PSpice电路仿真与设计

内容 背景篇 入门篇 应用篇 提高篇

背景篇 认识PSpice

我们所处的时代 随着科技的发展，电子产品的性能提高、复杂度增加，价格却下降，主要原因：生产制造技术、电子设计技术的发展 生产制造：微细加工技术，微米阶段，可在几平方厘米的芯片上集成数千万个晶体管 电子设计： EDA （Electronic Design Automation）技术，以计算机为工作平台，融合电子、计算机、智能技术的电子CAD通用软件包

PSpice是较早出现的EDA软件之一 EDA 技术已经成为一个独立的学科，具体包括芯片级EDA、电路级EDA、PCB设计EDA 集成电路（IC）得到广泛应用，大规模集成电路设计一般都是通过EDA工具实现 电子产品从设计、实验到定型必须借助于计算机进行仿真分析和设计 PSpice是较早出现的EDA软件之一

PSPICE简介 SPICE—Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis 一种交互式的电路模拟程序，能分析和模拟一般条件下的各种电路特性。 美国加州大学伯克利分校电子工程和计算机系开发，第一版本于1972年完成，主要用于集成电路的分析。早期的版本用FORTRAN语言编写，只可以在小型机、大型机、工作站上运行。1985年采用C语言编写。 1984年美国MicroSim公司推出可在PC机上运行的版本，称为PSpice，有工业版和教学版（也称为学生版）之分。 1988年SPICE被定为美国国家工业标准。

1998年Microsim公司被OrCAD公司并购，PSpice更名为OrCAD PSpice，推出OrCAD PSpice 9，简称PSpice 9。

OrCAD PSpice在整个OrCAD设计环境中负责电路的仿真和验证工作。它可以当作一个软件的电路面包板，用户在上面建立电路模型和设置激励信号后，可根据要求来测试设计的电路。 如果仿真结果顺利通过检测，就可以进入后续的OrCAD Layout Plus程序，进行印制电路板（PCB)设计；或者进入Express程序，进行可编程逻辑阵列（PLD)设计。

仿真功能 PSpice可分析的电路 PSpice可进行的分析 PSpice可进行的设计 模拟电路 数字电路 数模混合电路 基本电路分析（4种：DC /AC /Transient /Bios Point） 其他分析（6种：FFT / Parameters / Monte Carlo / Worst / Temperature / Noise） PSpice可进行的设计 优化设计 PCB设计 PLD设计

免费的学生版 PSpice Student Version Release 9.1,以下以PSpice 9.1学生版为例 下载地址www.orcad.com 电路仿真限制 64个节点 10个晶体管 2个运算放大器 10个理想或非理想传输线或4组耦合线 。。。。。。

三种类型的库文件 元器件以符号、模型、封装三种形式存放在3种类型的库文件中 *.slb库中的元器件符号用于绘制电路图 *.lib库中的元器件模型用于电路仿真分析 *.plb库中的元器件封装用于绘制PCB图 电路仿真只用到前两个库

常见名词缩写 CAD Computer Aided Design 计算机辅助设计 EDA Electronics Design Automation 电子设计自动化 IC Integrated Circuit 集成电路 VLSI Very Large Scale Integration 超大规模集成电路 ASIC Application Specific Integrated Circuit 专用集成电路 PLD Programmable Logic Device 可编程逻辑器件 FPLA Field Programmable Logic Array 现场可编程逻辑阵列 FPGA Field Programmable Gate Array 现场可编程门阵列 VHDL VHSIC Hardware Design Language 超高速集成电路硬件设计语言 PCB Printed Circuit Board 印制电路板

其它电路仿真软件介绍：EWB/Multisim EWB Electronic Workbench 加拿大IIT公司于1980年代末至90年代初推出的专用于电子电路仿真的“电子工作平台”，从6.0版本开始，仿真设计模块更名为Multisim，2001年推出Multisim2001 界面直观、人及交互方便、测量仪器单击图标直接调用，模拟仪器操作界面接近实物，测试结果与实际接近、简便易学，数千种元器件，该软件生成的电路文件可以直接输入到Protel、OrCAD等印制电路板设计软件，生成印制电路，大大缩短了产品开发周期。

Protel Protel 1990年代初澳大利亚Protel Technology公司研制开发的电子CAD软件，推出了Windows系统下运行的多个版本，最著名的是Protel99，该版本将电路原理图编辑、电路仿真测试、可编程逻辑器件(PLD)设计、PCB设计等功能融合在一起，大型电子设计常用软件，在电子行业知名度很高，普及很广 模块包括原理图设计、印制电路板设计、电路仿真、可编程逻辑器件设计、FPGA设计及VHDL设计编译等。

Matlab MATLAB 以矩阵运算为基础的交互式程序语言，专门针对科学工程计算及绘图而开发，由美国MathWorks公司于1984年推出，2004推出7.0版。 将科学计算、程序编写、结果可视化集中在一个系统中，仿真调试方便 包含大量的数学函数 提供与其它程序交互的接口程序 强大的、可扩展的工具箱Toolbox 数值计算、符号计算、建模动态仿真

PSpice的优势 开发应用早，电路模拟的标准工具 在国外，PSpice软件非常流行 在大学里，是工科类学生必会的电路分析与设计工具； 在公司里，是产品从设计、实验、定型过程中不可缺少的设计工具 在电路系统仿真方面，独具特色，其他软件无法比拟，适合系统及电路级仿真，被公认为是通用电路模拟程序中最优秀的软件 庞大的上万种元器件库，并可生成新元器件 高精度元器件模型、仿真精度高

入门篇 电路图输入和编辑 掌握四个基本仿真

PSpice的四个主要/基本电路分析 直流分析 DC Sweep 交流分析 AC Sweep 瞬态分析 Time Domain（时域扫描） 直流工作点分析 Bias Point（偏置点分析）

PSpice9.1学生版 原理图输入、器件信息管理 模数混合电路仿真 模型参数编辑模块 电路设计优化模块 激励源波形编辑模块 原理图绘图编辑模块

Schematics或Capture CIS 模块间的协作关系 Model Editor 模型参数编辑 Optimizer 设计优化 Schematics或Capture CIS 原理图绘图编辑 PSpice A/D 电路仿真 Sitmulus Editor 激励源波形编辑 Probe 模拟显示

Capture CIS原理图设计和元件信息管理 1990年代末，EDA界知名公司OrCAD公司相中了PSpice 高超的电路仿真能力而加以并购，这套软件更名为OrCAD PSpice，简称 PSpice，是OrCAD软件包的一部分。 除了原有的Schematics绘图编辑器之外，增加了Capture CIS程序绘制电路原理图和进行元件管理

建立工程、输入原理图 建立新工程File/New Project 放置元件Place/Part，放置“地” 连接电路 修改元件参数 方法1：双击参数值，修改； 方法2：单击整个元件右击选择Edit Properties，修改 注意“地”的设置：Name = 0

元器件名称和关键词 关键词 类型 R 电阻器 C 电容器 L 电感器 D 二极管 Q 三极管 J JFET M MOSFET Q2N2222一种NPN型BJT；Q2N3904另一种NPN型BJT（具体参数不同）；

绘制一个直流电路 可以直流分析，也可以直流工作点分析。确定激励下，用直流工作点分析简单。

新建/编辑仿真文档

仿真设置

还可以编辑仿真文件 保存后仿真按钮高亮度显示

直流工作点分析不会出现波形 仿真结果的窗口分为3部分，波形部分灰色

回到Capture界面，出现各节点的电压值

按下“V”、“I” 按钮，出现节点电压和支路电流 不需要显示则弹起按钮

输出文件 View/Output File 输出文件包括 仿真类型 网表 电压、电流、功率的计算结果 小信号特性 灵敏度分析

直流分析 对象为直流电路 将某些参数作为扫描变量 仿真结果给出电压、电流等随扫描变量的变化 扫描变量有：电压源电压、电流源电流、阻值、温度、其他

设置分析类型为DC Sweep 电压源电压为扫描变量，电压值从1V增加到21V，步长5V

放置探针Probe 放置电压、电流探针

仿真结果

解释 二端元件首节点标为1，末节点标为2 V(R1:1)：电阻R1的首节点 V(R1:2)：电阻R1的末节点 V(R2:1,R2:2)：电阻R2两端电压（参考方向由首节点指向末节点），即V(R2:2)- V(R2:1) 别名（Alias Names） V1(R1)与V(R1:1)含义相同 V2(R1)与V(R1:2)含义相同

分别放到两个曲线窗口 点击下方图例，删除电流曲线

放到两个曲线窗口 Plot/Add Plot to Window增加一个曲线窗口 Trace/Add Trace…增加曲线 SEL>>指示的是当前活动窗口 点击某窗口，则成为当前活动窗口 删除窗口，Plot/Delete Plot

使用Trace、Plot两个菜单显示多个曲线窗口

时域分析Time Domain(Transient)/瞬态分析 扫描变量是时间 研究电压、电流随时间的变化 需设定起始时间、截止时间、步长 用途：动态电路的过渡过程、正弦稳态、非正弦周期电流电路

建立一个工程,画仿真电路，放一个电流探针 注意：开关U1，Sw_tClose；在t=0闭合，开关闭和时间设置

仿真设置 时间和步长

运行仿真，输出波形

交流扫描（AC Sweep） 扫描变量为信号的频率 可获得电路的幅频响应、相频响应、转移函数 电源采用Source库中的VAC（交流电压源，以频率为变量）

设置仿真

比例因子 符号 分率 倍率 F/f 1.00E-15 K/k 1.00E+03 P/p 1.00E-12 MEG/meg 1.00E+06 N/n 1.00E-09 G/g 1.00E+09 U/u 1.00E-06 T/t 1.00E+12 M/m 1.00E-03 注：1.00E+03表示1.00×103

仿真结果

如果想观察相频特性 Trace/Add Trace

光标定位Trace/Cursor/Display 功能：显示波形上任意点的准确数据，或者直接将光标定位在特殊数据点上并显示该点的坐标 只要有输出波形就可以启用光标定位功能 启动菜单： Trace/Cursor/Display 或使用光标定位功能开启/关闭按钮

启动/关闭光标定位功能

按下，出现一行按钮

先按“下一最高点”按钮，再按“标注”按钮

直流工作点（偏置点）分析（Bias Point） 用于确定电路的静态工作点，以及计算直流电阻电路 计算只有直流激励的任何电路 输出各节点电压、支路电流、元件功率

仿真电路 若选择输出文件中包含详细信息，则还可输出元器件详细信息、灵敏度分析、小信号增益。

Capture界面的按钮“V”, “I”

View/Output file

其他分析 傅里叶分析 参数扫描 蒙特卡洛分析 最坏情况分析 温度分析 噪声分析

傅里叶分析 仿真结果界面，Trace/Fourier 快捷按钮FFT 正弦电压源VSIN

仿真设置

波形结果

Trace/Fourier

或者在仿真参数设置对话框里点击“Output file options”

基频100Hz，谐波次数10，分析变量I(R1)

设置坐标轴Plot/Axis Settings

横坐标设置为0-1000Hz View/Output File或者快捷按钮，可以打开输出文件看傅里叶分析结果

增大仿真时长，可得到准确的分析结果

电流波形和FFT结果

参数扫描 电路中某一个参数作为扫描量 时域扫描、直流扫描、交流扫描都提供了该功能 可以看出某参数对电路的影响，并可以确定最佳参数 需要放置参数元件：PARAM(SPECIAL库中)

RL阻值是变化的，其值为{RL}

设置PARAM属性 双击，点击“New Column”

分析参数设置方法 主扫描参数（其值始终不变，即V1=10V）

选择“Parametric Sweep”参数扫描 1000至2000欧姆 步长100欧姆

分析，Trace/Add Trace,选择功率曲线I(RL)

容差分析：研究元器件参数的误差对响应的影响，或者反之，给定电路响应的公差求元器件参数的公差 介绍其他分析方法 容差：容许误差 容差分析：研究元器件参数的误差对响应的影响，或者反之，给定电路响应的公差求元器件参数的公差 蒙特卡洛分析 最坏情况分析 温度分析 噪声分析 容差分析的方法

蒙特卡洛分析 统计模拟方法，给定元器件参数容差的统计分布规律，用一组随机数求得元器件参数的随机抽样序列，估算电路性能的统计分布规律 时域分析、直流扫描、交流分析均有该功能

最坏情况分析 最坏情况：元器件参数在其容差域内取某些组合时所引起的电路性能误差最大 最坏情况分析：各个元器件参数同时按容差范围内各自的最大变化量改变，估算电路特性相对理想情况下的最大偏差 如果最坏情况满足设计要求，则方案一定可行 与蒙特卡洛分析功能在一起

温度分析 元器件的参数与温度有关，PSpice中的元器件参数都是在常温（27摄氏度）情况的 在四个基本分析功能（时域、直流、交流、直流工作点分析）里都有辅助的温度分析功能 低于绝对零度（-2730C时不能模拟）

噪声分析 与交流分析一起使用 电阻的热噪声、半导体器件的散粒噪声、闪烁噪声 在交流分析的每个频点上对指定输出端计算等效输出噪声，对指定输入端计算等效输入噪声

PSpice仿真总结 运行Capture CIS，建立工程，绘制电路图 创建仿真设置文件New simulation profile 运行分析程序，输出结果 对结果观察、运算、标注 保存或打印输出结果，波形窗口执行Window/copy to clipboard，可将波形拷贝到剪贴板，粘贴到文档中

应用篇 电路与磁路分析 模拟电路 数字电路 模数混合电路

模拟电路 半导体器件特性 放大电路 含集成运放电路 正弦波振荡电路 直流稳压电源

主要的模拟器件 名称 类型 D1N750 稳压二极管 J2N3819 N沟道JFET MV2201 压变电容二极管 J2N4393 功率二极管 IXGH40N60 D1N4148 开关二极管 LM324 线性运算放大器 MBD101 LF411 JFET输入级线性运放 Q2N2222 NPN型BJT uA741 Q2N2907A PNP型BJT LM111 Q2N3904 IRF150 N型功率MOSFET Q2N3906 IRF9140 P型功率MOSFET

半导体元器件---二极管 二极管电路 正弦电压源VSIN

输出电压波形

半导体元器件---二极管 将二极管倒过来

改变三极管模型参数 从器件库中调出的元器件参数是一定的,不一定满足我们的要求,可根据需要加以修改. 例如将三极管Q2N2222修改为β=50:选中三极管Q2N2222,执行Edit/Pspice Model命令,出现三极管Q2N2222的模型参数,修改为Bf=50(即β=50). 用该方法可改变场效应管的gm,VT,稳压管的稳压值VZ等.

放大电路----基本共射

设置放大系数 改为β=100

电压放大 输入输出波形