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仿真

电子电路仿真基础

何谓SPICE

近年来,利用软件进行仿真的技术已经在电子电路的设计和评估中得到广泛应用。这其中也是有诸多原因的。例如,随着运行和信号的高速化,加之电子元器件的小型化和表面贴装趋势等,以往使用面包板的评估方式已经越来越不现实。然而,能够简便且迅速地确认运行情况和特性、能够以几乎最佳的条件进入实际评估、能够减少试制次数等开发成本和周期,是比什么都重要的关键所在。为了应对这种情况并满足这类需求,电子元器件制造商们纷纷提供仿真用的元器件数据,并推出很多被称为“模拟器”的仿真软件。

在此抽取其中比较普及的、且有免费版提供的基于SPICE的仿真软件,介绍一下包括导入在内的基础知识。

何谓SPICE?

SPICE是电子电气电路模拟器之一,是由美国加利福尼亚大学伯克利分校(University of California, Berkeley)于1973年开发出来的。SPICE是由Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis(集成电路用仿真程序)的首字母组成的简称。当时的主要目的是对运放等的IC、晶体管、二极管、电阻、电容器等的模拟电路工作进行模拟。

SPICE在开发到SPICE3(1985年)之后,基于SPICE进行改进并新增功能的产品开始被应用于商业用途。如今已经众所周知的PSPICE,是MicroSim公司*发售的第一个商用SPICE,使在大型计算机上运行的SPICE可以用于个人计算机。*MicroSim公司与OrCAD公司合并,之后OrCAD公司被Cadence公司收购。PSPICE已成为Cadence公司的设计支持工具OrCAD的一部分。

主要的仿真软件

主要的商用仿真软件如下。这些软件基本上都是以电路工作仿真为目的的,所以都是相似的,但GUI(图形用户界面)多少有些不同。在性能和规格方面,收敛算法、可用模型和所使用元件数上限等有不同之处,有些软件也提供有限制的免费版。

名称 供应商 摘要
OrCAD Cadence Design Systems公司 含Pspice。有免费版
LTSpice Analog Devices公司(原LTC) 完全免费。与Pspice模型兼容
SIMetrix SIMetrix Technologies公司 有免费版。与Pspice模型兼容
Hspice Synopsys公司 多用于IC开发
Spectre Cadence Design Systems公司 多用于IC开发
ADS Keysight Technologies公司 可进行基板级的噪声模拟
Eido Mentor Graphics公司 IC设计

※上述公司名和产品名等一般为各公司的商标或注册商标。

工作机制

下面简单介绍一下模拟器的工作机制。

一般情况下,首先输入要仿真的电路图。由于模拟器中提供了晶体管、IC、电容器、二极管、电阻器、电感器等部件(模型),所以选择相应部件并连接它们。这和平时绘制电路图的感觉一样。

电路完成后,仅需点击执行仿真按钮,即可执行所设置的仿真工作。在图例中,创建用来“将Pch-MOSFET的栅极GND接地,在漏极以0.1V/Step施加0~10V的电压,监测此时MOSFET中流动的电流”的电路图,并获得电流值图表作为执行结果(左侧蓝色箭头所指流程)。

表面上看来是这样的操作,但实际上创建的电路图被转换为称为“网表”的、描述有元器件、电路及仿真条件等所有信息的源代码。然后,模拟器根据网表来计算电路,即进行仿真并输出数据。此时,每0.1V的电流值被存储为数值。基于该数据,使用图表功能输出图表(黄色箭头所指流程)。

下面是与上例不同的模拟器,是相同内容仿真的网表示例。详细过程计划另行说明,所以在这里只需对网表中的内容有印象即可。

下一篇文章将介绍仿真软件的下载方法,以便先试用起来。

关键要点:

・软件仿真在电子电路的设计和评估中应用广泛。

・利用软件仿真,可简单且迅速地实施评估,并可减少开发成本和周期。

・可获得基于Spice的各种模拟器。

下载SPICE模型请点击这里