pspice介绍1

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Pspice介绍1

PSpice的主要功能及特点：

orcad软件的主要组成包括：OrCAD/Capture CIS、OrCAD/Layout Plus、OrCAD/Express及OrCAD/PSpice。它们分别是：电路图设计、电路板设计、可编程逻辑器件设计及模拟/数字混合电路仿真。电路原理图绘制后可直接进行仿真及设计。与同一个电路设计相关的电路原理图、仿真和设计中采用的参数设置、设计资源、生成的各种文件、分析结果等内容都由Project Manager统一管理。

下面主要介绍OrCAD/Capture CIS和OrCAD/PSpice软件。

OrCAD/Capture CIS：

OrCAD/Capture CIS是一个功能强大的电路原理图设计软件，可生成各类模拟电路、数字电路和模/数混合电路的电路原理图外，还配备有元件信息系统CIS（Component Information System），可以对元器件的采用实施高效的管理。

它的主要构成有设计项目管理模块（Project Manager）、电路图绘制模块(Page Editor)、元器件库(Library)、建库模块(Part Editor)及CIS等。

1．  项目的设计：

开始设计一个新项目之前，首先要确定项目类型，本软件提供了以下四种项目类型，以此概括了本软件包所能实现的所有功能。

（1）       Analog or Mixed A/D

（2）       PC Board Wizard

（3）       Programmable Logic Wizard

（4）       Schematic

若完成电路图后进行仿真，选择（1）Analog or Mixed A/D；电路图完成后用于印制电路板的设计应选择（2）PC Board Wizard；电路图完成后用于cpld或FPGA设计则选择（3）Programmable Logic Wizard；若只是单纯绘制电路图，选择（4）Schematic。

2．  器件符号库：

在绘制和编辑电路图时，所需的元器件及电路符号，需从OrCAD/Capture提供的元器件符号库中调用。元器件库文件中包括四万多种常用的元器件符号，以及元器件的特性参数模型和封装信息。元件库都放在LIBRARY子目录下，若进行仿真的电路，其元器件要从LIBRARY子目录下的PSPICE子目录下的元件库中调用。

器件库中还包括PSpice的模拟行为模型，为用户提供一个简便的方式去仿真一块尚未完成或是极复杂的子电路。用户可自行定义或使用已经建好的模拟行为元件，它运用描述电路特性的方式而不需要以真实电路来输入与仿真，可大幅精简仿真的时间和复杂度。

3．软件还提供了Part Editor模块，可以修改库文件中的图形符号或添加新的内容。用户还可以通过Internet，从指定的数据库中查寻上百万个元器件的最新信息，将需要的元器件放入电路或添加到元件库中。

4．元器件信息管理系统（CIS），不仅对元器件的使用和库存实施高效的管理，而且还具有互联网元器件助理（ICA）功能。

5．电路设计的后处理工具（Processing Tools），对设计好的电路图，对图中元器件进行自动编号、设计规则检查、输出各种统计报告及可生成四十种电连接网表文件供其它CAD软件调用。

OrCAD/PSpice：

OrCAD/PSpice是一个通用电路仿真软件，可对模拟电路、数字电路及模拟/数字混合电路进行仿真，能够显示信号波形、并对波形进行各种运算处理，可提取电路特性参数并分析与元器件参数的关系。

软件的主要构成有：

1．  原理图输入程序Schematics：PSpice以OrCAD/Capture作为前端模块。其利用Capture的电路图输入功能及设计项目统一管理功能。

2．激励源编辑程序Stimulus Editor：PSpice中信号源的种类很多，PSpice用激励源编辑程序以交互方式生成电路模拟中需要的各激励信号波形。

3．电路仿真程序PSpice A/D：是PSpice的核心部分。最新版本的仿真功能包括：基本直流工作点计算(Bias Point)、直流特性扫描(DC Sweep)、交流小信号特性分析(AC Sweep/Noise)和瞬态分析(Time Domain (Transient))四种基本的分析类型,每一种分析中均可同时包括灵敏度分析、温度特性、参数扫描、蒙特卡洛分析和直流工作点的存取等。

电路仿真程序接受电路原理图输入程序的电路拓扑和元器件参数信息，经过元器件模型处理形成电路方程，求电路方程的数值解，最后给出计算结果。仿真结果一般由图形文件（*．DAT）和数据文件（*．OUT）两部分组成。

4．输出结果分析、绘图程序Probe：功能有仿真结束后显示电路中的节点电压、支路电流波形、仿真结果的再分析处理、数字电路中逻辑错误问题的检测。

5．模型参数提取程序Model Editor：电路仿真的精度很大程度上取决于电路中代表各种元器件特性的模型参数值是否精确。PSpice A/D提供的模型参数库中有超过11300种的半导体器件和模拟集成电路产品的模型参数及超过1600种数字电路单元产品的参数。如果用户采用的元器件在模型参数库中没有，可调用该软件，用户给出元器件的特性参数，即可生成仿真时需要的模型参数。 Model Editor可以统一处理以文本和修改规范两种形式提取模型参数，且新增了达林顿器件的模型参数提取。完成模型参数提取后，自动在图形符号库中增添该器件符号。

6．优化程序Optimizer：该程序可在电路模拟的基础上，根据用户规定的电路特性约束条件自动调整电路元器件参数，以满足某一电路指标要求。

5.3.2  PSpice A/D中的一些规定

1．  PSpice A/D支持的元器件类别及其字母代号如表5-3-1所示。

表5-3-1  元器件类别及其字母代号

字母代号	元器件类别	字母代号	元器件类别
B	GaAs 场效应晶体管	N	数字输入
C	电容	O	数字输出
D	二极管	Q	双极晶体管
E	受电压控制的电压源	R	电阻
F	受电流控制的电流源	S	电压控制开关
G	受电压控制的电流源	T	传输线
H	受电流控制的电压源	U	数字电路单元
I	独立电流源	U STIM	数字电路激励信号源
J	结型场效应晶体管（JFET）	V	独立电压源
K	互感（磁芯），传输线耦合	W	电流控制开关
L	电感	X	单元子电路调用
M	MOS场效应晶体管（MOSFET）	Z	绝缘栅双极晶体管（IGBT）

  s9 I# }1 H! K

2．PSpice中的数字、单位和运算式

在PSpice A/D中，数字采用通常的科学表示方式，即可以使用整数、小数和以10为底的指数。用指数表示时，字母E代表作为底数的10。对于比较大或比较小的数字，还可以采用10种比例因子，如表5-3-2所示。使用时表中符号不分大、小写。      

表5-3-2  数字表示方式

' x; O$ f! o2 _; H0 p/ n

符号	比例因子	名称
F	10E-15	(femto-)
P	10E-12	(pico-)
N	10E-9	(nano-)
U	10E-6	(micro-)
MIL	25.4*10E-6	(mil-)
M	10E-3	(milli-)
K	10E3	(kilo-)
MEG	10E6	(mega-)
G	10E9	(giga-)
T	10E12	(tera-)

5 o& l1 ^6 C8 k3 S

在PSpice A/D中采用的是实用工程单位制，即时间单位为秒，电流单位为安培，电容单位为法拉，……，在运行过程中，PSpice A/D会根据具体对象，自动确定其单位。因此在实际应用中，代表单位的字母可以省略。

PSpice A/D中的表达式由运算符、数字、参量和变量构成。

3．电路图中的节点编号和输出变量表达式

1．SOURCE库中有许多电源符号，针对于不同的电路仿真功能，要选择不同的电源及设置。以下对一些常用的电源作简要介绍,如表5-3-5所示。

表5-3-5  常用的电源极其设置

符号名称	在电路特性仿真中的作用
	DC Sweep	AC Sweep	Time Domain(Transient)
VDC	设置直流电压	设置交流信号振幅
VAC	设置直流电压	设置交流信号振幅
VPULSE	设置直流电压	设置交流信号振幅	设置脉冲信号波形
VPWL	设置直流电压	设置交流信号振幅	设置分段线性信号波形
VSIN	设置直流电压	设置交流信号振幅	设置调幅信号波形
VSFFM	设置直流电压	设置交流信号振幅	设置调频信号波形
VEXP	设置直流电压	设置交流信号振幅	设置指数信号波形

2．瞬态分析中各电源的设置及波形（波形见图5-3-20）

（1）       VPULSE：脉冲信号源

V1：起始电压(一般设为低电平电压)，现在设为-1V。

V2：脉冲电压(一般设为高电平电压)，现在设为3V。

TD：由零秒到起始电压爬升的延迟时间，现在设为1ms。

    TR：由起始电压上升至脉波电压所需时间。现在设为0.5ms。

    TF：有脉波电压下降至起始电压所需时间。现在设为1ms。

PW：脉波宽度，即脉波电压存在的时间长度。现在设为1ms。

PER：信号周期，现在设为4ms。

（2）       VPWL：折线波信号源

主要是依据用户设置的坐标值表格而建立的，各坐标间的信号就是这二点间的直线连线电压。现设置坐标为：

T1=0时V1=-1V，T2=1ms时V2=2V，T3=3ms时V3=1V。

（3）       VSIN：调幅（正弦波）信号源

VOFF：直流基准电压，现在设为0V。

       VAMPL：幅度电压，现在设为10mV。

       FREQ：信号频率，现在设为1kHz。

       TD：延迟时间，现在设为0ms。

DF：阻尼系数，现在设为0，单位为秒的倒数。

PHASE：相位，现在设为0。

（4）       VSFFM：单频调频波信号源

VOFF：直流基准电压，现在设为1V。

VAMPL：幅度电压，现在设为2V。

FC：载波信号频率，现在设为3kHz。

MOD：调制系数，现在设为2。

FM：被调制信号频率，现在设为500Hz。

（5）       VEXP：指数波信号源

V1：起始电压（一般设为低态电压），现在设为-1V。

    V2：峰值电压，现在设为2V。

    TC1：电压上升的时间常数，现在设为0.5ms。

    TD1：由零秒到起始电压开始上升的延迟时间，现在设为1ms。

    TC2：电压下降的时间常数，现在设为0.2ms。

TD2：由峰值电压开始下降的延迟时间，现在设为4ms。

图5-3-20  瞬态分析中各电源的波形仿真

5.3.7  常用的模拟器件

表5-3-6  常用的模拟器件

名称	类型	名称	类型
D1N750	稳压二极管	J2N3819	N沟道JFET
MV2201	压变电容二极管	J2N4393	N沟道JFET
D1N4002	功率二极管	IXGH40N60	N沟道IGBT
D1N4148	开关二极管	LM324	线性运算放大器
MBD101	开关二极管	LF411	JFET输入级线性运算放大器
Q2N2222	NPN 型BIT	uA741	线性运算放大器
Q2N2907A	PNP 型BIT	LM111	线性运算放大器
Q2N3904	NPN 型BIT	IRF150	N型功率MOSFET
Q2N3906	PNP 型BIT	IRF9140	P型功率MOSFET

Model Editor可以统一处理以文本和修改规范两种形式提取模型参数来建立新模型，常用的模型参数如下表所示。

表5-3-7  二级管模型参数

8 x" P# E7 S/ v& A
/ C9 Z  q9 E8 Z5 Y# a% ]

序号	符号	SPICE关键字	名   称	隐含值	单位	举例
1	IS	IS	饱和电流	10-14	A	2*10-15A
2	RS	RS	欧姆电阻	0	Ω	10Ω
3	n	N	发射系数	1		1.2
4	τD	TT	渡越时间	0	s	1ns
5	CJO	CJO	零偏置结电容	0	F	2pF
6	φD

7 N. f: ?6 W( W# m$ N! G1 [  z- f

	符号	SPICE关键字	名      称	默认值	单位	举例
1	VTO	VTO	零偏阈值电压	1.0	V	1.0V
2	KP	KP	跨导参数	2 10-14	A/V2	3 10-5A/V2
3	γ	GAMMA	体材料阈值参数	0.0	V1/2	0.35 V1/2
4	2 P	PHI	表面电势	0.6	V	0.65V
5	λ	LAMBDA	沟道长度调制系数	0.0	V-1	0.02V-1
6	tOX	TOX	氧化层厚度	1 10-7	m	1 10-7m
7	Nb	NSUB	衬底惨杂浓度	0.0	cm-3	1 10-15cm-3
8	NSS	NSS	表面态密度	0.0	cm-2	1 10-10cm-2
9	NFS	NFS	快表面态密度	0.0	cm-2	1 10-10cm-2
10	Neff	NEFF	总沟道电荷系数	1		5
11	XJ	XJ	结深	0.0	m	1 10-6m
12	Ld	LD	横向扩散长度	0.0	m	0.8 10-6m
13	TPG	TPG	硅材料类型	1(硅栅)		0(铝栅)
14	μO	UO	载流子表面迁移率	600	cm2/(V*s)	700cm2/( V*s)
15	Ue	UCRIT	迁移率下降时临界电场	1 104	V/cm	1 104V/cm
16	Ue	UEXP	迁移率下降时临界电场系数	0.0		0.1
17	Ut	UTRA	迁移率下降时横向电场系数	0.0		0.5
18	vmax

	符号	SPICE关键字	名      称	默认值	单位	举例
1	VTO	VTO	零偏阈值电压	1.0	V	1.0V
2	KP	KP	跨导参数	2 10-14	A/V2	3 10-5A/V2
3	γ	GAMMA	体材料阈值参数	0.0	V1/2	0.35 V1/2
4	2 P	PHI	表面电势	0.6	V	0.65V
5	λ	LAMBDA	沟道长度调制系数	0.0	V-1	0.02V-1
6	tOX	TOX	氧化层厚度	1 10-7	m	1 10-7m
7	Nb	NSUB	衬底惨杂浓度	0.0	cm-3	1 10-15cm-3
8	NSS	NSS	表面态密度	0.0	cm-2	1 10-10cm-2
9	NFS	NFS	快表面态密度	0.0	cm-2	1 10-10cm-2
10	Neff	NEFF	总沟道电荷系数	1		5
11	XJ	XJ	结深	0.0	m	1 10-6m
12	Ld	LD	横向扩散长度	0.0	m	0.8 10-6m
13	TPG	TPG	硅材料类型	1(硅栅)		0(铝栅)
14	μO	UO	载流子表面迁移率	600	cm2/(V*s)	700cm2/( V*s)
15	Ue	UCRIT	迁移率下降时临界电场	1 104	V/cm	1 104V/cm
16	Ue	UEXP	迁移率下降时临界电场系数	0.0		0.1
17	Ut	UTRA	迁移率下降时横向电场系数	0.0		0.5
18	vmax

& u: ?; m$ D" _( ]

序号	符号	SPICE关键字	名   称	隐含值	单位	举例
	C4	ISC（C4IS）	B-C结泄露饱和电流	0	A
	IKR	IKR	反向β大电流下降点	∞	A	10-13A
	nCL	NC	B-C结泄露发射系数	2		2
	VB	VAR	反向欧拉电压	∞	V	200V	3 V6 B; ~. f' c4 o2 e
	REE?	RE	发射极体电阻	0	Ω	1Ω
	RBM	RBM	大电流时最小基极欧姆电阻	RB	Ω	10Ω	' Y- J9 E" G" a  i; U9 D
	IRB	IRB	基极电阻下降到最小值的1/2时的电流	∞	A	0.1A
	VτF	VTF	描述TF随VBC变化的电压
	PτF	PTF	F=1/（2πτF）	0			" i' A2 k$ f1 e6 b! W3 F- d
	φE	VJE	B-E结内建电势	0.75	V	0.70V
	φC	VJC	B-C结内建电势	0.75	V	0.70V
	CSUB	CJS	C-衬底零偏置电容	0	F	5pF
	φS	VJS	衬底结内建电势	0.75	V	0.70V
	mS	MJS	衬底结梯度因子	0.33		0.35
	FC	FC	正偏压耗尽电容公式中的系数	0.5			: q1 f6 k' M2 V' V3 X# m
	XCJC	XCJC	B-C结耗尽电容连到基

- Y+ o: h0 |" {& Y7 h

  X' `$ l4 r- t& K" I! P  h

	符号	SPICE关键字	名      称	默认值	单位	举例
1	VTO	VTO	零偏阈值电压	1.0	V	1.0V
2	KP	KP	跨导参数	2 10-14	A/V2	3 10-5A/V2
3	γ	GAMMA	体材料阈值参数	0.0	V1/2	0.35 V1/2
4	2 P	PHI	表面电势	0.6	V	0.65V
5	λ	LAMBDA	沟道长度调制系数	0.0	V-1	0.02V-1
6	tOX	TOX	氧化层厚度	1 10-7	m	1 10-7m
7	Nb	NSUB	衬底惨杂浓度	0.0	cm-3	1 10-15cm-3
8	NSS	NSS	表面态密度	0.0	cm-2	1 10-10cm-2
9	NFS	NFS	快表面态密度	0.0	cm-2	1 10-10cm-2
10	Neff	NEFF	总沟道电荷系数	1		5
11	XJ	XJ	结深	0.0	m	1 10-6m
12	Ld	LD	横向扩散长度	0.0	m	0.8 10-6m
13	TPG	TPG	硅材料类型	1(硅栅)		0(铝栅)
14	μO	UO	载流子表面迁移率	600	cm2/(V*s)	700cm2/( V*s)
15	Ue	UCRIT	迁移率下降时临界电场	1 104	V/cm	1 104V/cm
16	Ue	UEXP	迁移率下降时临界电场系数	0.0		0.1
17	Ut	UTRA	迁移率下降时横向电场系数	0.0		0.5
18	vmax

0 O+ L5 P! s' d+ s6 h) A! I# ~+ ~

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