电路仿真专题（1） ——粒子探测器常见前端放大电路仿真分析

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1 电路仿真专题（1） ——粒子探测器常见前端放大电路仿真分析
主讲人：封常青 中国科学技术大学 近代物理系 核探测与核电子学国家重点实验室 2017年11月14日 广西南宁 第一届粒子探测技术基础与前沿讲习班

2 简单RC积分电路的分析(时域) 已知Vs、Vo初始值（n=0）
选择合适的步长（Δt<<RC），进行迭代计算，就可求解得出Vo随时间变化的曲线

3 简单RLC电路的分析（时域） 设初始时刻（t=0时）：电容上的电压为1V，电流为0
即U[0]=1, U[1]=1,通过迭代计算，即可得到U[n]波形

4 简单RLC电路的仿真结果 （利用matlab编程进行迭代计算并绘图）
初始条件：U[0]=1，U[1]=1

5 求解微分方程 -> 数值求解差分方程 EDA软件实现电路仿真就是一个求解差分方程的过程

6 SPICE：Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis
PSPICE介绍 SPICE：Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis 20世纪70年代初，SPICE起源于美国加州大学伯克利分校 70年代中期改进为著名的SPICE2电路模拟器，并成为一种工业标准工具 1984年，MicroSim公司开发出PSPICE，主要应用于PC机上作为电子线路设计的模拟和仿真 90年代，MicroSim公司被Orcad公司并购，PSPICE集成于其原理图设计工具Orcad中 21世纪初，Orcad公司被Cadence并购，PSPICE和Orcad被集成Cadence PCB Design Studio包 IBIS：Input/Output Buffer Information specification

7 PSPICE的功能 在制作真实电路前，通过计算机模拟（仿真）获得电路中各节点和支路的相应特性，以波形和文本的方式输出
原理设计阶段模拟电路性能 估计元器件改变对电路造成的影响 分析电路特性 优化设计

8 PSPICE可分析的类型（1） 直流扫描分析：当电路中某一参数（称为自变量）在一定范围内变化时，对自变量的每一个取值，计算电路的直流偏置特性（称为输出变量） 交流扫描分析：计算电路的交流小信号频率响应特性 瞬态分析：在给定输入激励信号作用下，计算电路输出端的瞬态响应 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 基本工作点分析：计算电路的直流偏置状态

9 PSPICE可分析的类型（2） 蒙托卡洛统计分析：为了模拟实际生产中因元器件值具有一定分散性所引起的电路特性分散性，PSpice 提供了蒙托卡洛分析功能 最坏情况分析：蒙托卡诺统计分析中产生的极限情况即为最坏情况 参数扫描分析：是在指定参数值的变化情况下，分析相对应的电路特性 温度分析：分析在特定温度下电路的特性

10 TINA软件介绍 TINA基于SPICE引擎，是一款功能强大而易用的电路仿真工具 由欧洲DesignSoft Kft.公司开发
具有直流分析、交流分析、瞬态分析、噪声分析等多种功能 提供了函数发生器、万用表、示波器、XY记录仪和信号分析仪等虚拟仪器功能 TINA-TI是为TI（德州仪器公司）专门开发的版本，加载了TI公司元器件的宏模型以及无源和有源器件模型

11 下载渠道 免费下载网址 版本 操作系统 官网 http://www.ti.com.cn/tool/cn/tina-ti
v SF-TI (在本课程中使用) 操作系统 Windows XP, 7, 8, 10 官网

12 核探测与核电子学国家重点实验室 中国科学技术大学
仿真分析流程 绘制原理图 设置仿真参数 运行仿真 观察分析仿真结果 修改电路方案 核探测与核电子学国家重点实验室 中国科学技术大学 2018/9/21

13 核探测与核电子学国家重点实验室 中国科学技术大学
案例1：设计一款增益为10倍的高速放大器 核探测与核电子学国家重点实验室 中国科学技术大学 2018/9/21

14 准备工作 TINA-TI 软件下载与安装 电路方案设计（含器件选型） 本案例中选用的关键器件为THS4304 器件模型下载
可到器件制造商的官方网站下载 TI公司的许多器件已包含在TINA-TI中

15 电路方案 核心器件选型：THS4304 两级放大：5倍 x 2倍 + - + -

16 绘制原理图 第1步：打开TINA-TI，工作界面如下

17 绘制原理图 第2步：导入器件 点击Insert-Macro,选择下载的仿真模型

18 绘制原理图 第3.1步：电路原理图绘制：器件摆放 器件导入成功，可用Ctrl+C复制，Ctrl+V粘贴 电路设计为两级级联

19 绘制原理图 第3.2步：电路原理图绘制：插入电源 选择Basic-Battery 双击电源，在Voltage一栏输入所需电压

20 绘制原理图 第3.3步：电路原理图绘制：电源连接 使用Basic-Jumper把同名的pin连在一起
双击jumper，在Label一栏内输入名称

21 绘制原理图 第3.4步：电路原理图绘制：电源连接完成

22 绘制原理图 第3.5步：电路原理图绘制：设置电阻 选择Basic-Rsistor，双击电阻 在Rsistance一栏中输入所需的阻值

23 绘制原理图 第3.6步：电路原理图绘制：设置GND 选择Basic-Ground，拖动鼠标至合适的位置

24 绘制原理图 第3.7步：电路原理图绘制：设置激励源 选择Basic-Voltage Generator，将激励源放在电路输入端

25 绘制原理图 第3.8步：电路原理图绘制：连线 选择Insert-Wire，或将鼠标移至pin处

26 绘制原理图 第3.9步：电路原理图绘制：设置测量节点 选择Meters-Voltage Pin，可放在电路任意一点
本案例中将电压测量节点放在电路的信号输出端

27 绘制原理图 第3.9步：电路原理图绘制：完成

28 直流分析 第1步：选择Analysis-DC Analysis-DC Transfer Characteristic

29 直流分析 第2步：设置合适的电压上限和下限进行仿真，并设置在该范围内仿真的点数，点击“OK”

30 直流分析 第3步：得到仿真结果如下

31 交流分析 第1步：选择Analysis-AC Analysis-AC Transfer Characteristic

32 交流分析 第2步：设置参数。这里设置仿真频率范围为10Hz-1GHz, 仿真点数100，对数坐标轴，输出幅频响应和相频
响应，点击“OK”确认

33 交流分析 第3步：得到交流分析结果如下所示（幅频响应曲线）

34 交流分析 第4步：用工具栏中的Cursor读取-3dB处带宽 得到该放大器的-3dB带宽为243MHz。

35 瞬态分析（阶跃响应） 第1步：设置激励源信号波形参数 双击原理图中的激励源图标，点击Signal一栏中的省略号

36 瞬态分析（阶跃响应） 第1步：设置激励源信号波形参数 进入信号编辑页面，波形有阶跃信号、正弦信号、方波信号等。这里选择幅度100mV的阶跃信号

37 瞬态分析（阶跃响应） 第2步：选择Analysis-Transient

38 瞬态分析（阶跃响应） 第3步：设置瞬态仿真时长，点击“OK”，得到仿真结果

39 瞬态分析（正弦响应） 还可将输入信号改为幅度100mV，频率100MHz的正弦交流电压信号。得到该放大器对100MHz正弦信号的响应。

40 噪声分析 第1步：选择Analysis-Noise Analysis

41 噪声分析 第2步：设置分析频率范围，还可选择输入噪声、输出噪声、总噪声、或信号-噪声曲线图

42 噪声分析 第3步：输出噪声（谱密度）曲线

43 案例2：电荷灵敏前放的设计

44 电荷灵敏前放原理图

45 绘制原理图——添加器件 方法一 ： 使用软件的仿真模型库 在TINA10中 制造商模型 中包含了常用的元件模型

46 绘制原理图——添加器件 方法二：使用自定义的元器件仿真模型 Step1：从生产商官网获取器件模型 (以AD8065为例)
器件模型为*.cir的文件

47 绘制原理图——添加器件 Step2：点击 工具—新建宏向导

48 绘制原理图——添加器件 Step3: 在宏名称中填入器件名称，并从文件中选择*.cir文件

49 绘制原理图——添加器件 Step4： 指定器件外形及根据*.cir文件指定相应管脚

50 绘制原理图——添加器件 Step5：完成宏创建并插入宏

51 绘制原理图 绘制完成的原理图如下

52 瞬态分析 设置激励源信号波形

53 瞬态分析 输出波形

54 交流分析 上图是幅频响应曲线，下图是相频响应曲线

55 噪声分析 输出噪声谱密度曲线

56 噪声分析 总的输出噪声曲线

57 课后作业 设计一个量程>10pC，达峰时间约5μs的电荷灵敏放大器并仿真其瞬态响应、输出噪声等
要求采用CR-RC3成形电路，5V单电源供电，核心器件可选用AD8065（更鼓励另选合适器件） 可选做：通过仿真得出上述放大器的等效噪声电荷（ENC）随输入电容的变化曲线