电路通用分析程序PSPICE简介

PSPICE是由SPICE（Simulation Program with Intergrated Circuit Emphasis）发展而来的用于微机系列的通用电路分析程序。

一、PSPICE功能简介

1、直流分析：包括电路的静态工作点分析；直流小信号传递函数值分析;直流扫描分析；直流小信号灵敏度分析。

2、交流小信号分析：包括频率响应分析和噪声分析。PSPICE进行交流分析前，先计算电路的静态工作点，决定电路中所有非线性器件的交流小信号模型参数，然后在用户所指定的频率范围内对电路进行仿真分析。

3、瞬态分析：即时域分析，包括电路对不同信号的瞬态响应，时域波形经过快速傅立叶变换（FFT）后，可以得到频谱图。通过瞬态分析，也可以得到数字电路的时序波形。

4、蒙特卡洛（Monte Carlo）分析和最坏情况（Worst Case）分析：蒙特卡罗分析是分析电路元器件参数在它们各自的容差（容许误差）范围内，以某种分布规律随机变化时电流特性的变化情况，这些特性包括直流、交流或瞬态特性。

 

二、pspice中的电路描述

在运行于Windows环境下的PSPICE中，均采用图形方式描述被仿真的电路。即在PSPICE提供的绘图编辑器中画出电路图，并将其存为扩展名为sch的图形文件（计算机自动生成扩展名）。电路中用到的元器件、电源和信号源可以从PSPICE提供的库中直接调用。一个完整的电路，不仅包括电路的结构，而且还包括各元器件、信号源及电源的有关参数。电路的结构可以通过元器件符号以及它们之间的连线来描述；而参数则是在元件属性（Attributes）中描述的。描述一个元器件通常包括元器件符号名称、元器件在电路中的标号、元器件参数值等几部分内容。由于元器件的参数较多，他们不直接在属性中给出，而使用专门的模型（Model）来描述，属性中只给出它的模型名称。仿真时，PSPICE从模型库中调出该元器件的参数值进行仿真。下面对电路元件的描述作进一步地介绍。

 

（一）电阻、电容和电感

在符号库（.slb）中分别用关键字R、C和L来标示电阻、电容和电感元件（PSPICE中的元器件关键字见表一）。在电路中以关键字开头，后根长度不超过8个字符的字母或数字作为它们的标号，例如R2、Ce、L5。它们的参数在元件属性的VALUE项中定义，例如，VALUE＝10K。另外，在IC项中还可以设置电容的初始电压和电感的初始电流。R、C和L是不带模型的元件，因此在作统计分析时必须将它们换成具有模型的元件，如Rbreak、Cbreak和Lbreak分别是带模型的电阻、电容和电感元件。

 

（二）有源器件

有源器件在符号库中的名称（NAME）通常以关键字开头，后根长度不超过8个字符的字母或数字命名，如Q2N2222表示已知NPN型BJT。74系列的数字集成电路芯片以他们的模型号作为源器件名称。

有源器件的参数均在它们的模型中描述。在PSPICE中是按器件类型（DEVICE-TYPE）来建立模型的，这些类型如表（一）所示，同一类型的器件有相同的模型结构，只是具体参数值有所不同。例如，Q2N2222和Q2N3904均属NPN型BJT。

表（一）各种元器件关键字
序号	类型名称	描述关键词	元器件类型
1	RES	R	电阻器
2	CAP	C	电容器
3	IND	L	电感器
4	D	D	二极管
5	NPN	Q	NPN BJT三极管
6	PNP	Q	PNP BJT三极管
7	LPNP	Q	横向PNP BJT三极管
8	NJF	J	N沟道JFET
9	PJF	J	P沟道JFET
10	NMOS	M	N沟道MOSFET
11	PMOS	M	P沟道MOSFET
12	GASFET	B	GaAsFET
13	CORE	K	非线性磁芯（变压器）
14	VSWITCH	S	电压控制开关
15	ISWITCH	W	电流控制开关
16	DINPUT	N	数字输入器件
17	DOUTPUT	O	数字输出器件
18	UIO	U	数字输入输出模型
19	UGATE	U	标准门
20	UTGATE	U	三态门
21	UEFF	U	边沿触发器
22	UGFF	U	门触发器
23	UWDTH	U	脉宽较验器
24	USUHD	U	复位和保持较验器
25	UDLY	U	数字延迟线

在模型库中，有源器件的模型名称（MODELNAME）与符号库中器件名称的命名方法类似。符号库（扩展名为slb的磁盘文件）与模型库（扩展名为lib的磁盘文件）是通过模型名称建立联系的。例如，Q2N2222、Q2N2222-X。

电路仿真的精度主要由元器件所选用的模型和模型参数来决定。PSPICE中选用了较精确的模型，其模型参数也很多，在多数情况下，可以忽略其中的许多参数。PSPICE在分析时使用这些参数的缺省值（DefaultValue计算机自动给出的值，也称为默认值）。表（二）给出了几种常用器件的模型参数。

表（二）几种器件常用的模型参数
元件模型	参数名	定              义	缺省值	单位
D	IS RS N CJO VJ BV IBV	饱和电流 寄生串联电阻 发射系数 零偏PN结电容 结电势 反向击穿电压 反向击穿电流	1E-14 0 1 0 1 ∞ 1E-10	A Ω   F V V A
BJT	BF NF VAF BR NR VAR CJE CJC RB RE RC VJE	正向电流放大系数 正向电流发射系数 正向Early电压 反向电流放大系数 反向电流发射系数 反向Early电压 b-e结零偏电压电容 b-c结零偏电压电容 零偏压基极电阻 发射极电阻 集电极电阻 b-e结内建电势	100 1 ∞ 1 1 ∞ 0 0 0 0 0 0.75	Ｖ     Ｖ Ｆ Ｆ Ω Ω Ω Ｖ
MOSFET	VTO KP CBD CBS TOX CGDO CGSO CGBO	零偏阈压值电压 跨导系数 零偏压漏极-衬底结电容 零偏压源极-衬底结电容 氧化层厚度 单位宽度的栅源覆盖电容 单位宽度的栅漏覆盖电容 单位长度的栅-衬底覆盖电容	0 0.02 0 0 1E-7 0 0 0	V mA/V2 F F m F/m F/m F/m
JEFT	VTO BETA LAMBDA RD RS CGS CGD	夹断电压 跨导系数 沟道长度调制系数 漏极电阻 源极电阻 零偏压栅源电容 零偏压栅漏电容	-2 0.1 0 0 0 0 0	V mA/V2 V-1 Ω Ω Ｆ Ｆ
GaAs MESFET	VTO BETA IS	夹断电压 跨导系数 栅PN结饱和电流	-2.5 0.1 1E-14	V A/V2 A

 

 

（三）信号源及电源

在电路描述中，信号源和电源是不可少的。实际上电源可以看作是一种特殊的信号源。在PSPICE中，信号源被分为两类：独立源和受控源。表（三）给出了几种独立源。在类型名前加V表示电压源，加I表示电流源。受控源共分四类，如表（四）所示，它们可用来描述等效电路。

信号源的参数可在其属性中定义。例如，脉冲源的初始电压U1、脉冲电压U2、延迟时间TD、上升时间TR、下降时间TF、脉冲宽度PW、周期PER等，均可在其属性窗中赋值。

表（三）几种主要的独立源
类型名	电源及信号源类型	应用场合
DC	固定直流源	直流电源，直流特性分析
AC	固定交流源	正弦稳态频率响应
SIN	正弦信号源	瞬态分析、正弦稳态频率响应
PULSE	脉冲源	瞬态分析
PWL	分段线性源	瞬态分析
SRC	简单源	可当作AC、DC或瞬态源

 

表（四）几种主要的受控源
元器件描述关键词	受控源类型
E	电压控制电压源
F	电流控制电流源
G	电压控制电流源
H	电流控制电压源

 

三、PSPICE的集成环境

PSPICE通用的电路仿真分析环境主要包括七个程序项，各程序项的主要功能如表（五）所示。

1、PSPICE的主程序项Schematcs

选择程序项Schematics进入主程序窗口，如图（一）所示。窗口顶部第一行为窗口标题信息，显示当前程序项名称和所编辑的文件名称；第二行为主菜单，Schematics的所有操作都可通过选择菜单中相应的栏目来完成；第三行为图标工具栏，每个图标代表菜单中一项最常用的操作，点中图标即可完成相应的操作，提高了操作效率；屏幕中间主要区域为原理图编辑区，也就是原理图页面，用户可以设置页面大小；窗口底部是辅助信息提示栏，显示当前光标位置、操作功能提示和操作命令。通过操作功能提示栏，用户可得知每一菜单项的功能。由于篇幅所限，这里不再列出各菜单项的功能。

分析功能可通过菜单项Analysis/Setup…或相应的图标来设置。它们是：                AC Sweep，交流分析设置。

DC Sweep，直流分析设置。包括对信号源，温度模型参数和通用参数的扫描分析。        Monte Carlo/Worst Case，蒙特卡罗分析/最坏情况分析设置。                     Bias Point Detail，静态工作点分析输出选择开关。                             Digital Setup，数字电路分析选项设置。                                   Parametric，参数分析设置。分析参数变化对电路特性的影响。                Sensitivity，直流小信号灵敏度分析设置。                                    Temperature，环境温度分析设置。                                         Transfer Function小信号传递函数值分析设置。                         Transient，瞬态分析设置。

表（五）各程序项的主要功能
程序项	主要功能和作用
Schematics	PSPICE的主程序项，电路仿真分析的全过程均可在此项中完成，且在此项菜单中可以调用其它任何一个程序项，主要功能包括：绘制边际原理图、确定和修改原器件的模型参数、分析类型设置，调用Pspice分析电路、调用Probe显示打印分析结果等。
Pspice	PSPICE的分析程序。完成对电路的仿真分析，以文本方式或扫描波形方式输出结果，并存入扩展名为out（文本结果）和dat（波形数据）的磁盘文件中。
Probe	输出波形的后处理程序（也称探针显示器）。可以处理、显示打印电路各节点和支路的多种波形（频域、时域、FFT频谱等）。
Stimulus Editor	信号源编辑器，用于编辑和修改各种信号源。
Parts	模型参数提取程序。Parts程序可以根据产品手册所给出的电路特性参数提取用于PSPICE分析的器件模型参数。器件模型包括：二极管、BJT、JFET、MOSFET、砷化镓场效应晶体管、运算放大器和电压比较器等
Pspice Optimizer	电路设计优化程序
MicroSim PCBoards	印刷电路版图编辑

 

图（一）Schematcs菜单与功能

菜单项Analysis是Schematics程序最主要的菜单项，分析功能的设置和仿真的执行均在该菜单中，读者对此多加注意。

2、波形后处理程序Probe

Probe是PSPICE对分析结果进行波形处理，显示和打印的有效工具，PSPICE的所有波形输出的结果都要用Probe程序来观察及输出。Probe程序窗口结构与Schematics窗口基本相同。其主菜单项和图标工具栏如图（二）所示。

图（二）Probe菜单和功能

有三种方法启动Probe程序：

（1）在Schematics中Analysis/Probe Setup/Auto-Run Option设置为Automatically…时，选择Analysis/Simulate进行仿真分析后会自动调用Probe程序。

（2）在Schematics中，选择Analysis/Run Probe。

（3）在Windows 95环境中直接选择Probe程序项。

Schematics，Pspice和Probe是PSPICE中最常用的程序项，利用这几个程序可以完成一般的电路仿真分析。

四、使用PSPICE仿真的一般步骤

1、输入电路结构。选择Draw/Get New Part或相应的图标，将元器件从库中调出放置在图形编辑页面上，再选择Draw/Wire或相应的图标画出电路连线。

2、编辑修改电路元器件标号和参数值。包括直流电源和信号源参数。主要通过选择Edit/Attributes…或相应的图标来完成。有些参数要通过Edit/Model…来修改。

3、分析功能设置。根据不同的分析要求，选择Analysis/Setup…设置不同的分析功能。

4、电路规则检查及生成电路网络表格。规则规定每个节点必须有一个到“地”的通路，每个元件至少有两个以上的连接点。该步在执行仿真时可自动完成。

5、执行仿真。选择Analysis/Simulate或相应的图标，PSPICE开始进行电路连接规则检查和建立网络表格文件，然后自动调用PSPICE程序项进行仿真分析，分析过程能自动报错。分析结果存入文本文件*.out和波形数据文件*.dat中。如果有波形输出，就自动调用波形后处理程序Probe。

6、仿真结果分析及输出。从输出的文本文件*.out和波形数据文件*.dat（用Probe程序打开）中观察仿真结果，这些结果还可由打印机输出。

五、PSPICE中的主要元器件

表（六）列出了PSPICE教学版提供的一些主要的模拟器件。

 

表（六）PSPICE 中的主要元器件
名称	类型	名称	类型
DIN750	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输入极线性运算放大器
Q2N2222	NPN型BJT	uA741	线性运算放大器
Q2N2907A	PNP型BJT	LM111	线性运算放大器
Q2N3904	NPN型BJT	IRF150	N型功率MOSFET
Q2N3906	PNP型BJT	IRF9140	P型功率MOSFET