頻域分析。頻域分析用於分析電路的頻域回響即頻率回響特性。這種分析主要用於分析電路的幅頻特性和相頻特性。
小信號轉移特性分析主要分析在小信號輸入的情況下，電路的各種轉移函式，通常分析的是電路的電壓放大倍數。
噪聲分析是電路設計的重要內容之一。在模擬電路中，無源器件和有源器件均會產生噪聲，主要包括電阻上產生的熱噪聲，半導體器件產生的散粒噪聲和閃爍噪聲。在噪聲分析時，將元件的噪聲等效為一個輸入信號進行交流分析。通過噪聲分析可以計算出各器件在某一輸出節點產生的總噪聲以及某一輸入節點的等效輸入噪聲。從而可以分析一個電路產生噪聲的主要來源，採取一定的電路設計措施來減小噪聲的影響。
4.4 靈敏度分析
靈敏度分析包括直流靈敏度分析和蒙特卡羅分析兩種。
直流靈敏度分析業稱為靈敏度分析。它是在工作點附近將所有的元件線性化後，計算各元器件參數值變化時對電路性能影響的敏感程度。通過對電路進行靈敏度分析，可以預先知道電路中的各個元件對電路的性能影響的重要程度。對於那些對電路性能有重要影響的元件，要在電路的生產或元件的選擇時給予特別的關注。
4.5 統計分析
統計分析主要包括蒙特卡羅分析和最壞情況分析。蒙特卡羅分析是在考慮到器件參數存在容差的情況下，分析電路在直流分析、交流分析或暫態分析時電路特性隨器件容差變化的情況。另一種統計分析是最壞情況分析，它不僅對各器件參數的變化逐一進行分析，得到單一器件對電路性能的靈敏度分析，同時分析各器件容差對電路性能的最大影響量(最壞情況分析)，從而達到最佳化電路的目的。
PSPICE10.5個人認為它最為突出之處，是改進了其9.2版本，使繪製電路，以及仿真算法更加最佳化，更加節省時間（以前進行1S的仿真如果取點ms級，那將是非常恐怖的事情），而且蒙特卡羅分析和最壞情況分析有助於我們模擬在不同溫度和環境，以及元件損壞的情況下電路的實現過程及結果，那么我們就知道電路的弱點，以及電路中的最重要元件，就可以相應的對其採取保護、散熱等措施。
最後，如果想知道對模擬電路，數字電路的5種分析方法及解決辦法，可以聯繫我，幫助大家解決。
4.6 .cir 檔案轉換為 .olb庫檔案
經常碰到orcad仿真庫中找不到某些器件的情況，但是從這些器件的廠家網站上往往可以下到其spice model，一般是.cir檔案，下面介紹一下如何使用這些.cir檔案。以AD8131.cir為例。
首先，運行Model Editor (in PSpice Accessories在附屬檔案內，不在capture/capture cis裡面) ，打開ADAD8131.cir檔案，另外儲存為（save as）AD8131.lib，add this to pspice library,for simulation purpose.
(注意：tools->options->schematic 選擇 "capture",否則無法進行"Export to capture..")
use File->Export to capture part library…，to generate AD8131.olb，add this to capture library，this can perform circuit connection.
when you run simulation,open simulation setting\configurationfile\library addthe AD8131.lib to this design.
5、PSPICE的發展
目前為止，PSpice的版本已經發展到16.6，包含在OrCAD 16.6 release 當中。PSpice仿真功能從嚴格意義上講已經發展演變為兩大模組，一個是基本分析模組，簡稱PSpice A/D，另外一個是高級分析模組，簡稱PSpice AA，AD部分的功能在上文中已經做過介紹，此處不再贅述。而AA是近些年PSpice 不斷加強和擴展的一個功能，AA部分的功能與生產方面結合的更為緊密，仿真分析中考慮的問題更加全面。
AA部分的功能主要有以下這幾個方面：
l 靈敏度分析
靈敏度分析是為了確定電路中對指定電路特性影響最大的關鍵元器件參數，以便進行最佳化分析，所以靈敏度分析是參數最佳化設計的前提和基礎；對於高靈敏度的電路，可選擇高精度的元器件，而對於低靈敏度的電路，可採用容差大一些的元器件，所以靈敏度分析還是容差分析的基礎。
l 最佳化分析
在電路設計過程當中，為了達到設計指標，一些電子元器件的參數是需要調整的，傳統設計中，這寫參數的調整和計算是手工進行的，依靠的是設計師的經驗和計算得來，但是在PSpice AA當中，這些參數的調整可以有仿真工具自動完成，非常方便，而且速度非常快，大大節省了電路的調試時間。
l 蒙特卡諾分析
蒙特卡羅工具與PSpice A/D中的Monte Carlo分析功能是相同的，但是在分析能力和顯示分析結果上有很大的改進，兩者獨立運行，無任何關聯。在AA當中，用戶可以直接對多個指標同時進行蒙托卡諾分析，快速得到產品的成品率信息。
l 電應力分析
元器件所承受的電應力指的是工作電壓、工作電流以及熱應力（比如工作溫度）。
電子電路在工作過程中，常因某（些）個元器件承受的電應力超出其安全工作條件，因此降低了可靠性，嚴重地導致冒煙燒毀。因此，“冒煙報警”提高電路工作的可靠性，對一些安全性要求較高的電路需要採用降額設計。
l 參數測繪儀
參數測繪儀是Parametric Sweep的一個全面提升。它不僅可以同時進行多個複雜參數功能的掃描；還可以在Probe視窗中通過表格與繪圖形式更美觀和有效的分析掃描結果。用戶可以方便的看到參數變化對電路性能的影響，已經性能改變的趨勢。
高級分析的操作流程
l 在完成經典PSpice分析後必須為相應元器件設定高級分析參數，然後才能進入PSpice-AA。
l 通常情況是先進行靈敏度(sensitivity)分析：以便確定電路中對電路特性影響最大元器件參數。
l 針對這幾個關鍵元器件參數，調用參數最佳化(Optimizer)：進行最佳化設計，最佳化關鍵元器件參數。
l 由於最佳化設計所得的最佳化元器件參數還是一種標稱值設計，而實際採用的各個元器件不可能都是標稱值，具有一定的分散性。調用蒙特卡羅(Monte Carlo)分析：預測電路成品率，分析其可生產性。
l 滿足上述要求的條件下，還需要檢查電路中是否存在個別元器件受到超出其安全工作條件的應力作用，如出現這種情況會降低電路的可靠性。因此，設計最後一關時，就需要調用熱電應力分析(smoke冒煙報警)以提高電路的可靠性
通過了AD分析之後的電路，基本上可以滿足我們的性能指標要求，當電路通過AA分析之後，電路的性能指標基本上可以滿足製造生產的需求，不會出現成品率太差或者工作不安全等狀況。
最後，祝願大家可以學好仿真，讓這款已成為業界標準的電路仿真軟體真正為大家的設計工作服務，提升設計水平，縮短設計周期！
仿真步驟
一、放置所需元件（包括電源）
二、連線導線
三、設定要執行的模擬內容
四、設定Probe
五、執行模擬
六、利用Probe觀察模擬結果
七、將數據取出用其它軟體畫圖
