Altium Designer中的電路仿真技巧

　　Altium Designer的混合電路信號仿真工具，在電路原理圖設計階段實現(xiàn)對數(shù)?；旌闲盘?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/電路">電路的功能設計仿真，配合簡單易用的參數(shù)配置窗口，完成基于時序、離散度、信噪比等多種數(shù)據(jù)的分析。Altium Designer 可以在原理圖中提供完善的混合信號電路仿真功能 ，除了對XSPICE 標準的支持之外，還支持對Pspice模型和電路的仿真。Altium Designer中的電路仿真是真正的混合模式仿真器，可以用于對模擬和數(shù)字器件的電路分析。仿真器采用由喬治亞技術研究所（GTRI）開發(fā)的增強版事件驅(qū)動型XSPICE仿真模型，該模型是基于伯克里SPICE3代碼，并于且SPICE3f5完全兼容。

　　SPICE3f5模擬器件模型：包括電阻、電容、電感、電壓/電流源、傳輸線和開關。五類主要的通用半導體器件模型，如diodes、BJTs、JFETs、MESFETs和MOSFETs。

　　XSPICE模擬器件模型是針對一些可能會影響到仿真效率的冗長的無需開發(fā)局部電路，而設計的 復雜的、非線性器件特性模型代碼。包括特殊功能函數(shù)，諸如增益、磁滯效應、限電壓及限電流、s域傳輸函數(shù)精確度等。局部電路模型是指更復雜的器件，如用局部電路語法描述的操作運放、時鐘、晶體等。每個局部電路都下在*.ckt文件中，并在模型名稱的前面加上大寫的X。

　　數(shù)字器件模型是用數(shù)字SimCode語言編寫的，這是一種由事件驅(qū)動型XSPICE模型擴展而來專門用于仿真數(shù)字器件的特殊的描述語言，是一種類C語言，實現(xiàn)對數(shù)字器件的行為及特征的描述，參數(shù)可以包括傳輸時延、負載特征等信息；行為可以通過真值表、數(shù)學函數(shù)和條件控制參數(shù)等。它來源于標準的XSPICE代碼模型。在SimCode中，仿真文件采用ASCII碼字符并且保存成.TXT后綴的文件，編譯后生成*.scb模型文件?？梢詫⒍鄠€數(shù)字器件模型寫在同一個文件中。

　　1.仿真電路建立及與仿真模型的連接

　　AD 中由于采用了集成庫技術，原理圖符號中即包含了對應的仿真模型，因此原理圖即可直接用來作為仿真電路，而99SE中的仿真電路則需要另行建立并單獨加載各元器件的仿真模型。

　　2.外部仿真模型的加入

　　AD中提供了大量的仿真模型，但在實際電路設計中仍然需要補充、完善仿真模型集。一方面，用戶可編輯系統(tǒng)自帶的仿真模型文件來滿足仿真需求，另一方面， 用戶可以直接將外部標準的仿真模型倒入系統(tǒng)中成為集成庫的一部分后即可直接在原理圖中進行電路仿真。

　　3.仿真功能及參數(shù)設置

　　Altium Designer的仿真器可以完成各種形式的信號分析，在仿真器的分析設置對話框中，通過全局設置頁面，允許用戶指定仿真的范圍和自動顯示仿真的信號。每一項分析類型可以在獨立的設置頁面內(nèi)完成。Altium Designer中允許的分析類型包括：

　　1、直流工作點分析

　　2、瞬態(tài)分析和傅立葉分析

　　3、交流小信號分析

　　4、阻抗特性分析

　　5、噪聲分析

　　6、Pole-Zero（臨界點）分析

　　7、傳遞函數(shù)分析

　　8、蒙特卡羅分析

　　9、參數(shù)掃描

　　10、溫度掃描等

　　1．直流工作點分析：直流工作點分析用在測定帶有短路電感和開路電容電路的直流工作點。

　　在測定瞬態(tài)初始化條件時，除了已經(jīng)在Transient/Fourier Analysis Setup中使能了Use Initial Conditions參數(shù)的情況外，直流工作點分析將優(yōu)先于瞬態(tài)分析。同時，直流工作點分析優(yōu)先于交流小信號、噪聲和Pole-Zero分析，為了保證測定的線性化，電路中所有非線性的小信號模型。 在直流工作點分析中將不考慮任何交流源的干擾因素。

　　2．瞬態(tài)分析：瞬態(tài)分析在時域中描述瞬態(tài)輸出變量的值。在未使能Use Initial Conditions參數(shù)時，對于固定偏置點，電路節(jié)點的初始值對計算偏置點和非線性元件的小信號參數(shù)時節(jié)點初始值也應考慮在內(nèi)，因此有初始值的電容和電感也被看作是電路的一部分而保留下來。

　　參數(shù)設置

　　Transient Start Time：分析時設定的時間間隔的起始值（單位：秒）

　　Transient Stop Time： 分析時設定的時間間隔的結(jié)束值（單位：秒）

　　Transient Step Time：分析時時間增量（步長）值

　　Transient Max Step Time：時間增量值的最大變化量；缺省狀態(tài)下，其值可以是Transient Step Time或（Transient Stop Time – Transient Start Time）/50。

　　Use Initial Conditions：當使能后，瞬態(tài)分析將自原理圖定義的初始化條件開始，旁路直流工作點分析。該項通常用在由靜態(tài)工作點開始一個瞬態(tài)分析中。

　　Use Transient Default：調(diào)用缺省設定

　　Default Cycles Displayed：缺省顯示的正玄波的周期數(shù)量。該值將由Transient Step Time決定。

　　Default Points Per Cycle：每個正玄波周期內(nèi)顯示數(shù)據(jù)點的數(shù)量。

　　如果用戶未確定具體輸入的參數(shù)值，建議使用缺省設置；當使用原理圖定義的初始化條件時，需要確定在電路設計內(nèi)的每一個適當?shù)脑骷弦呀?jīng)定義了初始化條件，或在電路中放置.IC元件。

　　3．傅立葉分析：一個設計的傅立葉分析是基于瞬態(tài)分析中最后一個周期的數(shù)據(jù)完成的。

　　參數(shù)設置

　　Enable Fourier：在仿真中執(zhí)行傅立葉分析（缺省為Disable）

　　Fourier Fundamental Frequency：由正玄曲線波疊加近似而來的信號頻率值

　　Fourier Number of Harmonics：在分析中應注意的諧波數(shù)；每一個諧波均為基頻的整數(shù)倍。

　　在執(zhí)行傅立葉分析后，系統(tǒng)將自動創(chuàng)建一個.sim數(shù)據(jù)文件，文件中包含了關于每一個諧波的幅度和相位詳細的信息。

　　4.直流掃描分析：直流掃描分析就是直流轉(zhuǎn)移特性，當輸入在一定范圍內(nèi)變化時，輸出一個曲線軌跡。通過執(zhí)行一系列直流工作點分析，修改選定的源信號的電壓，從而得到一個直流傳輸曲線；用戶也可以同時指定兩個工作源。

　　參數(shù)設置

　　Primary Source：電路中獨立電源的名稱

　　Primary Start：主電源的起始電壓值

　　Primary Stop：主電源的停止電壓值

　　Primary Step：在掃描范圍內(nèi)指定的增量值

　　Enable Secondary：在主電源基礎上，執(zhí)行對每個從電源值的掃描分析

　　Secondary Name：在電路中獨立的第二個電源的名稱

　　Secondary Start：從電源的起始電壓值

　　Secondary Stop：從電源的停止電壓值

　　Secondary Step： 在掃描范圍內(nèi)指定的增量值

　　在直流掃描分析中必須設定一個主源，而第二個源為可選；通常第一個掃描變量（主獨立源）所覆蓋的區(qū)間是內(nèi)循環(huán)，第二個（次獨立源）掃描區(qū)間是外循環(huán)。

　　5．交流小信號分析：交流分析是在一定的頻率范圍內(nèi)計算電路和響應。如果電路中包含非線性器件或元件，在計算頻率響應之前就應該得到此元器件的交流小信號參數(shù)。在進行交流分析之前，必須保證電路中至少有一個交流電源，也即在激勵源中的AC 屬性域中設置一個大于零的值。

　　參數(shù)設置

　　Start Frequency：用于正玄波發(fā)生器的初始化頻率（單位：Hz）

　　Stop Frequency： 用于正玄波發(fā)生器的截至頻率（單位：Hz）

　　Sweep Type：決定如何產(chǎn)生測試點的數(shù)量；Linear-全部測試點均勻的分布在線性化的測試范圍內(nèi)，是從起始頻率開始到終止頻率的線性掃描，Linear類型適用于帶寬較窄情況；Decade-測試點以10的對數(shù)形式排列， Decade用于帶寬特別寬的情況；Octave-測試點以8個2的對數(shù)形式排列，頻率以倍頻程進行對數(shù)掃描，Octave用于帶寬較寬的情形；

　　Test Points：在掃描范圍內(nèi)，依據(jù)選擇的掃描類型，定義增量值；

　　Total Test Point：顯示全部測試點的數(shù)量；

　　在執(zhí)行交流小信號分析前，電路原理圖中必須包含至少一個信號源器件并且在AC Magnitude參數(shù)中應輸入一個值。用這個信號源去替代在仿真期間的正玄波發(fā)生器。用于掃描的正玄波的幅度和相位需要在SIM模型中指定。輸入的幅度值（電壓Volt）和相位值（度Degrees），不要求輸入單位值。設定交流量級為1，將使輸出變量顯示相關度為0dB。

　　6．阻抗特性分析：阻抗特性分析將顯示電路中任意兩個終端源間的阻抗特征，該分析沒有獨立的設置頁面，通常只作為交流小信號分析中的一個部分。

　　參數(shù)設置

　　阻抗測量將通過輸入電源電壓值除以輸出電流值得到。要獲得一個電路輸出阻抗的阻抗特征圖，須通過下列步驟實現(xiàn)：

　　從輸入端刪除源

　　輸入電源與地短接

　　刪除任意連入電路的負載

　　連接輸出兩端的源，即正電源連接到輸出端，負端接地

　　7．噪聲分析：噪聲分析利用噪聲譜密度測量由電阻和半導體器件的噪聲影響，通常由V2/Hz表征測量噪聲值。電阻和半導體器件等都能產(chǎn)生噪聲，噪聲電平取決于頻率。電阻和半導體器件產(chǎn)生不同類型的噪聲（注意：在噪聲分析中，電容、電感和受控源視為無噪聲元器件）。對交流分析的每一個頻率，電路中每一個噪聲源（電阻或晶體管）的噪聲電平都被計算出來。它們以輸出節(jié)點的貢獻通過將各均方根值相加得到。

　　參數(shù)設置

　　Output Noise：需要分析噪聲的輸出節(jié)點

　　Input Noise：疊加在輸入端的噪聲總量，將直接關系到輸出端上的噪聲值

　　Component Noise：電路中每個器件（包括電阻和半導體器件）對輸出端所造成的噪聲乘以增益后的總和。

　　Noise Sources：選擇一個用于計算噪聲的參考電源（獨立電壓源或獨立電流源）；

　　Start Frequency：指定起始頻率；

　　Stop Frequency：指定終止頻率；

　　Test Points：指定掃描的點數(shù)；

　　Points/Summary：指定計算噪聲范圍。在此區(qū)域中，輸入0則只計算輸入和輸出噪聲；如輸入1則同時計算各個器件噪聲。后者適用于用戶想單獨查看某個器件的噪聲并進行相應的處理（比如某個器件的噪聲較大，則考慮使用低噪聲的器件換之）。

　　OutPut Node：指定輸出噪聲節(jié)點；

　　Reference Node：指定輸出噪聲參考節(jié)點，此節(jié)點一般為地（也即為0節(jié)點），如果設置的是其他節(jié)點，通過V（Output Node）-V（Reference Node）得到總的輸出噪聲；

　　Sweep Type框中指定掃描類型，這些設置和交流分析差不多，在此只作簡要說明。Linear為線性掃描，是從起始頻率開始到終止頻率的線性掃描，Test Points是掃描中的總點數(shù)，一個頻率值由當前一個頻率值加上一個常量得到。Linear適用于帶寬較窄情況。Octave為倍頻掃描，頻率以倍頻程進行對數(shù)掃描。Test Points是倍頻程內(nèi)的掃描點數(shù)。下一個頻率值由當前值乘以一個大于1的常數(shù)產(chǎn)生。Octave用于帶寬較寬的情形。Decade為十倍頻掃描，它進行對數(shù)掃描。Test Points是十倍頻程內(nèi)的掃描點數(shù)。Decade用于帶寬特別寬的情況。

　　通常起始頻率應大于零；獨立的電壓源中需要指定Noise Source參數(shù)；

　　8 .Pole-Zero（臨界點）分析：在單輸入/輸出的線性系統(tǒng)中，利用電路的小信號交流傳輸函數(shù)對極點或零點的計算用Pole-Zero進行穩(wěn)定性分析；將電路的直流工作點線性化和對所有非線性器件匹配小信號模型。傳輸函數(shù)可以是電壓增益（輸出與輸入電壓之比）或阻抗（輸出電壓與輸入電流之比）中的任意一個。

　　參數(shù)設置

　　Input Node：正的輸入節(jié)點

　　Input Reference Node：輸入端的參考節(jié)點（缺?。?（GND））

　　Output Node：正的輸出節(jié)點

　　Output Reference Node：輸出端的參考節(jié)點（缺?。?（GND））

　　Transer Function Type： 設定交流小信號傳輸函數(shù)的類型；V（output）/V（input）-電壓增益?zhèn)鬏敽瘮?shù)，V（output）/I（input）-電阻傳輸函數(shù)

　　Analysis Type： 更精確的提煉分析極點

　　Pole-Zero分析可用于對電阻、電容、電感、線性控制源、獨立源、二極管、BJT管、MOSFET管和JFET管，不支持傳輸線。對復雜的大規(guī)模電路設計進行Pole-Zero分析，需要耗費大量時間并且可能不能找到全部的Pole和Zero點，因此將其拆分成小的電路在進行Pole-Zero分析將更有效。

　　9．傳遞函數(shù)分析（也稱為直流小信號分析）：傳遞函數(shù)分析將計算每個電壓節(jié)點上的直流輸入電 阻、直流輸出電阻和直流增益值。

　　參數(shù)設置

　　Source Name：指定輸入?yún)⒖嫉男⌒盘栞斎朐?/p>

　　Reference Node：作為參考指定計算每個特定電壓節(jié)點的電路節(jié)點（缺?。涸O置為0）

　　利用傳遞函數(shù)分析可以計算整個電路中直流輸入、輸出電阻和直流增益三個小信號的值。

　　10. 蒙特卡羅分析：蒙特卡羅分析是一種統(tǒng)計模擬方法，它是在給定電路元器件參數(shù)容差為統(tǒng)計分布規(guī)律的情況下，用一組組偽隨機數(shù)求得元器件參數(shù)的隨機抽樣序列，對這些隨機抽樣的電路進行直流掃描、直流工作點、傳遞函數(shù)、噪聲、交流小信號和瞬態(tài)分析，并通過多次分析結(jié)果估算出電路性能的統(tǒng)計分布規(guī)律，蒙特卡羅分析可以進行最壞情況分析，AD6 的蒙特卡羅分析在進行最壞情況分析時有著強大且完備的功能。

　　參數(shù)設置

　　Seed：該值是仿真中隨機產(chǎn)生的。如果用隨機數(shù)的不同序列執(zhí)行一個仿真，需要改變該值（缺?。?1）

　　Distribution：容差分布參數(shù)；Uniform（缺?。┍硎締握{(diào)分布。在超過指定的容差范圍后仍然保持單調(diào)變化；Gaussian表示高斯曲線分布（即Bell-Shaped鈴形），名義中位數(shù)與指定容差有-/+3的背離；Worst Case表示最壞情況與單調(diào)分布類似，不僅僅是容差范圍內(nèi)最差的點。

　　Number of Runs：在指定容差范圍內(nèi)執(zhí)行仿真中運用不同器件值（缺省：5）

　　Default Resistor Tolerance：電阻器件缺省容差（缺?。海保埃ィ?/p>

　　Default Capacitor Tolerance：電容器件缺省容差（缺省：１０％）

　　Default Inductor Tolerance：電感器件缺省容差（缺?。海保埃ィ?/p>

　　Default Transistor Tolerance： 三極管器件缺省容差（缺?。海保埃ィ?/p>

　　Default DC Source Tolerance： 直流源缺省容差（缺?。海保埃ィ?/p>

　　Default Digital Tp Tolerance： 數(shù)字器件傳播延時缺省容差（缺?。海保埃ィ撊莶顚⒂糜谠O定隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生數(shù)值的區(qū)間。對于一個名義值為ValNom的器件，其該容差區(qū)間為：ValNom– （Tolerance * ValNom）＜RANGE》 ValNom+ （Toleance*ValNom）

　　Specific Tolerances：用戶特定的容差（缺省：0），定義一個新的特定容差，先執(zhí)行Add命令，在出現(xiàn)的新增行的Designator域中選擇特定容差的器件，在Parameter中設置參數(shù)值，在Tolerance中設定容差范圍，Track No.即跟蹤數(shù)（tracking number ）用戶可以為多個器件設定特定容差。此區(qū)域用來標明在設定多個器件特定容差的情況下，它們之間的變化情況。如果兩個器件的特定容差的Tracking No.一樣，且分布一樣，則在仿真時將產(chǎn)生同樣的隨機數(shù)并用于計算電路特性，在Distribution中選擇uniform，gaussian，worst case其中一項。每個器件都包含兩種容差類型，分別為器件容差和批量容差。

　　在電阻、電容、電感、晶體管等同時變化情況。但可想而知，由于變化的參數(shù)太多，反而不知道哪個參數(shù)對電路的影響最大。因此，建議讀者不要“貪多”，一個一個地分析，例如讀者想知道晶體管參數(shù)BF對電路頻率響應的影響，那么就應該去掉其它參數(shù)對電路的影響，而只保留BF容差。

　　11.參數(shù)掃描：參數(shù)掃描它可以與直流、交流或瞬態(tài)分析等分析類型配合使用，對電路所執(zhí)行的分析進行參數(shù)掃描，對于研究電路參數(shù)變化對電路特性的影響提供了很大的方便。在分析功能上與蒙特卡羅分析和溫度分析類似，它是按掃描變量對電路的所有分析參數(shù)掃描的，分析結(jié)果產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)列表或一組曲線圖。同時用戶還可以設置第二個參數(shù)掃描分析，但參數(shù)掃描分析所收集的數(shù)據(jù)不包括子電路中的器件。

　　參數(shù)設置

　　Primary Sweep Variable：希望掃描的電路參數(shù)或器件的值，利用下拉選項框設定

　　Primary Start Value：掃描變量的初始值

　　Primary Stop Value：掃描變量的截至值

　　Primary Step Value：掃描變量的步長

　　Primary Sweep Type：設定步長的絕對值或相對值

　　Enable Secondary：在分析需要確定第二個掃描變量

　　Secondary Sweep Variable： 希望掃描的電路參數(shù)或器件的值，利用下拉選項框設定

　　Secondary Start Value： 掃描變量的初始值

　　Secondary Stop Value： 掃描變量的截至值

　　Secondary Step Value： 掃描變量的步長

　　Secondary Sweep Type： 設定步長的絕對值或相對值

　　參數(shù)掃描至少應與標準分析類型中的一項一起執(zhí)行，我們可以觀察到不同的參數(shù)值所畫出來不一樣的曲線。曲線之間偏離的大小表明此參數(shù)對電路性能影響的程度。

　　12.溫度掃描：溫度掃描是指在一定的溫度范圍內(nèi)進行電路參數(shù)計算，用以確定電路的溫度漂移等性能指標。

　　參數(shù)設置

　　Start Temperature：起始溫度（單位：攝氏度C）

　　Stop Temperature：截至溫度（單位：攝氏度C）

　　Step Temperature：在溫度變化區(qū)間內(nèi)，遞增變化的溫度大小

　　在溫度掃描分析時，由于會產(chǎn)生大量的分析數(shù)據(jù)，因此需要將General Setup中的Collect Data for設定為Active Signals。