电子线路分析pspice指导书5.docx
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电子线路分析pspice指导书5
电子线路分析(SPICE)
课程设计指导书
电子信息学院实验中心
2010年5月
目录
一、课程设计目的1
二、PSPICE8.0入门学习1
(一)PSPICE8.0简介及其集成环境1
1、PSPICE简介1
2、Pspice的集成环境1
3.PSPICE8.0的工作环境的创建2
(二)PspiceSchematics常用操作2
1.启动与退出Pspcie绘图程序2
2.Pspice屏幕操作2
3.最基本的菜单、工具操作3
4.画新电路图3
(三)Pspice8.0基本元素介绍4
1.Pspice中电路描述的符号规定4
2.无源元件5
3.器件6
4.独立电压源和电流源10
(四)Pspice8.0电路分析详解12
1.Pspice电路分析步骤12
2、Pspice电路分析功能介绍13
3、直流分析14
4、交流分析16
5、瞬态分析17
6、统计分析18
7、其它功能20
三、PSPICE应用举例21
例题1、模型参数及温度对二极管特性曲线的影响。
21
问题2、桥式全波整流滤波电路24
四、PSPICE设计题目25
设计题目一25
设计题目二26
设计题目三26
设计题目四27
设计题目五28
设计题目六29
设计题目七29
设计题目八30
设计题目九31
五、课时安排和考核办法32
一、课程设计目的
本课程设计是侧重于使用Pspice工具进行仿真验证以及电子线路设计与分析的实践教学课程。
通过上机学习并熟练使用Pspice工具,从而对模拟电子线路理论知识加深理解,并巩固课程的基本理论,进一步提高了学生解决工程实际问题的能力。
二、PSPICE8.0入门学习
(一)PSPICE8.0简介及其集成环境
1.PSPICE简介
PSPICE是(popularsimulationprogramwithintergratedcircuitemphasis)侧重于集成电路的通用模拟程序的简称.它是美国加州大学伯克利分校于1972年开发的电路仿真程序,后由伯克利本人改进为著名的spice2电路模拟器发展而来的。
1984年,美国仙童公司(microsim)推出Pspice版本用在pc机上作电路设计和仿真。
随着pc机的发展,Pspice不断完善,pspice已发展到版本9.0。
它分为工业版(productionversion)和教学版(EvalutionVersion)。
这些版本能在pc机上完成中、大规模电路设计,进行模拟电路分析和数字电路分析和模拟—数字混合电路分析(MixedAnalog/DigitalSimulation)。
由于Pspicewindows版本的图形输入方式进行仿真分析,便于不甚具备计算机专业的电路设计者快速进入计算机领域。
2.Pspice的集成环境
schematics
绘制编辑原理电路图。
确定和修改元器件模拟参数、确定分析类型。
调用pspice分析电路,调用probe显示打印分析结果。
pspiceA/D
电路仿真分析程序。
可完成直流工作点分析、直流转移特性分析。
直流小信号传输函数分析、交流小信号分析及噪声分析、瞬态分析、傅立叶分析、直流灵敏度分析、蒙特卡罗(MC)分析和最坏情况的统计分析及取模混合电路的仿真分析。
probe
图形后处理程序。
对输出波形进行各种处理,并能显示电路中各种变量对变量的规定运算,如显示、打印、拷贝、x轴y轴坐标变换、图形颜色、频率曲线、频谱分析等,功能强大。
parts
模型参数提取程序。
是个从器件特性中直接提取模型参数的软件包。
可依照用户给出元件的特性或参数的初值自动使用曲线拟合等伏化算法得到参数的最优解。
lib
pspice提供一丰富元件库。
以*.lib的文件形式存放在lib目录中,可直接调用。
详见其主要元件库。
pspiceoptimize
电路设计优化程序。
microsim
PCBOARDS印刷电路版图编辑。
3.PSPICE8.0的工作环境的创建
使用PSPICE设计电路时,应首先创建工作环境,方法为在MicroSimDesignManager界面中点击File中的NewWorkspace,设置工作环境保存路径。
然后再创建各类仿真文件,如原理图输入为RunSchematic,编辑后的源文件也需存入工作环境文件目录中;最后进行仿真运行。
(二)PspiceSchematics常用操作
1.启动与退出Pspcie绘图程序
∙启动:
开始菜单→程序菜单→MicrosimEval8.0→schematic;或直接找到sch图标双击。
即可进入schematic应用程序界面。
在此即可进行新的电路图编辑。
若要打开原存档文件,则可选择File|open找到原存档文件点击。
∙关闭:
可用File|Exit。
或直接用窗口关闭按钮
。
此时程序将提示是否改变?
不改变点N,改变点Y。
2.Pspice屏幕操作
∙屏幕的放大缩小,使用菜单Window|Cascade|In或out命令可放大
或缩小
图象。
也可直接按工具图标
或
进行放大缩小图象。
∙屏幕排列方式,要实现多屏幕工作或切换可用Window|TileHorizontal或TileVertical则出现水平排列
的窗口或垂直排列
的窗口。
∙清除屏幕上的电路图,可用关闭退出。
3.最基本的菜单、工具操作
schematic中有许多功能命令,但对于初学者而言,要画出简单的电路图,最基本要掌握的菜单命令、工具有:
●
等同于Draw|Getnewparts命令——取出所需元件。
●
等同于Draw|Wire——连线。
●
→
——旋转或翻转元件
●
等同于Analysis|Setup——设置参数。
●
等同于Analysis|Stimulate——分析电路,出波形。
用以上几个命令已可画出常见的普通电路图。
4.画新电路图
Pspice是以电路图输入来进行电路分析的,画好电路图是一重要部分。
电路图充分体现了元件之间的联系和电路的结构。
这里以画一限幅电路的简单例子讲述画电路图步骤:
1、使用Draw|GetNewPart或
调用元件库,找到元件。
2、利用place将元件放入要画的图面上。
3、重复以上2步,将所有所需元件放入图面上。
4、使用菜单Edit|Flip或Rotate翻转或旋转元件。
5、将元件排列好,用Draw|Wire或
将元件连成电路图。
(方法:
在要连线的起点点击,按着左键到要连线的终点,放开左键,再回到起点点击即可。
)
6、用Edit|Attributes或双击元件修改元件属性参数。
7、使用Edit|Label标记接点或线段标号。
8、用markers菜单放置测量标记。
9、电路图至此已作图完毕,保存后就可以进行电路仿真分析。
(三)Pspice8.0基本元素介绍
1.电路描述的符号规定
(1)结点规定:
每个节点至少有二个元件连线,一个元件至少有二个节点。
地参考点规定为0。
不得有悬空线,必要时加大电阻接地。
(2)缺省物理单位规定:
以工程单位MKS为缺省单位。
电压V
伏(V)
频率f
赫兹(Hz)
电流I
安(A)
时间t
秒(s)
电阻R
欧(Ω)
电容C
法(F)
电感L
亨(H)
(3)元件参数比例因子
f1E-15
D1E-12
n1E-9
u1E-6
m1E-3
K1E+3
meg1E+6
g1E+9
t1E+12
(4)电路元件属性代号规定
B砷化镓场效应管
J结型场效应管
S电压控制开关
C电容
K磁芯(变压器)
T传输线
D二极管
L电感
U数字器件
E电压控制电压源
Mmos场效应管
V独立电压源
F电流控制电流源
N数字输入
W电流控制开关
G电压控制电流源
O数字输出
X子电路调用属性符号
H电流控制电压源
Q双极型三极管
I特定电流值
R电阻
(5)表达式编号规则
∙参数值以变量或表达式出现时用{}花括号括起来。
如用{1K+(1+p*(-0.6)/1.0)}表示某电阻值。
∙在波形后处理程序probe中,各种变量允许通过简单运算后输出表示。
如(V(Q1:
C)-V(Q1:
E))*Ic(Q1)可得BJT的功耗曲线。
可用的运算符号有:
+、-、×、/、()还有以下:
ABS(x)x的绝对值
DB(x)20lg|x|
MAX(x)x的最大值
ARCTAN(x)x的反正切
H(kxy)耦合电感kxy的磁化系数
RMS(x)|x|的方根值
TAN(x)x的正切
Exp(x)e的x次幂
S(y)相对于x对y求积分
AVG(x)变量x的平均值
LOG(x)lnx
sin(x)正弦函数
B(kxy)耦合电感的kxy磁感密度
LOG10(x)logx
SQRT(x)x平方
cos(x)余弦函数
MIN(x)x的最小值
D(x)相对于x水平轴变量对y求导
(6)交流分析时,可以在输出电压V或输出电流I后增加一个附加项。
如VP(Q1:
c)表示V(Q1:
c)的相位值。
附加项含义如下:
M
幅值量
G
群延迟量,即相位对频率的偏导数
DB
幅值分贝数
R
实部
P
相位量
I
虚部
2.无源元件
(1)电阻R
当用户双击电路图上的电阻(或单击电阻使其变红,然后再单击"Edit"菜单中的"Attributes")时,有电阻的属性对话框出现。
这个对话框是对已选定的电阻进行编辑。
它包括系统定义的属性和不能改变的属性。
用户可根据需要在对话框中更改电阻的名称和参数。
用户最需要注意的则是容差选项"TOLERANCE"它是作蒙特卡罗/最坏情况分析时要用的。
实际上用户也可以直接双击电路图上电阻的名称和参数,进行修改。
(2)电容C
当用户双击电路图上的电容(或单击电容使其变红,然后再单击"Edit"菜单中的"Attributes")时,有电容的属性对话框出现。
对话框中的IC选项,是指在瞬态分析中,对电容设置的初始电压值。
(3)电感L
当用户双击电路图上的电感(或单击电感使其变红,然后再单击"Edit"菜单中的"Attributes")时,有电感的属性对话框出现。
对话框中的IC选项,是指在瞬态分析中,对电感设置的初始电流值。
(4)变压器(XFRM--LINEAR)
当用户双击电路图上的变压器(或单击变压器使其变红,然后再单击"Edit"菜单中的"Attributes")时,有变压器的属性对话框出现。
COUPLING--耦合系数;L1--VALUEL2--VALUE为两线圈的电感量。
3.器件
(1)二极管D
Pspice的二极管等效模型说明了它的直流特性、小信号特性、噪声特性等。
结型二极管模型
(a)二极管模型(b)小信号模型(c)噪声模型
单击SCHEMATIC菜单"Edit"中的"Model"选项,然后单击"EditInstanceModel(Text)",得二极管的模型参数(见下表),这些模型参数考虑了温度影响以及各种电容和半导体的物理特性。
参数名称
意义
缺省值
典型值
单位
IS
RS
N
TT
CJO
VJ
M
EG
XTI
KF
AF
FC
BV
IBV
反向饱和电流
寄生电阻
注入系数
渡越时间
结电容
P-N结电势
P-N结系数
禁带宽度
饱和电流温度系数
闪烁噪声系数
闪烁噪声指数
正偏耗尽电容系数
反向击穿电压
反向击穿电流
1E-14
0
1
0
0
1
0.5
1.11
3
0
1
0.5
无穷大
1E-10
1E-14
10
0.1NS
2PF
0.6
0.5
1.11
3
50
A
Ω
S
F
V
电子V
V
A
(2)双极型晶体管QPspice的双极型晶体管模型(改进的GP模型):
单击菜单中"Edit->Model->EditInstanceModel(Text)",得双极型晶体管的模型参数:
参数名称
意义
缺省值
典型值
单位
IS
XTI
Eg
VAF(VA)
BF
NE
ISE(C2)
IKF(IK)
XTB
BR
NC
ISC(C4)
IKR
RC
CJC
MJC(MC)
VJC(PC)
TR
TF
ITF
VTF
XTF
RB
反向饱和电流
饱和电流温度指数
禁带宽度
正向欧拉电压
放大倍数
B-E漏注入系数
B-E漏饱和电流
正向BF电流下降点
放大倍数温度系数
反向放大系数
B-C漏注入系数
B-C漏饱和电流
反向BF电流下降点
集电极电阻
B-C零偏压结电容
B-C结梯度因子
B-C固有电势
反向渡越时间
正向渡越时间
TF的大电流参数
描述TF随VBC变化的电压
渡越时间系数
零偏压基级电阻
1E-16
3
1.11
无穷
100
1.5
0
无穷
0
1
2.0
0
无穷
0
0
0.33
0.75
0
0
0
无穷
0
0
1E-16
1.11
100
100
2
1000
10M
0.1
2.0
1
10
1P
0.5
10NS
0.1NS
100
A
电子V
V
A
A
A
A
Ω
F
V
S
S
A
V
Ω
(3)MOS场效应管M
Pspice的MOS场效应管模型:
单击"Edit->Model->EditInstanceModel(Text)",得MOS场效应管的模型参数,
参数名称
意义
缺省值
典型值
单位
LEVEL
L
W
LD
WD
VTO
KP
GAMMA
PHI
LAMBDA
RD
RS
RG
RB
RDS
RSH
IS
JS
PB
CBD
CBS
CJ
CJSW
MJ
JMJSW
FC
CGSO
CGDO
CGBO
NSUB
NSS
NFS
TOX
TPG
XJ
UO
UCRIT
UTRA
VMAX
NEFF
XQC
DELTA
THETA
ETA
KAPPA
KF
AF
模型种类
沟道长度
沟道宽度
扩散区长度
扩散区宽度
门限电压
跨导
基体门限参数
表面电势
沟道常数调节系数
(LEVEL=1,2)
漏极电阻
源极电阻
栅极电阻
基体电阻
D-S电阻
D-S扩散电阻
饱和电流
饱和电流/面积
基体PN结电势
B-D零偏压电容
B-S零偏压电容
基体零偏压底电容/长度
基体零偏压周电容/长度
基体PN结底系数
基体PN结侧面底系数
正偏压耗尽电容系数
G-S覆盖层电容/沟道宽度
G-D覆盖层电容/沟道宽度
G-B覆盖层电容/沟道长度
衬底掺杂浓度
表面态密度
快表面态密度
氧化厚度
栅极材料种类+1(+1=与衬底
相同,-1=与衬底相反,0=铝
金属结深度
表面移动性
迁移率下降时临界电场
迁移率下降时横向电场系数
最大漂移速度
沟道电荷系数
漏端沟道电荷分配系数
门限宽度效应
迁移率调制系数
静态反馈
饱和因子
闪烁噪声系数
闪烁噪声指数
1
0
0
0
2E-5
0
0.6
0
0
0
0
0
无穷
0
1E-14
0
0.8
0
0
0
0
0.5
0.33
0.5
0
0
0
0
0
0
无穷
0
600
10000
0
1
1
0
0
0
0.2
0
1
2.5E-5
0.35
0.65
0.02
10
10
1
10
20
20
1E-15
1E-8
0.75
5P
2P
1E-26
1.2
M
M
M
M
V
A/V2
V2
V
V2
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
SQUAR
A
A/M2
V
F
F
F/M
F/M
F/M
F/M
F/M
1/CM2
1/CM2
1/CM2
M
M
CM/V*M
M/S
(4)结型场效应晶体管J
Pspice的结型场效应晶体管模型等效电路
单击"Edit->Model->EditInstanceModel(Text)",得结型场效应晶体管的模型参数:
参数名称
意义
缺省值
典型值
单位
BETA
BETATCEBETA
RD
RS
LAMBDA
VTO
VTOTC
IS
跨导系数
指数温度系数
漏极串联电阻
源极串联电阻
沟道长度调制系数
阈值电压(夹断电压)
VTO温度系数
栅pn结饱和电流
1E-4
0
0
0
0
-2
0
1E-4
1E-3
1E-4
-2
1E-4
A/V2
%/℃
Ω
Ω
V-1
V
V/℃
A
4.独立电压源和电流源
(1)VAC/IAC(交流源)
双击交流源(或单击交流源,然后从“Edit”进入“Attributes”),可得属性对话框:
DC—————直流值
ACMAG———交流源幅值缺省值为1
ACPHASE——交流初相位。
缺省值为0
(2)VSIN/ISIN(正弦源)
双击交流源(或单击交流源,然后从“Edit”进入“Attributes”),可得属性对话框:
DC——————直流值(作“DCSweep”时须填入此量。
其它情况下可不填;
也可以将其看成是交流源的平均值)
AC——————交流值(作“ACSweep”时须填入此量。
)
VOFF/IOFF——偏置值(初始值)
VAMPL/IAMPL—峰值
FREQ—————频率
TD——————出现第一个波形的延迟时间,缺省值为0
DF——————阻尼因子,缺省值为0
PHASE—————相位,缺省值为0
计算公式:
(3)VPVLSE/IPVLSE(脉冲源)
双击交流源(或单击交流源,然后从“Edit”进入“Attributes”),可得属性对话框:
DC———直流值(作“DCSweep”时须填入此量。
)
AC———交流值(作“ACSweep”时须填入此量。
)
V1/I1——初始值
V2/I2——脉动值
TD———出现第一个脉冲的延迟时间
TR———上升时间
TF———下降时间
PW———脉冲宽度
PER———周期
其波形图如下:
(4)VEXP/IEXP(指数源)
双击交流源(或单击交流源,然后从“Edit”进入“Attributes”),可得属性对话框:
DC————直流值
AC————交流值
V1/I1———初始值
V2/I2———终止值
TD1———上升延迟时间
TC1———上升时间常数
TD2———下降延迟时间
TC2———下降时间常数
波形图:
计算公式:
(5)VPWL/IPWL(分段线性源)
这是一个有实用价值的信号源。
它可将任何信号用微小的直线段去逼近,从而使任何信号源得以模拟。
双击交流源(或单击交流源,然后从“Edit”进入“Attributes”),可得属性对话框:
DC——直流值
AC——交流值
每一对(Ti,Vi/Ii)值表示时间Ti时分段线性源的值Vi/Ii,从而确定了波形的一个拐点。
每两点之间以一直线相联。
(6)VSFFM/ISFFM(单频调制源)
双击交流源(或单击交流源,然后从“Edit”进入“Attributes”),可得属性对话框:
DC——————直流值
AC——————交流值
VOFF/IOFF———偏置值
VAMPL/IAMPL——幅值
FC——————载频
MOD——————调制指数
FM——————调制信号频率
计算公式:
(四)Pspice8.0电路分析详解
1、Pspice电路分析步骤
在schematics中画好电路图后就可以开始准备进行电路分析,以共射级电路的交流分析(观察幅频特性)为例说明分析步骤如下(注:
电路图已在schematics中作好):
(1)检查电路,编辑修改元件的标号和参数,用Edit|Attributes或双击该元件。
(2)点击Analysis|Setup或
,设定分析形式。
(3)执行仿真,点击Analysis|Simulate或
。
(4)系统将检查纠正语法(有错误会在输出表中示出)。
(5)将仿真结果分析和输出。
运行probe,形成*.dat文件。
2、Pspice电路分析功能介绍
Schematics程序的输入界面中包含了Pspice的所有分析类型。
它们表现在:
点击输入界面菜单上"Analysis"的"Setup"一项,或点击界面图标
。
即可见下图:
这些分析类型可以概括成四大分析功能:
●直流分析
a.BiasPointDetail直流工作点分析(偏置点细节)
b.DCSweep直流扫描分析
c.TransferFunction直流小信号传输函数计算
d.Sensitivity.直流小信号灵敏度分析
●交流分析
a.ACSweep交流小信号分析
b.Noise噪声分析
●瞬态分析
a.Transient时域波形分析
b.Fourier傅里叶分析
●统计分析
a.MonteCarlo蒙特卡罗分析
b.Worsecase最坏情况分析
●其它
a.Parametric参数扫描分析
b.Temperature温度分析
它们属于简单、重复运行的分析类型,被要求和直流、交流或瞬态分析同时使用。
3、直流分析
(1)BiasPointdetail(直流工作点分析)
Pspice的直流工作点分析是电路中电感短路、电容开路的情况下,计算电路的静态工作点。
当电路图输入之后,运行Pspice,程序会计算出电路的偏置状况;而且,在进行瞬态分析和
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