第6章 Electronics Workbench分析方法

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1 第6章 Electronics Workbench分析方法
6.1 EWB仿真的基本过程 6.2 分析方法的参数设置 6.3 分析方法 6.4 仿真中遇到的问题及解决办法 6.5 仿真电路、仿真结果的存储

2 6.1 EWB仿真的基本过程 EWB利用计算机强大的计算功能来完成对模拟电路、数字电路、混合电路的性能仿真和分析，使用者在电子工作台上创建了一个电路图后，启动电子工作台电源开关或选择适当的仿真分析方法，便可从示波器等虚拟测试仪器（或分析显示图）上看到仿真分析结果。

3 仿真过程的实质是计算机利用EWB软件对电路的数学表达式进行数值计算。在计算过程中对每一个元件都建立了一个数学模型。这些数学模型都以SPICE模型为基础。有关SPICE的知识前面已讲述，在此不再多说。EWB对电路仿真（模拟）运行的过程有以下4个步骤：

4 （1）数据输入：将创建的电路拓朴结构、元器件数据读入，选择分析方法。
（2）参数设置：程序会检查输入数据的结构和性质，以及电路中阐述的内容，对参数进行设置。 （3）电路分析：对输入数据进行分析运算，形成电路的数值解，并将相关的数据送给输出级。 （4）数据输出：仿真运行得到的结果有的直接在示波器（或逻辑分析仪）上以信号波形形式显示，有的在分析显示图（Analysis Graph）中以数据表格、波形形式和曲线形式显示。

5 为了快速、有效地求出电路节点的数值解，提高计算结果的精度,采用了两种不同的算法。
（1）局部枢轴算法（Apartial Pivot Algorithm）：减少由于“LU”分解方式带来的截断误差。 （2）预定阶算法（Apreordering Algorithm）：改善矩阵的稳定条件,减少方程求解的非零项。为了求解一般非线性电路中的直流工作点，EWB软件采用两种改良的牛顿—拉夫申算法（NewtonRaphson Algorithm)：“Gmin Stepping”算法和“Source Stepping”算法。

6 6.2 分析方法的参数设置 EWB考虑到使用者对分析内容、分析精度的不同要求，以及使用的虚拟仪器和设置MOS场效应管构造模型不同等因素，对“Analysis”（分析）菜单中的“AnalysisOptions”（分析任选项）的参数，可根据需要重新进行设置。要熟练地对电路进行仿真，熟悉并掌握上述有关内容的含义、参数设置范围是很有必要的。下面逐一做详细介绍。

7 当使用者打开“Analysis”（分析）菜单后，点击“AnalysisOptions”（分析任选项）后，弹出相关对话框。对话框中有5个卡：“Global”（总体分析选项）、“DC”（直流分析选项）、“Transient”（瞬态分析选项）、“Device”（器件分析选项）“Instruments”（仪器分析选项），如图6.1所示。下面就每一个卡中参数含义、参数设置要求进行详细的说明。

8 图6.1 Analysis Options对话框

9 总体分析选项（Global） “总体分析选项”卡的内容及其含义见表6.1。 表6.1 “总体分析选项”卡内容

10

11 直流分析选项（DC） “直流分析选项”卡如图6.2所示。 ITL1（Operating Point Analysis Iteration Limit）：工作点分析迭代极限。其功能是限制牛顿—拉夫申算法的迭代次数。缺省设置：100。若出现“直流分析时不收敛”等情况，可在500~1000的范围内增加该值。 GMINSTEPS（Stepsin Gminsteppingalgorithm）：Gmin步进算法步长。适当选择该值，有助于直流工作点分析时的求解。缺省设置：10。

12 图6.2 “直流分析选项”卡

13 瞬态分析选项（Transient） “瞬态分析选项”卡如图6.3所示。 ITL4（Transient time point iterations）：瞬态分析每时间点迭代次数的上限。增大此值会缩短瞬态分析的时间，但过分降低该值会引起不稳定。缺省设置：10。若出现“时间步长太小”或“瞬态分析不收敛”等情况，可增大比值至10~20。 MAXORD（Maximum order for integration method）：积分方法的最大阶数。一般情况采用缺省设置：2。取值范围：2~6。

14 图6.3 “瞬态分析选项”卡

15 TRTOL（Transient Error Tolerance Factor）：瞬态误差精度因素。缺省设置：7。一般情况不需要调整。
METHOD（Transient Analysis Integration Method）：瞬态分析数字积分方法。缺省设置：TRAPEZOIDAL（梯形法）适合振荡电路模式，GEAR（变阶积分）适合诸如有理想开关的电路。 ACCT（Print statistical data）：打印数据。显示仿真过程的有关信息。缺省设置：ON。

16 器件分析选项（Device） “器件分析选项”卡如图6.4所示。 DEFAD（MOS drain diffusion area）：MOSFET（金属氧化物场效应晶体管）漏极（drain）扩散区面积。缺省设置：0。 DEFAS（MOS source diffusion area）：MOSFET源极（Source）扩散面积。缺省设置：0。 DEFL（MOS channel length）：MOSFET沟道长度。缺省设置：0.0001。 DEFW（MOS channel width）：MOSFET沟道宽度。缺省设置：0.0001。

17 图6.4 “器件分析选项”卡

18 TNOM（Model parameters normal temperature）：模型参数标称温度。缺省设置：27℃。一般不需要调整。
BYPASS（Nonlinear Model Evaluation Device Bypass）：非线性模型评估器件。缺省设置：ON。若选OFF将增加仿真时间。一般情况不需要调整。 TRYTOCOMPACT（Compact transmission line data）：小型传输线数据。仅用于有耗传输线的仿真。缺省设置：OFF。

19 仪器分析选项（Instruments） “仪器分析选项”卡如图6.5所示。 （1）Oscilloscope（示波器）有如下设置选项： Pause after each screen：示波器显示一屏波形后暂停（波形冻结）。缺省设置：不选用。 Generate time steps automatically：自动产生时间步长。缺省设置：选用。缺省设置时，“Minimum number of time points”（时间点最小值）缺省设置值为100。

20 图6.5 “仪器分析选项”卡

21 （2）Initial conditions（初始条件）用于瞬态分析。它有3个选项：Set to Zero：初始条件为零进行瞬态分析，缺省设置：不选用。
Userdefined：使用用户定义的初始条件进行瞬态分析，例如电容器初始电压，电感线圈中初始电流。缺省设置：不选用。 Calculate DC operating point：将直流工作点分析结果作为初始条件进行分析。缺省设置：选用。

22 （3）Bode plotter（波特图仪） Points per cycle：波特图仪每周期分析的点数。缺省设置：100。若点数增加，仿真时间增长。 （4）Logic analyzer（逻辑分析仪） Pretrigger samples：逻辑分析仪触发前储存的点数。缺省设置：100。 Posttrigger samples：逻辑分析仪触发后储存的点数。缺省设置：1000。 Threshold voltage：逻辑分析仪高、低电平的门限电压。缺省设置：3.5V。对其它类型的电路如CMOS和ECL可以改变此值。

23 6.3 分析方法 6.3.1 直流工作点分析（DC Operating Point Analysis）
6.3 分析方法 直流工作点分析（DC Operating Point Analysis） 所谓直流工作点分析，就是求解电路（或网络）仅受电路中直流电压源或电流源作用时，每个节点上的电压及流过电源的电流。直流工作点分析是其它性能分析的基础，如瞬态分析。

24 对含有二极管、三极管的电路进行分析时，首先进行直流工作点分析，为建立二极管、三极管交流小信号模型参数奠定基础。在对电路进行直流工作点分析时，电路中交流源将自动被置零（即交流电压源视短路，交流电流源视开路），电容视为开路，电感视为短路，数字器件视为高阻接地。

25 直流工作点分析的步骤如下： （1）首先在电子工作台上画出待分析的电路，然后用鼠标器点击“Circuit”（电路）菜单中的“Schematic Options”（作图任选项），选定“Show nodes”（显示节点）把电路的节点标志显示在电路图上。 （2）用鼠标器点击“Analysis”（分析）菜单中的“DC Operating Point”（直流工作点）项，EWB自动把电路中的所有节点的电压数值及流过电源支路的电流数值，显示在“分析结果图”（Analysis Graph）中。

26 例1 电路如图6.6所示,对其进行直流工作点分析，操作步骤如下：
（1）从“Transistors”（三极管库）库中拖曳NPN三极管至电子工作台。双击三极管符号，打开“NPN Transistor Properties”对话框，在“Models”卡中的“Library”栏，选中“2n”库，在“Model”栏选中“2N2222A”型号，然后点击“确定”按钮。

27 （2）从“Basic”（基本元件库）库中调出电阻元件。双击电阻元件符号，打开“Resistor Properties”对话框，选中“Value”卡，设置电阻数值。
（4）从“sources”（信号源库）库中调出地符号、交流电压源、电池（直流电压源），双击交流电压源（或直流电压源）符号，打开“AC Voltage Source Properties”（或打开“Battery Properties”）对话框，选中“Value”卡，进行参数设置。

28 （5）按图6.6电路结构，连接元件。 （6）选择“Circuit”菜单中“Schematic Options”项，打开对应的对话框，点击“Show/Hide”卡，选用“ShowreferenceID”及“Shownodes”项，然后点击“确定”按钮，则元件编号、数值、节点编号自动显示在电路图上。 （7）选择“Analysis”（分析）菜单中的“DCOperatingPoint”（直流工作点）项，分析结果便显示在“分析结果图”（AnalysisGraph）中，如图6.7所示。

29 图6.6 单级三极管放大器电路

30 图6.7 对图6.6电路直流工作点分析结果

31 6.3.2 交流频率分析（AC Frequency Analysis）
交流频率分析，即频率响应分析。分析时首先对电路进行直流工作点分析，为建立电路中非线性元件交流小信号模型奠定基础。直流源被自动置零，交流信号源、电容、电感均用它们交流模式表示，数字器件将视为高阻接地。输入信号为正弦波形式。若使用函数信号发生器作为输入信号时，即使选用“三角波”或“方波“形式，分析时，EWB也自动将它改为正弦波形输出。

32 对电路中某节点进行频率分析，会自动产生该节点电压为频率函数的曲线（又称幅频特性曲线）及该节点电压相位为频率函数的曲线（又称相频特性曲线）。结果与波特图仪分析相同。
交流频率分析步骤如下： （1）画出待分析的电路并设定输入信号的幅值和相位，然后按直流工作点分析例1中（6）的步骤进行操作，显示电路节点标志。

33 （2）选定“Analysis”菜单中“AC Frequency”（交流频率分析）项，打开相应的对话框，根据对话框（见图6
对话框中各参数含义如下： Start frequency（FSTART）：扫描起始频率，缺省设置：1Hz。 End frequency（FSTOP）：扫描终点频率，缺省设置：10GHz。 根据分析频率范围，选择合适的起始和终点频率。

34 图6.8 AC Frequency Analysis
(交流频率分析）对话框

35 Sweep type：扫描类型，显示曲线X轴刻度形式，有十倍频（Decade）、线性（Linear）、二倍频程（Octave）3种。缺省设置：Decade。如果频率范围很宽，建议设置为“Decade”形式。 Number of points：显示点数，缺省设置：100。Vertical scale：显示曲线Y轴刻度形式，有对数（Log）、线性（Linear）分贝（Decibel）3种。缺省设置：Log。如果幅频特性值较大，可将“Vertical scale”设置为“Decibel”（分贝形式）。

36 Nodes for analysis：待分析节点，可同时分析多个节点。在“Nodes in circuit”栏中选择待分析节点，点击“Add”按钮,待分析节点便写入“Nodes for analysis”栏中。若从“Nodes for analysis”栏中移出分析节点，先在该栏选中待移出节点，然后点击“Remove”按钮，即可实现。 (3)点击“Simulate”（仿真）按钮，显示已选节点的频率特性。 (4)按“Esc”键，停止仿真。

37 例2 对图6.6所示单级放大器节点7进行交流频率分析。
解 将对话框中“FSTART”、“FSTOP”、“Sweep type”、“Veretical scale”项分别设置为“1Hz”、“10MHz”、“Decade”、“Log”，如图6.8所示，分析结果如图6.9所示。读者可改变C1、C2、C3的数值，再进行上述分析，观察分析结果。

38 图6.9 对图6.6电路节点7的交流频率分析结果

39 6.3.3 瞬态分析（Transient Analysis）
瞬态分析，就是时域分析（Timedomain analysis），观察电路节点电压对时间变量的响应。EWB软件将每一个输入周期划分成若干个时间间隔，而且在对每一个时间点执行一次直流工作点分析。某个节点的电压波形是通过对整个周期内每个时间点的电压数值来测定的。在瞬态分析时，直流电源保持常数，交流信号源数值随时间而变，电路中的电容和电感都以能量储存模式出现。

40 瞬态分析步骤如下： （1）画电路图并显示节点，选择待分析的节点。 （2）选择“Analysis”菜单中的“Transient”（瞬态分析）项，打开相应的对话框，根据对话框（见图6.10）的提示，设置参数。 对话框中各参数的含义如下： Set to Zero：初始条件为零开始分析。缺省设置：不选用。 Userdefined：由用户定义的初始条件进行分析。缺省设置：不选用。

41 图6.10

42 Calculate DC operating point：将直流工作点分析结果作为初始条件进行分析。缺省设置：选用。
Start time（TSTART）：瞬态分析的起始时间。要求大于等于零，小于终点时间。缺省设置：0s。 Stop time（TSTOP）：瞬态分析的终点时间，必须大于起始时间，缺省设置：0.001s。 Generate time steps automatically：自动选择一个较为合理的或最大的时间步长。缺省设置：选用。该参数有两项设置“Minimum number of time points”仿真输出图上，从起始时间到终点时间的点数。

43 Set plotting increment/plotting increment：设置绘图线增量。缺省设置：1e-0
Set plotting increment/plotting increment：设置绘图线增量。缺省设置：1e-0.5s。它既跟随“Minimum number of time points”设置值自动变化，也可单独设置。 Nodes for analysis：待分析节点。 （3）按“Simulate”（仿真）按钮，显示待分析节点的瞬态响应波形，按“Esc”键停止仿真运行。

44 例3 电路如图6.11(a)所示，t=0时,K闭合,Uc1（0）=30V（方向上正下负），求Uc1电压波形及t=60ms时Uc1值。
解 在t=0时,K闭合,Uc1(0)=30V，画等效电路，如图6.11（b）所示，节点2电压便是电容器C1两端电压，求解节点2瞬态电压波形。在对话框中将“Setto Zero”设置为“选用”。“Start time”、“Stop time”分别设置为“0s”、“0.1s”，如图6.10所示，然后进行瞬态分析，分析结果如图6.12所示。t=60ms时，Uc1值为38.82V。

45 图6.11 瞬态分析电路 (a)瞬态分析电路;(b)瞬态分析等效电路

46 图6.12 对图6.11(b)节点2瞬态分析结果

47 6.3.4 傅立叶分析（Fourier Analysis）
所谓傅立叶分析就是求解一个时域信号的直流分量、基波分量和谐波分量的幅度和相位。傅立叶分析前，首先确定分析节点，其次把电路的交流激励信号源设置为基频。如果电路存在几个交流源，可将基频设置在这些频率值的最小公因数上，例如有6.5kHz和8.5kHz两个交流信号源，则取0.5kHz，因0.5kHz的13次谐波是6.5kHz，17次谐波是8.5kHz。

48 傅立叶分析步骤如下： （1）画出待分析的电路，点击“Circuit\schematic Options\show nodes”，显示电路节点。 （2）选择“Analysis”菜单中的“Fourier”（傅立叶分析）项，打开相应的对话框，根据对话框（见图6.13）的提示，设置参数。 （3）点击“Simulate”（仿真）按钮，显示经傅立叶变换后的离散频谱波形，按“Esc”键，则停止仿真。

49 图6.13 Fourier Analysis(傅立叶分析)对话框

50 图6.14 纯电阻负载半波整流电路

51 图6.15 傅立叶分析曲线

52 噪声分析（Noise Analysis） 噪声分析用于检测电路输出信号的噪声功率幅度，分析计算电路中各种无源器件或有源器件产生的噪声效果。分析时，假设每一个噪声源之间在统计意义上互不相关，而且它们的数值是单独计算的。这样对于指定的输出节点的总噪声就是每个噪声源在该节点产生的噪声之和（有效值）。

53 假设在噪声分析对话框中选择了V1作为输入噪声源，N1作为输出节点，在电路中所有噪声源在N1节点造成总的噪声，等于该数值除以V1至N1的增益（预先分析得到的）后得到等效输入噪声，再把该等效输入噪声作为信号，输入到一个假定无噪声的电路，它在N1上产生的噪声就是输出噪声。此分析方法主要用于小信号电路的噪声分析，噪声模型采用SPICE模型。噪声分析步骤如下： （1）画出电路图，点击“Circuit\Schematic Options\Show nodes”，显示节点。

54 （2）选择“Analysis”菜单中“Noise”（噪声分析）项，打开相应的对话框，根据对话框（见图6
Input noise reference source：设置噪声源。缺省设置：电路中（第一激励源）第一个编号的交流电压源。 Output node：噪声输出的节点。缺省设置：N1。 Reference node：参考电压节点。缺省设置：0(公共接地点)。

55 Strat frequency（FSTART）：起始频率。缺省设置：1Hz。
End frequency（FSTOP）：终点频率。缺省设置：10GHz。 Sweep type：频率扫描的类型，包括：二倍程（Octave）、线性（Linear）、分贝（Decible）。缺省设置：Decade。 Number of points：从起始频率到终点频率的分析点数。缺省设置：100。

56 Vertical scale：Y轴显示刻度，包括：对数（Log）、线性（Linear）、分贝（Decibel）3种形式。缺省设置：Log。
Set point per summary：设置每次求和点数。当该项被选定后，显示被选元件噪声作用时的曲线。用求和的点数除以频率间隔数，会降低输出显示图的分辩率。缺省设置：1及电路中第一编号元件。

57 （3）点击“simulate”按钮，显示输出噪声功率谱和输入噪声功率谱，其单位为V2/Hz。按“Esc”键，停止分析。

58 图6.16 Noise Analysis（噪声分析）对话框

59 图6.17 对图6.6电路节点7噪声分析曲线

60 6.3.6 失真分析（Distortion Analysis）
失真分析用于检测电路中的谐波失真和内部调制失真。如果电路中有一个交流激励源，失真分析检测电路中每一个节点的二次谐波和三次谐波复数值。如果电路中有两个交流源f1和f2，则失真分析求出电路变量在3个不同频率点的复数值。这3个频率点的值为：f1+f2的和值，f1-f2的差值，f1、f2中频率值较高频率源的二次谐波与f1、f2中较低频率源的差值。

61 在上述对电路进行小信号失真分析时，采用了多维的“Volterra”分析法和多维“泰勒”（Taylor）级数来表述电路在工作点处的非线性，要计算出级数的三次方项失真分析对于观察电路中较小的失真十分有用，在瞬态分析中无法观察到。失真分析主要用于小信号模拟电路，失真模型采用SPICE模型。 失真分析步骤如下： （1）画出电路图，确定一个或两个交流激励源，确定分析节点。 （2）选择“Analysis”菜单中“Distortion”（失真分析）项，打开相应的对话框，根据对话框（见图6.18）的提示，设置参数。

62 图6.18 Distortion Analysis（失真分析）对话框

63 （3）点击“simulate”（仿真）按钮，显示失真曲线。按“Esc”键，仿真将停止运行。
例5 电路如图6.6所示，对其进行失真分析。 解 对“Distortion Analysis”对话框中参数的设置，如图6.18所示。分析结果如图6.19所示。读者也可将图6.6电路中上偏置电阻R3增大或变小，再进行失真分析，并比较分析结果。读者也可将“Distortion Analysis”对话框中“F2/F1ratio”项设置为选用，对电路产生的互调失真进行分析。

64 图6.19 对图6.6单级放大器节点7失真分析曲线

65 图6.20 Parameter Sweep（参数扫描）对话框

66 参数扫描分析步骤如下： （1）画出电路图，确定元件及其参数，分析节点。 （2）选择“Analysis”菜单中“Parameter Sweep”（参数扫描）项，打开相应的对话框，根据对话框（见图6.20）的提示，设置参数。 对话框中各参数含义如下： Component：选择待扫描分析的元件。 Parameter：选择扫描分析元件的参数。对于电容器意指电容，对电阻器意指电阻，对电感线圈意指电感，对交流信号源意指其幅度、频率、相位，对直流电压源仅指其电压大小。使用者必须根据被扫描分析元件的参数来设置。

67 （3）点击“Simulate”（仿真）按钮，开始扫描分析，按“Esc”键停止分析。
扫描分析结果以曲线形式表示，曲线数目与“扫描类型”设置有关。采用线性扫描方式时，曲线数目等于参数终值减去初始值除以扫描步长；采用十倍频扫描方式时，曲线数目等于初始值乘以10的倍数直至终值的倍数值；采用二倍频方式时，曲线数目等于初始值直至终值的倍数值。在参数扫描分析时，数字器件将被视为高阻接地。

68 例6 将图6.6中R3值从24kΩ增加到240kΩ，观察对三极管集电极电位（节点1）的影响。

69 图6.21 对图6.6电路参数扫描分析结果

70 6.3.8 温度扫描分析(Temperature Sweep Analysis)
温度扫描分析就是研究不同温度条件下的电路特性（在EWB中主要考虑电阻的温度特性和半导体器件的温度特性）。 我们知道晶体三极管的电流放大系数β，发射结导通电压Ube〔on〕，穿透电流Iceo是温度的函数。当工作环境温度变化很大时，将导致放大电路性能指标变坏。过去是把放大电路实物放入烘箱中，进行实际温度条件测试，发现问题调整电路参数，再进行烘箱实验，直至满意为止。这种方法费时、成本高。采用温度扫描分析方法就可以对放大电路温度特性进行仿真分析，对电路参数进行优化设计。

71 温度扫描分析步骤如下： （1）画出电路图，确定待分析的元件和节点。 （2）选择“Analysis”菜单中“Temperature Sweep”（温度扫描）项，打开相应的对话框，根据对话框（见图6.22）的提示，设置参数。 对话框中各参数含义： Start temperature：起始分析温度。缺省设置：27℃。 End temperature：终止分析温度。缺省设置：27℃。

72 图6.22 Temperature Sweep（温度扫描）对话框

73 Sweep type：温度扫描类型，包括：十倍频（Decade）、线性(Linear)、二倍频（Octave）。缺省设置：Decade。
Increment step size：在温度扫描方式为线性时的步长。步长值设置小时，线性扫描曲线数目多，否则少。缺省设置：1℃。 Output node：待分析节点。缺省设置：1。 Sweep for DC operating point/Transient Analysis/AC Frequency Analysis：扫描分析类型，包括：直流工作点、瞬态分析、交流频率分析3种。

74 （3）点击“Simulate”按钮，仿真分析开始运行，按下“Esc”键时停止分析。
（4）设置电阻元件的温度特性时，双击选定电阻，弹出“Resistor properties”（电阻属性）对话框，对其温度系数进行设置。

75 例7 电路如图6.6所示。假定电阻温度系数为零，分析三极管温度特性对集电极（节点1）电位影响(温度变化范围27～100℃)。
解 参数设置如图6.22所示，集电极电位变化曲线如图6.23所示。读者可在图6.6电路下偏置电阻R4回路串联补偿二极管，再对集电极电位（节点1）进行温度扫描分析，并与图6.23进行比较。

76 图6.23 对图6.6电路中集电极电位（节点1） 温度扫描分析结果曲线

77 6.3.9 极—零点分析（Pole-Zero Analysis）
极—零点分析用于求解交流小信号电路传递函数中极点和零点的个数及其数值。极—零点分析方法在负反馈放大器和自动控制系统的稳定性分析中应用广泛。极—零点分析的内部过程是先计算电路的直流工作点，并求得非线性元件在交流小信号条件下的线性化模型，在此基础上再求得电路传递函数中的极点和零点。极—零点分析对检测电子线路的稳定性十分有用。如果希望电路（或系统）是稳定的，电路应具有负的实部极点，否则电路对某一特定频率的响应将是不稳定的。

78 极—零点分析方法采用SPICE算法，在运行时若出现（在电子工作台右下边沿出现）“Pole
Zero iteration limit reached giving up after 200 iterations”（达到零极点分析迭代极限，200点以后将放弃），分析将会继续下去。 极—零点分析步骤如下： （1）画出电路图，确定电路的输入、输出节点。 （2）选择“Analysis”菜单中“PoleZero Analysis”（极—零点分析）项，打开相应的对话框，根据对话框（见图6.24）的提示，设置参数。

79 图6.24 PoleZero Analysis（零—极点分析）对话框

80 （3）点击“Simulate”按钮开始分析，按“Esc”键停止分析。
下面以图6.25为例来说明4种不同变量函数中的极、零点，先理论分析，目的是使读者弄清4种类型含义。 求以电压增益为传递函数表达式中的极、零点。

81 图6.25 极一零点分析电路图

82 一个极点，p=-2000；无零点。 求以“输出电压比输入电流”（又称互阻增益）为传递函数表达式中的极、零点。 一个极点，p=-1000；无零点。 求以输入阻抗为传递函数表达式中的极、零点。

83 6.3.10 传递函数分析（Transfer Function Analysis）
传递函数分析步骤如下： （1）画出电路图，确定输入源、待分析输出电压变量对应的两个节点或电流变量所对应的节点。 （2）选择“Analysis”菜单中“Transfer Function”（传递函数分析）项，打开相应的对话框。 （3）根据传递函数对话框（见图6.26）的提示，设置参数。

84 对话框中各参数含义如下： Voltage：节点电压为输出变量。缺省设置：选用。 Output node：输出电压变量对应的节点。缺省设置：1。 Output reference：输出电压变量的参考节点。缺省设置：0（接地）。 Current：若电流为输出变量，必须是电路中源。 Input source：输入源，必须是独立源。缺省设置：电路中第1编号的电压源（或电流源）。

85 图6.26 Transfer Function Analysis
（传递函数分析）对话框

86 （4）点击“Simulate”按钮，分析开始运行，按下“Esc”键，停止分析。分析结果以表格形式显示输出阻抗（Output impedance）、传递函数（Transfer function）、从输入源两端向电路看进去的输入阻抗（Input impedance）之数值。 例8 电路如图6.25所示，求电压传递函数、输入阻抗、输出阻抗，对话框中参数设置如图6.26所示，分析结果如图6.27所示。

87 图6.27 对图6.25电路传递函数分析结果

88 直流和交流灵敏度分析 （DC And AC Sensitivity Analysis） 当电路中某个元件参数值发生变化时，必然影响电路中节点电压、支路电流的大小和频响特性指标。灵敏度分析就是研究元件参数变化对它们的影响程度。假定电路中某个元件参数值为x，电路中某节点的电压（或支路电流）、频响特性指标看作x的函数，用Y（x）表示，则定义函数Y对x的灵敏度：

89 这里采用偏导数，是因函数Y受到多个元件影响。进行直流灵敏度分析时，首先进行电路的直流工作点分析，然后再做直流灵敏度分析。交流分析是进行交流小信号状态下的分析。直流灵敏度分析时，一次可以得到某节点电压（或支路电流）对电路中所有元件参数变化的灵敏度。交流灵敏度分析时，一次仅能分析一个元件参数变化的影响程度。

90 灵敏度分析步骤如下： （1）画出电路图；显示元件编号、节点编号。确定需分析的源电流或节点电压。对输出电压可以选择电路输出的任一端。对输出电流，必须选择源电流。 （2）选择“Analysis”菜单中“Sensitivity”（灵敏度分析）项，打开相应的对话框，根据对话框（见图6.28）的提示，设置参数。

91 图6.28 Sensitivity Analysis
（灵敏度分析）对话框

92 Analysis：分析的变量，可选择节点电压（Voltage）或支路电流（Current）。缺省设置：Voltage。
Outputnode：选择分析的节点。缺省设置：1（电路中第1个节点）。 Output reference：选择输出参考电压的节点。缺省设置：0（公共地节点）。 Current：被分析的变量是电流，必须是电路中的源。 DC sensitivity/AC sensitivity：选择直流灵敏度分析或交流灵敏度分析。缺省设置：DC sensitivity。当选择了交流灵敏度分析时，可以对扫描频率的起始值、终止值、扫描尺度、幅频特性尺度进行修改设置。

93 Component：在交流灵敏度分析时选择的元件。即测量被测元件的电压或电流的相对参数灵敏度，直流灵敏度分析对该项不考虑。
（3）点击“Simulate”按钮，分析开始运行，按“Esc”键，停止分析。直流灵敏度分析的结果以表格形式显示。交流灵敏度分析结果以曲线形式显示。 例9 将图6.25电路中交流电压源改为直流电压源后对节点2的电压进行直流灵敏度分析。对话框中参数设置如图6.28所示。分析结果如图6.29所示。

94 图6.29 将图6.25电路交流电压源改为直流 电压源后直流灵敏度分析结果

95 6.3.12 最坏情况分析（Worst Case Analysis）
最坏情况分析是一种统计分析方法，可观察到元件参数在给定的误差条件下，电路特性变化的最坏可能结果。这种分析可用于分析电路的直流工作点、频响和瞬态特性。EWB分析时，首先按电路元件的标称数值进行分析，然后再进行直流或交流灵敏度分析，允许计算每个参数相对于输出波形的灵敏度。当所有参数对输出波形的灵敏度计算完毕后，最后进行最坏情况分析。

96 最坏情况仿真分析得到的数据通过排序函数收集。排序函数相当于一个高选择性滤波器，每运行一次仅允许收集一个数据。6个排序函数是：
“Max.voltage”（最大电压）——Y轴最大值，表示被分析节点可能出现的最大电压值。仅在直流工作点分析时选用。 “Min.voltage”（最小电压）——Y轴最小值，表示被分析节点可能出现的最小电压值。仅在直流工作点分析时选用。

97 “Frequency at max.”（在最大处的频率）——在Y轴最大值处的X值。
“Frequency at min.”（在最小处的频率）——在Y轴最小值处的X值。 “Riseedge frequency”（上升边沿频率）——Y轴值第一次大于用户设定门限时的X值。 “Falledge frequency”（下降边沿频率）——Y轴值第一次小于用户设定门限时的X值。

98 最坏情况分析步骤如下： （1）画出电路图，确定分析节点。 （2）选择“Analysis”菜单中“Morstcase”（最坏情况分析）项，根据对话框（见图6.30）提示，设置参数。 对话框中各参数含义如下： Tolerance：指定电路中元件参数范围。缺省设置：5%。 Collating function：排序函数。当选择直流工作点分析时，只能选最大电压（Max.voltage)或最小电压(Min.voltage)。

99 图6.30 Morstcase Analysis （最坏情况分析）对话框

100 （3）点击“Simulate”按钮，开始仿真分析，按“Esc”键停止分析。
分析结果用图表显示，曲线表示直流工作点或交流频率特性正常情况或在设置条件的最坏情况，图下方表示相应的元件参数值。

101 例10 分析图6.6在容差5%条件下，集电极电位（节点1）的最大值,对话框中参数设置如图6.30所示，分析结果如图6.31所示。
由曲线及最坏情况下元件参数可知，只有Vcc取上限值，R1、R4取上限值，R2、R3取下限值时集电极电位才最大，反之亦然。请读者自行求解集电极电位最小值。

102 图6.31 对图6.6电路节点1最坏情况分析结果

103 6.3.13 蒙特卡罗分析（Monte Carlo Analysis）
蒙特卡罗分析利用统计分析的方法，观察电路中的元件参数，按照给定的误差分布类型，在一定的数值范围内变化时对电路特性的影响。这种分析方法，可以预测电路在批量生产时的合格率和生产成本。在进行蒙特卡罗分析时，要进行多次仿真分析，首先按电路元件参数标称数值进行仿真分析，然后在电路元件参数标称数值基础上加减一个σ值进行仿真分析。该σ值大小取决于话框中所设置的概率分布类型。本书中蒙特卡罗分析提供了两种概率分布类型。

104 第一种为均匀分布类型，元件参数值在其误差范围内以相等的概率出现，故又称为线性分布类型。
第二种为正态高斯（Gaussian）分布，元件参数的分布概率遵从下式： 式中：μ表示元件的标称数值； x表示独立变量； σ表示标准偏差值（Standrad Deviation Value）； σ=误差百分比乘以元件标称值／100。

105 如果电路中元件数值误差设定为5%，当某一电阻标称值为1kΩ时，则σ等于50Ω，电阻误差范围为0. 95kΩ~1
如果电路中元件数值误差设定为5%，当某一电阻标称值为1kΩ时，则σ等于50Ω，电阻误差范围为0.95kΩ~1.050kΩ。由于电阻生产过程中数值分布遵从正态分布，约有68%的电阻数值在0.95kΩ~1.050kΩ范围内。如果某一电阻标称值为3kΩ，则约有99.7%的电阻数值在2.850kΩ~3.150kΩ范围内。

106 蒙特卡罗分析的步骤如下： （1）画出电路图，确定分析节点。 （2）选择“Analysis”菜单中“Monte Carlo”（蒙特卡罗分析）项，打开相应的对话框，根据对话框（见图6.32）的提示，设置参数。

107 图6.32 Monte Carlo Analysis （蒙特卡罗分析）对话框

108 对话框中参数的含义如下： Number of runs：蒙特卡罗分析次数，其值≥2。 Tolerance：指定均匀分布或正态高斯分布的最大容差范围。缺省设置：5%。 Seed：用于激励随机数发生器。缺省设置：0。 Distribution type：元件参数的分布类型，有均匀分布、正态分布两种类型供选择。缺省设置：Uniform。 Output node：分析节点。

109 （3）点击“Simulate”按钮，开始运行分析，按“Esc”键停止分析。
例11 电路如图6.6所示，对集电极电位（节点1）进行蒙特卡罗直流分析，对话框中参数设置如图6.32所示，分析结果如图6.33所示。读者可自行对图6.6电路中节点7进行蒙特卡罗交流分析。

110 图6.33 对图6.6电路中节点1蒙特卡罗直流分析结果 

111 6.4 仿真中遇到的问题及解决办法 EWB在进行仿真或分析过程中，屏幕上有可能显示出错误信息，提示可能出错的原因，尤其在瞬态分析时，仿真失败的机会较多。 因EWB采用改进的NowtonRaphson算法求解非线性电路，采用多种步长的线性方程迭代来逼近非线性特性。仿真程序先假定一个初始节点电压，然后计算支路电流，再计算节点电压，不断循环迭代，直到计算出的节点电压和支路电流精确到（收敛于）使用者定义的精度为止。

112 在瞬态分析时，时间步长是根据需要自动变化的，但是当步距小到不能再小时，会显示出错误信息“Time stept oosmall”（时间步长太小），仿真停止。
有多种原因可以引起直流工作点分析失败。例如，假定的节点电压与实际电压相差太远，电路就会显得不稳定（电路的仿真方程有多个解），或者产生电路模式的跃变或出现不现实的阻抗。

113 在解决迭代失败或分析方法失败问题时，首先弄清楚是哪种分析方法引起的分析失败。直流工作点分析是所有分析方法中的首选分析方法。下面是直流工作点分析显示出错时的解决办法：
（1）检查电路连接，要求做到： ①电路连接正确，无悬空节点和多余不用的元器件。 ②不要将数字“0”和字母“O”混淆。 ③电路必须有接地点，在电路中的每一个节点对地要有直流通路，确保电路不被变压器或电容分离，对地完全隔绝。

114 ④ 电容和电流源不能串联连接。电感和电压源不能并联连接。
⑤ 所有元件和电源数值都合理。所有受控源（相关源）的增益设置数值必须恰当、合适。 ⑥ 元器件模型和子电路选择正确。 （2）在“Analysis Options”（分析任选项）的“DC”(直流工作点分析)卡中，将“ITL1”（迭代次数）项设置为200～300。 （3）在“Analysis Options”（分析任选项）的“Global”（总体分析）卡中，将“RSHUNT”（模拟节点分流电阻）的数值扩大100倍。

115 （4）在“Analysis Options”（分析任选项）的“Global”（总体分析）卡中，将“GMIN”（最小电导）项的数值扩大10倍。
（5）选用“Analysis Options”（分析任选项）的“Instruments”（仪器分析）卡中的“Setto Zero”（初始条件为零）项进行分析。 在瞬态分析中若遇到“仿真不收敛”或“分析失败”等现象时，解决的办法如下： （1）按照解决直流工作点问题的方法检查电路连接等问题。

116 （3）在“Analysis Options”（分析任选项）“Transient”（瞬态分析）卡中，将“ITL4”（瞬态分析迭代次数上限）的数值改为100。增加迭代次数。
（4）在电路节点电流精度容许的范围内，在“Analysis Options”（分析任选项）的“Global”（总体分析）卡中降低“VNTOL”（电压绝对精度）项的设置值。

117 （5）在“Analysis Options”（分析任选项）“Transient”（瞬态分析）卡中，将“METHOD”（数字积分方法）项的设置内容由“TRAPEZOIDAL”（梯形法）改为“GEAR”（变阶积分）。“GEAR”积分虽慢但稳定。 （6）使用正确的和实际的模型器件。

118 6.5 仿真电路、仿真的结果存储 存储仿真电路、仿真结果的方法如下：
6.5 仿真电路、仿真的结果存储 存储仿真电路、仿真结果的方法如下： （1）在EWB工作台上画出仿真电路后，可选择“File/SaveAs…”（文件/另存为）菜单命令，弹出对话框后，选择合适的路径并输入文件名，再点击“是（Y）”按钮即完成电路文件存盘。

119 （2）仿真结果（“Analysis Graphs”图中）不能与电路存入同一个文件中，必须单独另存。当需打开仿真结果文件时，必须先在工作台上装载产生该仿真结果的电路文件，然后在“Analysis Graphs”图中点击“打开”按钮，在弹出的相关对话框中写入相应文件名，才能打开仿真结果文件。 （3）对电路图、仿真结果、对话框添加汉字具体的方法如下：

120 ①在EWB工作台上，生成所要求的电路图、仿真结果、对话框后，按键盘上的“PrintScreen”键，对全屏幕复制。
③点击“画图”中“文件/新建（N）”按钮，进入新屏，点击“编辑/粘贴”按钮，在弹出的对话框中点击“是（Y）”，弹出电路图、仿真结果、对话框画面。

121 ④用鼠标器移动画面，显露出虚线框，在虚线框外点击鼠标器左键，以消除虚线框（即粘贴边框线）。
⑤选用“画图”工具中最上行右端的“虚线框”按钮，用鼠标器画矩形框选择所需的画面内容，点击“编辑”按钮，在其对话框中点击“复制”按钮。 ⑥点击“画图”中“文件/新建（N）”按钮，在弹出的对话框中点击“否（N）”按钮。   ⑦点击“画图”中“编辑/粘帖”按钮，在弹出的对话框中点击“是（Y）”按钮，所选取的画面内容，便出现在屏幕上。

122 ⑧点击“画图”工具中“A”按钮，便可添加汉字。利用画图工具中其它按钮，可完成画图、填充、擦除等操作。
⑨选择“File/Save As...”（文件/另存为…）菜单命令，完成文件的存盘。