什么是PSPICE？及簡單Pspice電路仿真分析

PSPICE是由SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)發(fā)展而來的用于微機(jī)系列的通用電路分析程序。于1972年由美國加州大學(xué)伯克利分校的計算機(jī)輔助設(shè)計小組利用FORTRAN語言開發(fā)而成，主要用于大規(guī)模集成電路的計算機(jī)輔助設(shè)計。

用于模擬電路仿真的SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)軟件于1972年由美國加州大學(xué)伯克利分校的計算機(jī)輔助設(shè)計小組利用FORTR AN語言開發(fā)而成，主要用于大規(guī)模集成電路的計算機(jī)輔助設(shè)計。SPICE的正式版SPICE 2G在1975年正式推出，但是該程序的運(yùn)行環(huán)境至少為小型機(jī)。1985年，加州大學(xué)伯克利分校用C語言對SPICE軟件進(jìn)行了改寫， 并由MICROSIM公司推出。1988年SPICE被定為美國國家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。與此同時，各種以SPICE為核心的商用模擬電路仿真軟件，在SPICE的基礎(chǔ)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件。

發(fā)展

PSPICE采用自由格式語言的5.0版本自80年代以來在我國得到廣泛應(yīng)用，并且從6.0版本開始引入圖形界面。1998年著名的EDA商業(yè)軟件開發(fā)商ORCAD公司與Microsim公司正 式合并，自此Microsim公司的PSPICE產(chǎn)品正式并入ORCAD公司的商業(yè)EDA系統(tǒng)中。不久之后，ORCAD公司已正式推出了ORCAD PSPICE Release 10.5，與傳統(tǒng)的SPICE軟件相比，PSPICE 10.5在三大方面實現(xiàn)了重大變革：首先，在對模擬電路進(jìn)行直流、交流和瞬態(tài)等基本電路特性分析的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了蒙特卡羅分析、最壞情況分析以及優(yōu)化設(shè)計等較為復(fù)雜的電路特性分析;第二，不但能夠?qū)δM電路進(jìn)行，而且能夠?qū)?shù)字電路、數(shù)/?；旌想娐愤M(jìn)行仿真;第三，集成度大大提高，電路圖繪制完成后可直接進(jìn)行電路仿真，并且可以隨時分析觀察仿真結(jié)果。PSPICE軟件的使用已經(jīng)非常流行。在大學(xué)里，它是工科類學(xué)生必會的分析與設(shè)計電路工具;在公司里，它是產(chǎn)品從設(shè)計、實驗到定型過程中不可缺少的設(shè)計工具。

PSPICE軟件具有強(qiáng)大的電路圖繪制功能、電路模擬仿真功能、圖形后處理功能和元器件符號制作功能，以圖形方式輸入，自動進(jìn)行電路檢查，生成圖表，模擬和計算電路。它的用途非常廣泛，不僅可以用于電路分析和優(yōu)化設(shè)計，還可用于電子線路、電路和信號與系統(tǒng)等課程的計算機(jī)輔助教學(xué)。與印制版設(shè)計軟件配合使用，還可實現(xiàn)電子設(shè)計自動化。被公認(rèn)是通用電路模擬程序中最優(yōu)秀的軟件，具有廣闊的應(yīng)用前景。這些特點使得PSPICE受到廣大電子設(shè)計工作者、科研人員和高校師生的熱烈歡迎，國內(nèi)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(shè)計軟件有很多，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(fā)設(shè)計很適合，而對于布線復(fù)雜，元件較多的四層及六層板來說ORCAD更有優(yōu)勢。但在電路系統(tǒng)仿真方面，PSPICE可以說獨(dú)具特色，是其他軟件無法比擬的，它是一個多功能的電路模擬試驗平臺，PSPICE軟件由于收斂性好，適于做系統(tǒng)及電路級仿真，具有快速、準(zhǔn)確的仿真能力。

(1)圖形界面友好，易學(xué)易用，操作簡單

由Dos版本的PSPICE到Windows版本的PSPICE，使得該軟件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(shè)計更加直觀形象。PSPICE 6.0以上版本全部采用菜單式結(jié)構(gòu)，只要熟悉Windows操作系統(tǒng)就很容易學(xué)，利用鼠標(biāo)和熱鍵一起操作，既提高了工作效率，又縮短了設(shè)計周期。即使沒有參考書，用戶只要具備一定的英語基礎(chǔ)就可以通過實際操作很快掌握該軟件。

(2)實用性強(qiáng)，仿真效果好

在PSPICE中，對元件參數(shù)的修改很容易，它只需存一次盤、創(chuàng)建一次連接表，就可以實現(xiàn)一個復(fù)雜電路的仿真。如果用Protel等軟件進(jìn)行參數(shù)修改仿真，則過程十分繁瑣。在改變一個參數(shù)時，哪怕是一個電阻阻值的大小都需要重新建立網(wǎng)絡(luò)表的連接，設(shè)置其他參數(shù)更為復(fù)雜。

(3)功能強(qiáng)大，集成度高

在PSPICE內(nèi)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(jié)點放置電壓(電流)探針，就可以在仿真結(jié)果圖中觀察到其“電壓(或電流)-時間圖”。而且該軟件還集成了諸多數(shù)學(xué)運(yùn)算，不僅為用戶提供了加、減、乘、除等基本的數(shù)學(xué)運(yùn)算，還提供了正弦、余弦、絕對值、對數(shù)、指數(shù)等基本的函數(shù)運(yùn)算，這些都是其他軟件所無法比擬的。

另外，用戶還可以對仿真結(jié)果窗口進(jìn)行編輯，如添加窗口、修改坐標(biāo)、疊加圖形等 ，還具有保存和打印圖形的功能，這些功能都給用戶提供了制作所需圖形的一種快捷、簡便的方法。因此，Windows版本的PSPICE更優(yōu)于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(shè)計師的好幫手。

電路原理圖編輯程序 Schematics

PSPICE的輸入有兩種形式，一種是網(wǎng)單文件(或文本文件)形式，一種是電路原理圖形式，相對而言后者比前者較簡單直觀，它既可以生成新的電路原理圖文件，又可以打開已有的原理圖文件。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，晶體管，電源等基本器件及符號外，還有運(yùn)算放大器，比較器等宏觀模型級符號，組成電路圖，原理圖文件后綴為.sch。圖形文字編輯器自動將原理圖轉(zhuǎn)化為電路網(wǎng)單文件以提供給模擬計算程序運(yùn)行仿真。

激勵源編輯程序 Stimulus Editor

PSPICE中有很豐富的信號源，如正弦源，脈沖源，指數(shù)源，分段線性源，單頻調(diào)頻源等等。該程序可用來快速完成各種模擬信號和數(shù)字信號的建立與修改，并且可以直觀而方便的顯示這些信號源的波形。

電路仿真程序 PSPICE A/D

模擬計算程序是PSPICE A/D也叫做電路仿真程序，它是軟件核心部分。在PSPICE 4.1版本以上，該仿真程序具有數(shù)字電路和模擬電路的混合仿真能力。它接收電路輸入程序確定的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和原器件參數(shù)信息，經(jīng)過原器件模型處理形成電路方程，然后求解電路方程的數(shù)值解并給出計算結(jié)果，最后產(chǎn)生擴(kuò)展名為.dat的數(shù)據(jù)文件(給圖形后處理程序Probe)和擴(kuò)展名為.out的電路輸出文本文件。模擬計算程序只能打開擴(kuò)展名為.cir的電路輸入文件，而不能打開擴(kuò)展名為.sch 的電路輸入文件。因此在Schemayics環(huán)境下，運(yùn)行模擬計算程序時，系統(tǒng)首先將原理圖.sch文件轉(zhuǎn)換為.cir文件，而后再啟動PSPICE A/D進(jìn)行模擬分析。

輸出結(jié)果繪圖程序 Probe

Probe程序是PSPICE的輸出圖形后處理軟件包。該程序的輸入文件為用戶作業(yè)文本文件或圖形文件仿真運(yùn)行后形成的后綴為.dat的數(shù)據(jù)文件。它可以起到萬用表，示波器和掃描儀的作用，在屏幕上繪出仿真結(jié)果的波形和曲線。隨著計算機(jī)圖形功能的不斷增強(qiáng)，PC機(jī)上windows95,98,2000/XP的出現(xiàn)，Probe的繪圖能力也越來越強(qiáng)。

模型參數(shù)提取程序 Model Editor

電路仿真分析的精度和可靠性主要取決于元器件模型參數(shù)的精度。盡管PSPICE的模型參數(shù)庫中包含了上萬種元器件模型，但有時用戶還是根據(jù)自己的需要而采用自己確定的元器件的模型及參數(shù)。這時可以調(diào)用模型參數(shù)提取程序Model ED從器件特性中提取該器件的模型參數(shù)。

元件模型參數(shù)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(chǔ)，模型參數(shù)與物理特性密切相關(guān)。元件的等效模型還有其工作條件與分析要求相關(guān)。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(tài)分析中，非線性元件的等效模型考慮到了電荷存儲效應(yīng)。雙極管型晶體管采用GUMMEL-POON的積分電荷控制模型，結(jié)型場效應(yīng)管采用SHICHMAN-HODGFS的場效應(yīng)管模型。二極管模型既適用于結(jié)型二極管，也適用于肖特基勢壘二極管。MOS1由I-V特性來描述，MOS2是一個解析模型，MOS3是一種半經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀３朔至⒃?shù)庫以外，還有集成電路的宏模型庫，并提供了一些著名器件和IC生產(chǎn)廠家的專有元器件參數(shù)庫。

SPICE程序的主要功能有非線性直流分析、非線性暫態(tài)分析、線性小信號交流分析、靈敏度分析和統(tǒng)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于電路時電路的工作狀態(tài)。對電路進(jìn)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(zhuǎn)移函數(shù)分析。

直流工作點是電路正常工作的基礎(chǔ)。通過對電路進(jìn)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(tài)。一般在對電路進(jìn)行仿真的過程中，首先要對電路的靜態(tài)工作點進(jìn)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(shù)作為掃描變量，讓這些參量以特定的規(guī)律進(jìn)行掃描，從而獲取這些參量變化對電路各種性能參數(shù)的影響。直流掃描分析主要是為了獲得直流大信號暫態(tài)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量進(jìn)行分析。因為電路的主要器件的特性都是與溫度有關(guān)的，所以這就為分析電路在環(huán)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(yù)測電路在某些特殊環(huán)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(jìn)行電路設(shè)計時采取必要的預(yù)防措施。

4.2 暫態(tài)分析

非線性暫態(tài)分析簡稱為暫態(tài)分析。暫態(tài)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數(shù)激勵下電路的時域響應(yīng)特性。通過時域分析，設(shè)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(guān)系，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(shè)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程序的主要分析功能。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，然后在用戶指定的范圍內(nèi)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。這種分析等效于電路的正弦穩(wěn)態(tài)分析即頻域分析。頻域分析用于分析電路的頻域響應(yīng)即頻率響應(yīng)特性。這種分析主要用于分析電路的幅頻特性和相頻特性。

小信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移函數(shù)，通常分析的是電路的電壓放大倍數(shù)。

噪聲分析是電路設(shè)計的重要內(nèi)容之一。在模擬電路中，無源器件和有源器件均會產(chǎn)生噪聲，主要包括電阻上產(chǎn)生的熱噪聲，半導(dǎo)體器件產(chǎn)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(jìn)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(jié)點產(chǎn)生的總噪聲以及某一輸入節(jié)點的等效輸入噪聲。從而可以分析一個電路產(chǎn)生噪聲的主要來源，采取一定的電路設(shè)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(yè)稱為靈敏度分析。它是在工作點附近將所有的元件線性化后，計算各元器件參數(shù)值變化時對電路性能影響的敏感程度。通過對電路進(jìn)行靈敏度分析，可以預(yù)先知道電路中的各個元件對電路的性能影響的重要程度。對于那些對電路性能有重要影響的元件，要在電路的生產(chǎn)或元件的選擇時給予特別的關(guān)注。

4.5 統(tǒng)計分析

統(tǒng)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(shù)存在容差的情況下，分析電路在直流分析、交流分析或暫態(tài)分析時電路特性隨器件容差變化的情況。另一種統(tǒng)計分析是最壞情況分析，它不僅對各器件參數(shù)的變化逐一進(jìn)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(dá)到優(yōu)化電路的目的。

PSPICE10.5個人認(rèn)為它最為突出之處，是改進(jìn)了其9.2版本，使繪制電路，以及仿真算法更加優(yōu)化，更加節(jié)省時間(以前進(jìn)行1S的仿真如果取點ms級，那將是非?？植赖氖虑?，而且蒙特卡羅分析和最壞情況分析有助于我們模擬在不同溫度和環(huán)境，以及元件損壞的情況下電路的實現(xiàn)過程及結(jié)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(yīng)的對其采取保護(hù)、散熱等措施。

Pspice現(xiàn)在是集成到Cadence中的一個電路仿真工具，能通過Pspice模型的原理圖仿真電路的輸出結(jié)果。其大致步驟是：

1. 創(chuàng)建仿真工程

執(zhí)行菜單命令File->New->Project，選擇Analog or Mixed A/D，然后選擇一個模板(這個看自己需要，也可以是空工程)

2. 添加仿真元件庫

仿真所用的元件必須要有Pspice模型，Cadence安裝目錄下\tools\capture\library\pspice中所有的元件庫都含有Pspice仿真模型。

\tools\capture\library\pspice下的庫很多，比如：

Analog：包含無源元件(R、L、C)，互感器，傳輸線，以及電壓和電流非獨(dú)立的源(電壓控制的調(diào)用源E、電流控制的電流源F、電壓控制的電流源G 和電流控制的電壓源H)

Source：給出不同類型的獨(dú)立電壓和電流源，例如：Vdc(直流電壓)，Idc(直流電流)，Vac(交流電壓)，Iac(交流電流)，Vsin(正弦電壓)，Vexp(指數(shù)電壓)，脈沖，分段線性，等

Eval：提供二極管(D…)，雙極型晶體管(Q…)，MOS 晶體管，結(jié)型場效應(yīng)晶體管(J…)，真實運(yùn)算放大器;如u741，開關(guān)(SW_tClose, SW_tOpen)，各種數(shù)字門和元件

Abm：包含一個可以應(yīng)用于信號的數(shù)學(xué)運(yùn)算符選擇，例如：乘法(MULT)，求和(SUM)，平方根(SWRT)，拉普拉斯(LAPLACE)，反正切(ARCTAN)，等

Special：包含多種其他元件，像參數(shù)、節(jié)點組，等

若不知道使用的元件，可以在Place part框中搜索，如下圖：

3. 繪制原理圖

就以上面找到的LM393電壓比較器為例：

其中的元件來自不同的Pspice庫(\tools\capture\library\pspice目錄下)：

電阻：Analog

電壓比較器LM393：opamp

直流電源V1(Vdc)：Source

正弦電源V2(VSIN)：Source

4. 設(shè)置仿真參數(shù)并執(zhí)行仿真

這步是最重要的，也是做仿真分析的目的——你要仿真什么?

通過菜單命令PSpice->New Simulation Profile設(shè)置仿真參數(shù)，如下圖，可進(jìn)行共4種類型的仿真：

時域仿真：

直流掃描：

交流掃描：一般用于頻域及相位分析

偏置點分析：

這里就以一個上面電路的時域仿真為例，如上圖，設(shè)置仿真時間10ms，仿真最大步長0.1ms。

設(shè)置好了仿真類型參數(shù)，接著添加探針，觀測我們感興趣的值(電壓、電流)，在工具欄中點擊RUN開始仿真，

仿真結(jié)果默認(rèn)會在電路網(wǎng)絡(luò)上顯示偏置電壓值(可通過工具欄按鈕選擇顯示與不顯示)，同時會彈出上面設(shè)置的時域仿真分析結(jié)果波形：

5. 分析仿真結(jié)果

還是那句話，仿真是為了幫助分析，因此做仿真后的分析是必不可少，相對于前面的軟件傻瓜操作，分析更為重要。

我們來分析仿真與電路預(yù)期的效果是否一致?

原電路時一個LM393的電壓比較電路，反相輸入端電壓通過等值的1K電阻分壓(運(yùn)放輸入阻抗近似無窮大)，因此理論上為2.5V。所以當(dāng)正相輸入端電壓< 2.5V時，輸出為低電平(0V)，否則為高電平(LM393的輸出電平電壓通過上拉電阻的電位確定，這里使用10K電阻上拉到5V)。

我們來看看仿真結(jié)果：輸入為正弦波(峰峰值5V，直流分量2.5V)，當(dāng)正弦波(綠線)>2.5V時，輸出(紅線)為高電平;當(dāng)正弦波(綠線)< 2.5V時，輸出(紅線)為50mV->0V為低電平，這50mV是由于運(yùn)放本身造成的，對輸出電平判別而言值可以忽略。