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仿真在电子设计中的重要性


仿真在电子设计中的重要性


设计人员在电子产品研制阶段按照可靠性设计准则对产品进行必要的可靠性设计之后,验证工作一般要等到产品试验或批量生产之后,通过一系列的可靠性试验来检验产品的可靠性指标,进而评估可靠性设计完成的质量,如果此时出现因器件选型方面的重大设计缺陷,再回过头来纠正电路设计的话,无疑会增加产品设计成本,同时也会延长产品的开发周期。


在开发早期阶段,通过仿真技术来改进产品性能的评估方式,根据仿真结果提供的信息指导设计人员在开发过程中做出正确的决策。主要有电磁场分析、热分析、力学分析三个方面。


为最大限度地提高开发工作,在物理原型设计之前用仿真技术来分析产品本身性能及工作环境中的行为,提早采用仿真技术能确保一开始就确认了设计方案,从而节约时间与成本。



Cadence® PSpice® 原理图仿真工具


Cadence® PSpice® 是一款高性能且适用于工业级的模拟和混合信号仿真工具和波形查看器,作为通用的混合模式电路仿真工具,Cadence® PSpice® 从元器件供应商处为用户提供了大量的仿真模型,使得PSpice仿真技术得以在多个领域开展应用,例如:航天、医疗、电力电子和汽车电子等。PSpice仿真功能分为基础模拟数字仿真(PSpice A/D)高级仿真(PSpice AA)


PSpice A/D也称为模拟和数字混合信号仿真器,除了可以仿真模拟电路,也可以仿真数字电路,以及模数混合仿真;

PSpice Advanced Analysis(PSpice AA模块)提供高级的分析方法,包括灵敏度分析,优化分析,电应力分析,蒙特卡罗分析等,可以帮助提高设计性能,优化成本,并提高可靠性






电路仿真分析的步骤


PSpice的基本分析方法


1、直流工作点分析(Bias Point)

直流工作点也称为稳态工作点或偏置点,指在电路中电感短路、电容开路的情况下,对各个信号源取其直流电平值,利用迭代的方法计算电路各个节点电压、流过各个电压源的电流、电路的总功耗、晶体管的偏置电压和各极电流等。这些数值将会作为其他仿真分析的起始值。


采用 PSpice 的直流偏置分析可以得到以下信息:1)电路的静态工作点;2)电路的直流灵敏度(Sensitivity analysis);3)电路的直流传输特性(Transfer Function),其中包括电路的增益、输入输出等效阻抗。


在电子电路中,确定静态工作点十分重要,因为有了它便可决定半导体晶体管等的小信号线性化参数值。尤其是在放大电路中,晶体管的静态工作点直接影响到放大器的各种动态指标。


PSpice仿真设置示例


新版本SPB17.4 仿真设置窗


直流工作点分析方法不仅影响着晶体管工作区间,也影响到其他分析的收敛问题。



2、流扫描分析

直流扫描分析,它是当电路某个元器件参数作为自变量在一定范围内变化时,分析电路输出变量的直流偏置情况。

直流扫描分析是交流分析时确定小信号线性模型参数和瞬态分析时确定初始值所需的分析。直流扫描分析中自变量可以是电压源、电流源、温度、全局参数或模型参数。直流扫描分析还可以进行二次扫描,可以指定一个参变量,并确定取值范围,每设定一个参变量的值,均计算输出变量随自变量的变化特性。


电路示意图

仿真结


瞬态分析


瞬态分析是求电路的时域响应,用于计算电路在给定激励信号情况下的时间响应、延时特性等;也可在没有任何激励源的情况下,仅依电路存储的能量作用,求得振荡波形、振荡周期等。瞬态分析是各种分析方法中应用最多,也是计算机资源耗费最高的部分。


运行瞬态分析首先是计算 t=0 时的电路初始状态,然后从 t=0 到某一给定的时间范围内选取一定的时间步长,计算输出端在不同时刻的输出电平。瞬态分析的关键在于设置合理的激励源、采样点数和观察时间。



例电路

瞬态分析输出波形


新创建的激励源及其输出波形图



交流扫描分析


分析电路的频域响应,通过对交流源的频率进行扫描,计算电路的频率响应和相位响应,实现对电路的交流分析


交流扫描分析的作用是计算电路的交流小信号频率响应特性。交流扫描分析也是线性分析,它首先利用线性模型对非线性器件进行等效,然后针对电路性能因信号频率改变而变动所作的分析,它能够获得电路的幅频响应和相频响应以及转移导纳等特性参数。


对电路进行交流分析之前首先对其进行直流工作点分析,然后利用所得数据在直流工作点附近对电路进行线性化处理。需要注意,交流分析不考虑阶跃响应的影响,如果需要对其进行测试,可以运行瞬态分析。


双T陷波滤波器为例,利用交流扫描分析计算电路的频率响应,辅助滤波器的设计。陷波滤波器也就是窄带阻滤波器,它是用于阻断中心频率附近很小的频段内的信号,或是消除某个特定频率的干扰。


实例电路


陷波器的幅频特性曲线


噪声分析的仿真结果



总结


Cadence® PSpice®可以调用世界范围内主要的半导体元件公司供给的元件库,这些都可以应用在电子电路的设计中,Cadence® PSpice®的应用能够为电子电路的模拟仿真设计带来很好的内外部条件,帮助设计者设计出最优电路,从根本上减少成本支出,使电路设计最优化,提高电路性能的可靠性,是模拟电子电路设计中必不可少的仿真设计软件。


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