PSpice A_D分析教学课件PPT基本分析.ppt
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1、第四章 pspice A/D分析,学习目的,本章学习的目的是电路仿真程序pspice的基本操作。其主要功能是将capture产生的电路图文件或者文本文件进行仿真并将结果存档。另外,pspice提供了一个辅助的波形观察程序probe,他有能力将仿真结果快速而准确地以窗口图形显示出来,它相当于实验室里曲线跟踪仪、示波器、网络分析仪、频谱分析仪、逻辑分析仪等观察仪器的作用。 使用PSpice仿真,具有一定的电路设计背景,能够了解电路的工作原理。软件操作比较简单,但是要让仿真真正指导您的工作,是需要一定的经验积累,主要内容,1 pspice 分析的基本知识 2 pspice分析的类型,4.1 pspi
2、ce分析的基本知识,1 支持的元器件类型 2 支持的元器件类别及其字母代号 电路图中的节点编号 输出变量的基本格式 数字和单位表示,1 Pspice 支持的元器件类型, 基本无源元件,如电阻、电容、电感、互感、传输线等。 常用的半导体器件,如二极管、三极管、结型场效应管、MOS场效型管、GaAs场效型管、绝缘栅双极晶体管(IGBT) 独立电压源和独立电流源 各种受控电压源、受控电流源及受控开关 基本数字逻辑单元,包括门电路、传输门、延迟线、触发器、RAM、ROM等 常用的单元电路,如运算放大器,2 电路图中的节点编号,PSPICE接收4种可用的节点编号: 1 由用户设置的网络标号 2 用户为电
3、路端口符号确定的名称 3 用元器件引出端作为节点名称。 其一般形式为: 元器件编号:引出端名 对于二端元器件,用1和2作为引出端名称 对独立的电流源和电压源,用+和-作为两个引出端的名称. 对多端器件用引出端名称的字母代号。例如,双极晶体管 的基极、集电极、发射极和衬底4个引出端名称分别用字母 B、C、E和S表示。对场效应晶体管,源极、漏极和栅极 名称分别用字母S、D和G表示,若有衬底引出,用字母B 表示如R5:1,V1:+, Q2:C,M1:G,对于按层次设计的电路图,上述节点名称和元器件编号的前 面还必须给出其在层次电路图中的层次名称,层次名称之间 用小数点符号隔开,如HB0.R1:1;单
4、页式电路图或多页式电 路图中位于最上层(根层次)电路的节点名称和元器件编号 的前面无需加电路的层次说明。 4 用数字编排的节点序号 在生成网表文件时,Pspice为每个节点编排一个数字编号, 并将节点编号与上述几种节点名的对应关系存放在Alias文件 中(以ALS为扩展名),同时显示在以OUT为扩展名的文件 中。,例:,节点号: Q1:b, C1:1, C1:2, N00112, Q2:c, RC1:1, VDD, OFFPAGE等,3 输出变量的基本格式,PSpice完成特性分析之后,代表分析结果的输出变量基本分为电压名(包 括节点电压、元器件引出端电压,或两个节点/或引出端之间的电压)和电
5、 流名(包括流过两端元件的电流或流过多端器件某一引出端的电流)两类: 1 电压变量的基本格式: V(节点1,节点2)-节点1、节点2间的电压 V(节点1)-节点1对地的电压, 如: V(R1:1,R1:2) V(R1:1) - 也可V1(R1), V(Q2:C) - 也可VC(Q2) 对多端器件:V(Q4:B,Q4:C)-也可VBC(Q4) 对独立电压源:V(V1:+) 2 电流变量: I(元器件编号:引出端名) 如:I(Q1:C) - 也可IC(Q1) 对二端无源器件,不要给出引出端名,即:I(元器件编号)-规定电流从1端流入,2端流出,如:I(R1),I(C1) 对独立源, I(独立源编号
6、),如:I(V1),规定电流从正端流进,负端流出;多端有源器件的电流正方向定义为从引入端流入器件。,交流小信号分析输出变量的特殊表示,VAC标示符(节点1,节点2) I AC标示符(元器件编号:引出端名) AC标示符有: M-振幅,DB-分贝,P-相位,R-实部,I-虚部 例:VM(C1:1), VDB(C1:1), VP(C1:1), VR(C1:1), VI(C1:1), IM(Q1:B), IDB(C1),IP(R1), IR(Q1:C), II(C1) 无AC标示符时默认表示输出变量的振幅,AC分析中变量名标示符,4 Pspice 中的数字表示,例:1.23k、1.23E3和1230均
7、表示同一个数。 特别注意:100meg=100e6,100m=100e-3,Pspice 中的单位,采用实用工程单位制,即: 时间单位为秒(s) 频率单位为赫兹(Hz) 电流单位为安培(A) 电压单位为伏特(V) 代表单位的字母可以省去,如表示470千欧姆电阻: 470K, 4.7E5, 470KOhm,4.2 pspice分析类型,1 电路仿真过程 2 分析类型 3 各种分析举例,绘制原理图,仿真参数设置,运行仿真,模拟结果分析,4.2.1 PSpice电路模拟的基本过程,新建设计项目,优化设计,设计结果输出,设计不满足要求,设计满足要求,基于OrCAD Pspice的仿真分析,绘制完成电路
8、图后,在设置仿真参数之前,必须先建立一个仿真参数描述文件,点击,或PSpiceNew simulation profile,选择Create,系统将接着弹出如下对话框,在Analysis type中,你可以有以下四种选择: Time Domain(Transient):时域(瞬态)分析 DC Sweep:直流分析 AC Sweep/Noise :交流/噪声分析 Bias point:基本偏置点分析 在Options选项中你可以选择在每种基本分析类型上要附加进行的分析,其中General Setting是最基本的必选项(系统默认已选)。,4.2.2 Pspice电路分析类型,1 基本分析,基本分
9、析包括直流分析、交流分析和时域分析。 直流分析主要验证电路在直流电源(直流电压源与直流电流源)下的工作状态,包含有偏压点分析、直流扫描分析以及附加直流分析。 偏压点分析主要在用户给定了直流电源的情况下,求出电路上各节点电压与分支电流的数值。在执行其它任何分析之前,pspice均会自动执行一次偏压点分析。 直流扫描分析主要是将一个或两个直流电源、模型参数或是温度作为输出波形图的横轴变量,扫描过一定范围的数值,取出稳态电压或电流数值作为输出波形图的纵轴变量。 附加直流分析包括戴维南等效分析、直流灵敏度分析。直流灵敏度分析主要是计算在偏压点数值改变情况下,某个节点电压数值的变化程度。戴维南等效分析主
10、要是计算出在偏压点数值改变下,小信号直流增益、输入阻抗与输出阻抗的改变量。,交流分析主要验证电路在小信号交流电源下的工作状态。包含 交流扫描分析与噪声分析,相当于实验室频谱分析仪的地位 交流扫描分析主要是将一个或2个交流电源扫描过一定范围的频率,将电路在偏压点附近线性化,然后求出小信号电压或电流的幅度与相位频率响应。 噪声分析计算电路中各个器件对选定的输出点产生的噪声等效到选定的输入源(独立的电压或电流源)上。即计算输入源上的等效输入噪声。 时域信号分析主要验证电路在时域信号下的工作情况。包含暂态分析与傅立叶分析。暂态分析主要在求出各个时间点上电路的节点电压、分支电流或是数字状态,相当于实验室
11、内示波器与逻辑分析仪的地位。傅立叶分析主要求出暂态分析结果中某个输出信号的直流与其傅立叶成分的比例。,2 高级分析,高级分析包含有以下这几类可多次执行的分析项目:温度分析、参数分析、蒙托卡罗和最坏情况分析。所谓多次执行指的就是这些分析通常会对某一些指定的输出信号产生一系列输出结果。另外这些高级分析都必须伴随在直流扫描分析、交流扫描分析或是暂态分析之后才能执行。 执行温度分析时,pspice A/D会依照用户的设置逐步更改工作温度值,依次调整各元件的值,然后在每个温度数值的状态下记录一次输出结果。 执行参数分析时,pspice A/D会依照用户的设置逐步更改某个电路特性值,然后在每个电路特性值的
12、状态下记录一次输出结果。可以更改的电路特性值有全局参数、模型参数、元件值、直流电源与工作温度等,蒙托卡罗分析/最坏情况分析是有统计性质的分析类型。pspice A/D根据元件的误差范围每改变一次元件值就执行一次要求的基本分析,再将结果记录下来。只不过蒙托卡罗分析采取的是随机式的改变方式,而最坏情况分析则是先执行一次灵敏度分析,找出使输出有最差情况的组合,然后用这些数值找出最差情况时的真正输出结果。也就是说,蒙托卡罗分析是以随机取样及统计的形式呈现批量生产时合格率的分析情形,而最坏情况分析则比较适用于找出极端情况下的输出波形及当时的元件值组合。 如果是仿真数字电路的话,可以设置使用最低延迟时间,
13、标准延迟时间或最高延迟时间来仿真。如果已经求出数字最坏情况时序分析,pspice A/D将会考虑所有最低延迟时间与最高延迟时间的混合状态。求出可能出现最危险时序时的输入组合。,4.3 各种分析举例,直流分析 交流分析 暂态分析,学习目的,1 使用电路绘制程序capture绘制所需的电路图 2 学会偏压点分析、直流扫描分析和附加直流分析的设置 3学会调用仿真程序pspice进行仿真,Pspice可对大信号非线性电子电路进行直流分析。它是针对电路中各直流偏压值因某一参数(电源、元件参数等等)改变所作的分析,直流分析也是交流分析时确定小信号线性性模型参数和瞬态分析确定初始值所作的分析。包括: 直流偏
14、压点分析 直流扫描分析 附加直流分析,4.3.1 直流分析(DC analysis),独立电源 ( Independent DC Sources ),电流源(Current Source) 发出的电流是定值或是时间函数,与电压无关。 电流源的电流是由它本身确定的,而它两端的电压则是任意的,根据其负载定. 电压源(Voltage Source) (与电流有相似的特征),受控电源 (Dependent DC Sources),电压控制源 Voltage-controlled sources Voltage-controlled voltage source E Voltage-controlled
15、 current source G 电流控制源 Current-controlled sources Current-controlled voltage source H Current-controlled current source F,1 基本偏压点分析,所谓偏压点分析就是给定某个电压源或者电流源时,电路内各节点的电压值和各分支的电流值。其功能主要是在验证某个电路在当时的电压或电流时,是否能够正常工作,尤其在设计类似晶体管放大器之电路时,非常必要.结果自动存入.out文件中。,例,求V1点电压和各支路电流的值,建立仿真文件,在name栏输入仿真参数名称,这是一个新建参数文件并不需要从
16、别的参数文件继承任何设置参数,所以在inherit from栏内,选择none,查看仿真结果,例,求Va,Vb点的电压 求该电路耗散总功率,独 立电流源功率,电流控制 电压源功率。 H 电流控制电压源属性: r=265/13=20.3846(不能用分数表示!),解得,要注意的是,电路的耗散功率与电路中电源提供的功率相等。,现在用PSPICE来算一下,看一看其结果是否与我们算的相同? 步骤: 1 画好电路图;双击H元件,修改属性GAIN=20.3846 2 指定分析类型:Bias Point 偏置点分析 3 查看仿真结果,指定仿真类型,点击查看偏置 电压、电流,节点,电压,点击查看输出文件,查看
17、文本输出结果,点击view/output file功能选项查看执行偏压点分析后的结果。,例 用直流偏压点分析法分析三极管放大电路及其工作点,分析设置,工作点电压,工作点电流,网络连接情况,V_V2 N00297 0 12Vdc Q_Q1 OUT N00283 N00351 Q2N2222 C_C1 N00764 N00283 10u C_C2 OUT N01115 10u C_C3 0 N00351 50u R_R1 N00283 N00297 33k R_R2 0 N00283 10k R_R3 0 N00351 1.3k R_R4 OUT N00297 3.3k R_R5 0 N01115
18、 5k V_V1 N00764 0 DC 5Vdc AC 1Vac,传输特性,* SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS V(OUT)/V_V2 = 4.379E-01 INPUT RESISTANCE AT V_V2 = 5.160E+03 OUTPUT RESISTANCE AT V(OUT) = 3.289E+03,例 用基本偏压点分析法分析运算放大器,用电阻与受控源模拟运算放大器 如何用Pspice来模拟含有运算放大器的电路?,运算放大器的模型,模型中,Ri为运放的输入电阻,Ro为运放的输出电阻。受控源表明运放的电压放大作用,A为运放的电压放大倍数。 运放的特点:输出
19、电压受输入电压的控制,而输入电压却不受输出电压的制约。,参数:A=10E3, Ri=200k, Ro=5k. 1)当Vg=1V(dc) 时,用PSpice求Vi和Vo. 2)比较Pspice与分析结果的差异.,分析解: 解得,求解,元件:R,E(VCVS),VDC,SOURCE/0 分析类型:Bias point,查看分析结果,Vi=-2.758mV Vo=-10.03V,理想运放,我们要模拟理想运放的话,可以将前面的输入电阻Ri改为200Meg和输出电阻Ro改为1e-13,A改为10e4. 可以得出右图结果,运用OpAmp库模型,重复分析前面的电路,不过,这次我们利用Pspice的库模型uA
20、741。 uA741在OPAMP库中 需要在Place Part对话框,点Add Library按钮,添加该元件库。,作电路图,将E,R(2个)替换成uA741,Pspice仿真结果:,注意,文件存储的路径不能有中文,否则不能运行仿真 必须在电路中添加模拟地 Pspice对电压源电流定义的是流出为负,流入为正 当无法执行仿真程序时,pspice会在out window窗口显示错误及警告信息,我们可以根据这些信息回到capture窗口修改电路重新仿真 某些无法通过capture DRC检查的错误,会跳回绘图页编辑程序的页面,并在出现错误的电路位置上显示错误标志。,2 直流扫描分析,可以运用这种分
21、析方法,我们可以得出当电 路中某一独立源的参数发生变化时,其它元 件的电压、电流会有什么变化。,如右图所示的电路图, 如果我们变化V1,则电 路中其它元件的电流、 电压都会有所变化(除 电流源支路的电流)。,例,要求: 分析当V1从0到100V变化时(步距10V),R1上的电压和R4上的电流的变化。,作电路图,需要的元件: Analog: R 4个 Source: Vdc 1个, Idc 1个 GND:Souce/0 1个,需要的操作,Vdc元件:参数不需要改动 Idc元件:选中Idc元件 Edit-Properties修改DC项: 5adc,分析类型设置,如右图所示: 新建分析 选中DC S
22、WEEP 在sweep varible中,选择 Voltage source,并填入电压 源名称。下面的sweep type 中,选择linear, 在start框中 填入初值0,在end框中填 入终值100,在increment框 中填入步长10。,Sweep variable:直流扫描自变量类型 Voltage source:电压源 Current source:电流源 必须在Name里输入电压源或电流源的Reference,如“V1”、“I2”。 Global parameter:全局参数变量 Model parameter:以模型参数为自变量 Temperature:以温度为自变量 P
23、arameter:使用Global parameter或Model parameter时参数名称,Sweep type:扫描方式 Linear:参数以线性变化 Logarithmic:参数以对数变化 Value list:只分析列表中的值 Start:参数线性变化或以对数变化时分析的起始值 End:参数线性变化或以对数变化时分析的终止值 Increment、Points/Decade、Points/Octave:参数线性变化时的增量,以对数变化时倍频的采样点。,模拟及浏览结果,模拟 Pspice Run或直接按F11键 浏览结果 View Output File,用PROBE作图,Trace
24、Add Trace或直接按Insert键 选择V(R1:1) -V(R1:2),由此,我们可以看到当V1从0变化到100V时,R1上电压的变化。,扫描多个源,要求:绘制上述一组图形,体现在以下参数变化 时,R4上电流的变化 V1(主变量)从0到100V,步长20V变化; I1(次变量)从0到5A变化,步长1A变化,设置方法,Pspice Edit Simulation Profile,将v1的变化步长 改为20V。(如右上图所 示) 勾选Secondary Sweep, 设置i1的变化为0到5V,每 步1V。(如右下图所示),作图,Trace Add Trace 或 直接按Insert键 选择
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