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用于电路分析和设计的SPICE仿真指南-第1部分:简介和网表

2023-04-21 16:59:18 Giovanni Di Maria 阅读:
在本课程中,您将学习如何使用SPICE语言创建电路模型并仿真其性能。

这篇文章开始了一个新的强调集成电路的仿真程序(SPICE)课程,用于电子电路仿真。SPICE是用于设计和评估电气和电子电路,最重要和最受欢迎的仿真软件程序之一。在本课程中,您将学习如何使用SPICE语言创建电路模型并仿真其性能。通过理论和实践讲课,读者将了解电路仿真的基础知识,以及如何使用SPICE语言描述电路元件、定义电气特性以及仿真电路行为随时间的变化。此外,您还将学习如何解释仿真结果,并使用SPICE的高级功能来分析和优化电路。2LLednc

SPICE是用于线性和非线性直流、瞬态和非线性以及线性交流分析的通用电路仿真程序。电路可以包含电阻器、电容器、电感器、电压和电流源、二极管、BJT、JFET、MESFET和MOSFET。SPICE可在许多软件分发和操作系统上免费使用。它可以免费下载。本课程旨在为使用SPICE进行电路仿真提供坚实的理论和实践基础,让读者掌握使用这一强大工具设计和改进电路的技能。SPICE有内置的半导体器件模型,但您可以相对轻松地制作自己的元件模型。根据需求和结果的类型,SPICE提供以下分析模式:2LLednc

  • 瞬态分析。这种类型的分析是在用户指定的时间间隔内,在时域内计算瞬态输出变量。它是使用.TRAN指令进行的。
  • 交流分析。在这种类型的交流仿真中,输出变量在频域中计算,并在一定频率范围内分析生成的电路。它是使用.AC指令进行的。
  • 直流分析。这种类型的分析在直流电中进行,并确定电感短路和电容开路的工作点。它是使用.DC指令进行的。

还有其他更复杂的分析类型,例如“噪声”和“传递函数”分析,将在以后的文章中进行研究。SPICE课程将使用LTspice软件进行,重点是NETLIST(元件列表)文本源。这种方法使得深入学习所有SPICE命令和指令成为可能。实现SPICE仿真的主要步骤如下:2LLednc

  • 定义电路拓扑结构,包括描述电气元件的连接
  • 创建NETLIST,这是一个根据元件、节点和连接描述电路的文本文件,包括列出电路中使用的元件、它们的电气特性和它们的连接
  • 选择元件模型,可以选择最合适的元件模型用于电路
  • 定义仿真条件,例如描述电源电压、初始电流、仿真持续时间和时间间隔
  • 执行仿真,仅当NETLIST不包含错误时才会执行
  • 分析结果,允许以图形或文本表格的形式显示任何所需的变量,以便获得作为时间、频率或其他域的函数的电路行为,然后进行分析和解释,以评估电路性能和确定任何问题或改进机会
  • 验证和确认结果,建议与其他软件、仪器或实验观察得到的结果进行比较,以确保仿真结果的准确性

什么是Spice仿真及其工作原理?

NETLIST是一个以元件、节点和连接方式描述电路的文本文件。它用作SPICE软件的输入,以进行电路仿真。NETLIST包含有关电路的详细信息,例如所用元件的类型和属性、元件之间连接的描述以及电源的定义。它是一个电子电路的表示,列出了所有元件以及它们之间的连接。但是,它不包括有关电路中元件的物理位置或方向的信息。换句话说,它只提供了一个抽象的电路,描述了元件之间的关系,但不指出它们在空间中的物理排列或方向。2LLednc

这一点很重要,因为它允许将电路的逻辑设计与其物理表现形式分开,从而允许相同的NETLIST被其他软件重复使用。它以特定格式编写,仿真软件可以理解,但人类也可以通过阅读简单地理解。换句话说,它是接线图的文本表示,遵循特定格式,还有分析说明和其他指令。请注意,根据所使用的软件,NETLIST的格式可能会略有变化。2LLednc

创建一个优秀的NETLIST对于从SPICE仿真中获得可靠的结果至关重要,并且对结果的准确性有重大影响。当“电路图绘制”程序不存在时,设计人员被迫手动绘制NETLIST,用铅笔创建接线图并为每个电气连接分配适当的标签。今天,这个过程很少需要手动完成,因为现代软件为用户提供了以图形方式绘制电气图的所有工具,而无需担心线路和节点名称。这样,通过合适的图形界面就可以非常自然地绘制出电路。开始,为了产生一个NETLIST文件,建议用纸笔画出要模拟的电路,给每个节点一个编号或名称,并给电路中的每个元件分配一个独特的名称,如图1所示。因而,使用LTspice,你可以产生一个类似的电路图,所有的元件都在正确的位置。2LLednc

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图1:我们的第一个接线图2LLednc

我们的第一个例子

一旦定义了接线图,就必须像物理电路一样通过节点连接元件,这些节点描述了各种电路元件引向的线路。电源发生器和信号源也必须包括在内(如同物理电路)。此外,必须将一个节点标识为接地电压的参考,通常标记为“0”或“GND”。再次查看电路图,可以确定以下元素:2LLednc

  • 电子元件:V1是理想的12V电压发生器,R1是一个22kΩ电阻器,C1是一个860µF电容器。
  • 节点是以红色标示的标签,用于标识每个电气连接的名称。具体来说,“Vcc”是将电池连接到电阻器的电气连接;“Out”是将电阻器连接到电容器的电气连接;“0”为接地点,对软件来说电位为0V,并标识电容与电池之间的电气连接。
  • 指令是以绿色标示的标签。它们确定了某些程序功能,稍后将详细讨论。在这个例子中,它们是“.IC v(Out)=0”和“.tran 140”。

图中显示的只是一个图形化、可视化的电气图,便于用户和设计人员阅读。但仿真软件接收到的真实信息是NETLIST(见图2),它是设计中涉及的电气元件及其电气连接的列表。正是这个文本文档被软件解释和执行。在我们使用的软件中,可以通过激活“View”菜单来查看。其他程序可能有不同的程序。我们现在将检查构成组成NETLIST的线路。为方便起见,我们对这些行进行了渐进地编号,以方便我们的注释,但事实上,原始文档中并没有这些编号。2LLednc

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图2:示例项目的NETLIST2LLednc

那么,NETLIST由以下几行文本组成,我们将对其进行详细解释:2LLednc

  • 第1行:“* Charge of a capacitor.”这是一条注释,可以包含任何类型的句子。注释由首字母星号标识,NETLIST的第一行必须始终包含注释,否则仿真将无法运行。
  • 第2行:“V1 Vcc 0 12V.”。它是一个电压发生器,因为它以“V”开头并连接在节点“Vcc”和“0”之间,如接线图所示。它的值为12V。
  • 第3行:“R1 Vcc Out 22k.”。这是一个电阻器。它以“R”开头,连接在“Vcc”和“Out”节点之间。其值为22kΩ。
  • 第4行:“C1 Out 0 860uF.”这是一个电容器,因为它以“C”开头,连接在“Out”和“0”节点之间。其值为860µF。这里没有标明电容类型,对于SPICE来说,电容是一种通用元件,不区分电解电容、非极化电容、聚酯电容等。
  • 第5行:“.tran 140.”。它是一个指令,通知电子仿真器它必须在140秒的时间内监控电路的行为。换句话说,该软件会检查在仿真的前140秒内元件发生了什么。显然,结果会在片刻后显示。
  • 第6行:“.IC v(Out)=0.”这是一个重要的指令,它通过实现一个初始无负载的电容器,将初始节点电压v(out)设置为0V。
  • 第7行:“.backanno.”。该指令自动包含在LTspice从图表生成的每个NETLIST中。它指示LTspice在.raw文件中包括可用于引用引脚名称端口电流的信息。这允许通过单击符号引脚来“交互探测”引脚电流。
  • 第8行:“.end.”。该指令指示文本NETLIST的结束。所有后续行都将被忽略。

运行仿真

LTspice不提供“.PRINT”和“.PLOT”指令来显示或跟踪变量,但它确实有一些更有效的方法。手动绘制接线图后,可以通过访问程序的“Run”菜单运行仿真(见图3中的图形)。然后您可以单击接线图的元素以显示以下值的图形:2LLednc

  • 如果单击一个节点,图中会显示其电压。
  • 如果单击一个元件,图中会显示流过它的电流。
  • 如果您按下ALT键单击一个元件,图中将显示它消耗的功率。

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图3:“Vcc”和“Out”节点信号的瞬态图2LLednc

如果用户省略了“.IC v(Out)=0”指令,则“Out”节点处的电压图将为12V,而无需经过瞬态仿真。其他软件有“.PRINT”和“.PLOT”指令以文本形式来显示仿真变量。在LTspice中,我们的操作略有不同,效率更高,更方便。2LLednc

结论

有了新一代的软件,以图形方式绘制整个电路比以文本和手动形式描述所有连接要容易得多。读者可以尝试制作本期课程中描绘的电路图。更多细节将在以后的文章中探讨。2LLednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News,参考链接:Guide to SPICE Simulation for Circuit Analysis and Design — Part 1: Introduction and Netlist,由Ricardo Xie编译。)2LLednc

责编:Ricardo
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