PCB設(she)計人(ren)員必(bi)須(xu)考慮各(ge)種設(she)計參數(shu)才能(neng)設(she)計出(chu)成功的電(dian)路(lu)板。為了(le)確(que)保(bao)其(qi)設(she)計準確(que)，設(she)計人(ren)員可(ke)以使用電路(lu)仿真(zhen)來(lai)了(le)解(jie)其(qi)電路(lu)的動態(tai)行(xing)為，從(cong)而實(shi)現高(gao)效(xiao)的電(dian)路(lu)板設(she)計。

什麽(me)是(shi)電路(lu)仿(fang)真(zhen)？

電(dian)路(lu)仿(fang)真(zhen)是(shi)用於在(zai)制造(zao)和(he)產品部(bu)署之(zhi)前(qian)檢查(zha)和驗證(zheng)電(dian)氣(qi)/電(dian)子電路功能(neng)的過(guo)程(cheng)。它(ta)用於從微(wei)電(dian)子學和集(ji)成電路到(dao)電(dian)力(li)電子(zi)學和配(pei)電(dian)網絡的廣(guang)泛(fan)應(ying)用。可以根(gen)據(ju)需要(yao)在(zai)線(xian)性和(he)非(fei)線(xian)性電(dian)路(lu)上(shang)進(jin)行電(dian)路(lu)仿(fang)真(zhen)。

電(dian)路(lu)仿(fang)真(zhen)包括(kuo)：

1.電路元件(jian)或設(she)備的數(shu)學建模(mo)。 

2.電路/網絡方程(cheng)的公(gong)式(shi)化。

3.這(zhe)些方程(cheng)式(shi)的求(qiu)解(jie)技術(shu)。 

線(xian)性和(he)非(fei)線(xian)性電(dian)路(lu)

線(xian)性電(dian)路(lu)是(shi)流經電(dian)路的電(dian)流與電(dian)路電(dian)壓成正比(bi)的地(di)方。線(xian)性電(dian)路(lu)中(zhong)電(dian)流和電(dian)壓之(zhi)間(jian)的關系如下(xia)圖(tu)所(suo)示(shi)：

線(xian)性電(dian)路(lu)的電(dian)流與電(dian)壓關系圖(tu)

非線(xian)性電(dian)路(lu)是(shi)指流經電(dian)路的電(dian)流與電(dian)路中(zhong)的電(dian)壓不(bu)成正比(bi)的情(qing)況(kuang)，從而導致電壓與(yu)電(dian)流的關系曲(qu)線(xian)看(kan)起(qi)來(lai)像(xiang)曲(qu)線(xian)。

非線(xian)性電(dian)路(lu)的電(dian)壓與(yu)電(dian)流關系圖(tu)

電路仿(fang)真(zhen)如何(he)工作？

電路仿真(zhen)通(tong)過使(shi)用原(yuan)理(li)圖(tu)編(bian)輯器設(she)計電(dian)路並(bing)使(shi)電路表示(shi)經受恒(heng)定或變化的輸(shu)入來(lai)進(jin)行。記(ji)錄並(bing)分(fen)析得(de)到的信(xin)號(hao)輸(shu)出(chu)。

電路仿真(zhen)器旨(zhi)在(zai)模(mo)擬(ni)電路組件(jian)的行(xing)為，以實(shi)現與(yu)實(shi)際(ji)運(yun)行(xing)的電(dian)路(lu)相同(tong)的信(xin)號(hao)輸(shu)出(chu)。

設(she)備型(xing)號(hao)

設(she)備模(mo)型(xing)是(shi)使用理(li)論(lun)和實(shi)驗研(yan)究生(sheng)成的分(fen)析(xi)表達(da)式。構成此(ci)分(fen)析(xi)表(biao)達式的變(bian)量(liang)和常(chang)量(liang)稱(cheng)為模(mo)型(xing)參數(shu)。此(ci)外(wai)，設(she)備參數(shu)是(shi)用於在(zai)模(mo)擬(ni)器上(shang)復制(zhi)實(shi)際(ji)組件(jian)特(te)征(zheng)的那(na)些(xie)參數(shu)。

IBIS模(mo)型(xing)

IBIS（輸(shu)入/輸(shu)出(chu)緩沖(chong)區(qu)信息規(gui)範(fan)）是(shi)壹個(ge)行為模(mo)型(xing)，詳細(xi)描述(shu)了(le)設(she)備數(shu)字(zi)輸(shu)入和輸(shu)出(chu)的電(dian)氣(qi)特(te)性。這(zhe)是(shi)通(tong)過使(shi)用V / I（電壓與(yu)電(dian)流）和V / T（電(dian)壓與(yu)時(shi)間）數(shu)據(ju)完成的，而不會泄露(lu)任(ren)何(he)專(zhuan)有信息。IBIS模(mo)型(xing)旨(zhi)在(zai)用於系統板上(shang)的信(xin)號(hao)完整性分(fen)析(xi)。

有哪些(xie)不(bu)同(tong)類(lei)型(xing)的模(mo)擬(ni)？

在(zai)本文中，我(wo)們專(zhuan)註於模(mo)擬(ni)電路仿真(zhen)。以下是(shi)電路(lu)仿(fang)真(zhen)的類(lei)型(xing)：

模(mo)擬(ni)模(mo)擬(ni)

模(mo)擬(ni)電路仿真(zhen)過(guo)程(cheng)包括(kuo)使(shi)用電子(zi)電路(lu)的精(jing)確(que)表(biao)示(shi)來(lai)獲(huo)得(de)與輸(shu)入相對(dui)應(ying)的精(jing)確(que)信(xin)號(hao)輸(shu)出(chu)。如前(qian)所述(shu)，用於電路(lu)仿(fang)真(zhen)的模(mo)型(xing)可(ke)以是(shi)線(xian)性的也(ye)可(ke)以是(shi)非線(xian)性的。模(mo)擬(ni)電路仿真(zhen)可(ke)以在(zai)多種模(mo)式(shi)下執行，例(li)如：

• AC（頻(pin)域(yu)）

• DC（非線(xian)性靜(jing)態(tai)）

• 瞬態(tai)（時(shi)域(yu)）

模(mo)擬(ni)仿真(zhen)器使用算法(fa)來(lai)分(fen)析(xi)不同(tong)模(mo)式(shi)下的電(dian)路(lu)行為。這(zhe)種算法(fa)采(cai)用求解(jie)矩陣的過(guo)程(cheng)來(lai)預測電(dian)路(lu)性能(neng)。在(zai)模(mo)擬(ni)仿真(zhen)中(zhong)，信(xin)號(hao)以連續(xu)變化(hua)的值傳播(bo)。

數(shu)字(zi)仿真(zhen)

數(shu)字(zi)電路(lu)仿(fang)真(zhen)包括(kuo)使(shi)用通(tong)過硬(ying)件(jian)描述(shu)語(yu)言（HDL）生成的電(dian)路(lu)行為模(mo)型(xing)。在(zai)這(zhe)種方法(fa)中(zhong)，與(yu)模(mo)擬(ni)仿真(zhen)不(bu)同(tong)，離(li)散電(dian)壓值（主要(yao)是(shi)邏輯(ji)0和(he)邏(luo)輯1）會傳(chuan)播。對(dui)於電路(lu)中(zhong)邏輯電(dian)平(ping)的傳(chuan)播(bo)延遲(chi)的不(bu)同(tong)值，用於這(zhe)種信(xin)號傳(chuan)播(bo)的技(ji)術(shu)具(ju)有變化(hua)的精(jing)度(du)。與(yu)模(mo)擬(ni)仿真(zhen)相(xiang)比(bi)，該(gai)技(ji)術(shu)允(yun)許(xu)在(zai)更短的時(shi)間(jian)內對(dui)更大的電(dian)路(lu)進(jin)行仿(fang)真(zhen)，並(bing)使(shi)用更少的計(ji)算資源。

混合信號仿(fang)真(zhen)

混合信號仿(fang)真(zhen)方法(fa)集(ji)成了模(mo)擬(ni)和數(shu)字(zi)仿真(zhen)技(ji)術(shu)。在(zai)這(zhe)種情(qing)況下(xia)，電(dian)路(lu)分(fen)為兩個(ge)不同(tong)的系統（模(mo)擬(ni)和數(shu)字(zi)），以在(zai)每(mei)個(ge)電路(lu)段(duan)中進(jin)行適(shi)當的分(fen)析(xi)。數(shu)字(zi)仿真(zhen)保(bao)持(chi)事件(jian)驅(qu)動，而模(mo)擬(ni)信號保(bao)持(chi)原(yuan)樣(yang)。

電(dian)路(lu)分(fen)析類型(xing)

電(dian)路(lu)模(mo)擬(ni)器運(yun)行(xing)各(ge)種類(lei)型(xing)的分(fen)析(xi)，從而提供(gong)有關電(dian)路的不(bu)同(tong)信(xin)息。以下是(shi)幾種電(dian)路分(fen)析(xi)類(lei)型(xing)：

瞬態(tai)分(fen)析

瞬態(tai)分(fen)析是(shi)指從(cong)壹(yi)種穩(wen)態條(tiao)件(jian)變(bian)為另(ling)壹種穩(wen)態條(tiao)件(jian)期間的電(dian)路(lu)分析(xi)。當開關斷(duan)開或閉(bi)合時，或當電源突然(ran)發(fa)生變(bian)化(hua)時(shi)，電路會(hui)發(fa)生快速變(bian)化(hua)。當這(zhe)種變(bian)化發(fa)生時(shi)，處(chu)於明顯(xian)穩(wen)態(tai)狀態的電(dian)路(lu)將移至(zhi)另壹(yi)個(ge)穩態(tai)。狀況(kuang)。兩個(ge)穩態(tai)條(tiao)件(jian)之(zhi)間(jian)的這(zhe)段(duan)時間稱(cheng)為過(guo)渡(du)期。瞬態(tai)分(fen)析用於了解(jie)瞬態(tai)期間電流和電(dian)壓等(deng)參數(shu)將如何(he)變(bian)化(hua)。

傳(chuan)遞函數(shu)分析(xi)

電子(zi)電(dian)路的傳(chuan)遞函數(shu)是(shi)壹種數(shu)學函數(shu)，用於對(dui)每(mei)個(ge)可能(neng)的輸(shu)入進(jin)行理(li)論(lun)上(shang)的設(she)備輸(shu)出(chu)建模(mo)。傳(chuan)遞函數(shu)可以通(tong)過繪(hui)制輸(shu)入與輸(shu)出(chu)的關系圖(tu)來(lai)表(biao)示(shi)，以得(de)到所(suo)謂(wei)的傳(chuan)遞曲線(xian)。這(zhe)稱(cheng)為傳(chuan)遞函數(shu)分析(xi)。

噪音(yin)分(fen)析

信(xin)號噪聲是(shi)指電(dian)流或電壓的不(bu)希(xi)望(wang)有的變(bian)化(hua)，通(tong)常(chang)是(shi)隨(sui)機(ji)的且(qie)幅(fu)度(du)很小(xiao)。每(mei)個(ge)電子(zi)組件(jian)都(dou)會(hui)產生信(xin)號噪(zao)聲，並(bing)且(qie)這(zhe)種噪(zao)聲可能來(lai)自內部或外(wai)部(bu)源。可以使用稱(cheng)為信(xin)噪比(bi)（SNR）的參數(shu)來(lai)測(ce)量(liang)電路(lu)中(zhong)的噪(zao)聲。信噪比(bi)可(ke)以定義為所(suo)需信號(hao)與不(bu)希(xi)望(wang)的信(xin)號(hao)或噪聲之(zhi)比(bi)。SNR以分貝(bei)（db）為單(dan)位(wei)。

工作點分析

操(cao)作點是(shi)電子(zi)組件(jian)的操(cao)作特(te)性內(nei)的特(te)定點。對(dui)於電壓和(he)電(dian)流恒(heng)定的具(ju)有恒(heng)定源的電(dian)路(lu)，使用工作點進(jin)行分(fen)析(xi)。可(ke)以使用數(shu)字(zi)萬用表對(dui)工作點進(jin)行物(wu)理(li)測(ce)量(liang)，或者(zhe)在(zai)仿真(zhen)中(zhong)，可(ke)以通(tong)過在(zai)軟件(jian)中(zhong)選(xuan)擇(ze)感(gan)興(xing)趣的組件(jian)進(jin)行測(ce)量(liang)。

電路(lu)仿(fang)真(zhen)使(shi)用哪個(ge)軟件(jian)？

SPICE（具(ju)有集成電路重點的仿(fang)真(zhen)程(cheng)序）是(shi)壹種流行的開(kai)源電路(lu)仿(fang)真(zhen)引(yin)擎(qing)。它(ta)接受壹(yi)個(ge)描述(shu)電(dian)路(lu)以執行(xing)各種仿(fang)真(zhen)的網表。網表是(shi)描述(shu)電(dian)路(lu)中(zhong)使用的每(mei)個(ge)組件(jian)及(ji)其(qi)連接位(wei)置的文本。LT spice是(shi)另壹(yi)種類(lei)似於SPICE的開(kai)源電路(lu)仿(fang)真(zhen)軟件(jian)。

使(shi)用Analog Devices Inc.LTspice®進(jin)行電(dian)路(lu)仿(fang)真(zhen)

以下是(shi)壹些(xie)基本電(dian)路及(ji)其(qi)分析(xi)：

直流分析(xi)

首(shou)先(xian)，我們將看(kan)壹(yi)個(ge)簡(jian)單(dan)的分(fen)壓器電路。它(ta)在(zai)10k和5k歐(ou)姆(mu)電(dian)阻上(shang)具(ju)有10V DC輸(shu)入。輸(shu)出(chu)端還有壹個(ge)電容器。

直流輸(shu)入的分(fen)壓器電路

如果(guo)我(wo)們看(kan)輸(shu)入和輸(shu)出(chu)直流電平(ping)，我們將得(de)到如下(xia)圖(tu)

使用直流電壓源的電(dian)路(lu)瞬態(tai)分(fen)析

在(zai)此(ci)，輸(shu)出(chu)電壓V（輸(shu)出(chu)）為3.333V。

現在(zai)，讓我(wo)們將輸(shu)入從DC更改為振幅(fu)為1V，頻(pin)率為1kHz的正(zheng)弦(xian)波，並(bing)分(fen)析電容器兩端的電(dian)壓和(he)電(dian)流。

帶(dai)正(zheng)弦波輸(shu)入的分(fen)壓器電路

使用正弦(xian)波源進(jin)行瞬態(tai)分(fen)析

這(zhe)些是(shi)輸(shu)入和輸(shu)出(chu)電壓。我(wo)們還可(ke)以繪制(zhi)通(tong)過任(ren)何(he)組件(jian)汲(ji)取(qu)的電(dian)流和功(gong)率。

電容器C1在(zai)圖中(zhong)顯(xian)示(shi)為滯後(hou)

通(tong)過電(dian)容器C1的電(dian)流滯後(hou)於電壓。

現在(zai)，讓我(wo)們給出(chu)壹個(ge)脈沖(chong)輸(shu)入。我們將選(xuan)擇(ze)壹個(ge)時間(jian)周期為1ms的脈沖(chong)，其(qi)上(shang)升時(shi)間和下(xia)降時間(jian)為10ns，幅(fu)度(du)為5V，導通(tong)時間(jian)為0.2ms。

帶(dai)脈沖(chong)輸(shu)入的分(fen)壓器電路

在(zai)輸(shu)出(chu)中，我(wo)們可以觀察到當輸(shu)入導通(tong)且電(dian)流為正(zheng)且脈沖(chong)為零(ling)時，電(dian)容器兩端的電(dian)壓上(shang)升，電(dian)容器放(fang)電而電流為負(fu)。 

脈沖(chong)輸(shu)入瞬態(tai)分(fen)析

AC分(fen)析

現在(zai)讓我(wo)們進(jin)行AC分(fen)析(xi)

交(jiao)流輸(shu)入的分(fen)壓器電路

在(zai)這(zhe)裏，我們需要(yao)指(zhi)定掃描類(lei)型(xing)，讀(du)數(shu)數(shu)量(liang)，開始和(he)結(jie)束(shu)頻(pin)率，以對(dui)電(dian)路進(jin)行交(jiao)流分析(xi)。

AC分析圖

讓(rang)我(wo)們看(kan)壹(yi)下(xia)壹(yi)個(ge)電路(lu)，它有點像中心(xin)頻(pin)率為50MHz的LC帶(dai)通(tong)濾(lv)波器。 

LC帶(dai)通(tong)濾(lv)波器電路

現在(zai)，我們將設(she)置交(jiao)流掃描。繪(hui)制(zhi)輸(shu)出(chu)後(hou)，我們可以看(kan)到(dao)在(zai)不同(tong)頻(pin)率下的衰(shuai)減(jian)以及(ji)在(zai)50MHz左(zuo)右(you)的中(zhong)心(xin)頻(pin)率。

交(jiao)流掃描分(fen)析(xi)

電(dian)路(lu)仿真(zhen)是(shi)PCB設(she)計人(ren)員在(zai)電路(lu)板(ban)制(zhi)造之(zhi)前(qian)了解(jie)電路(lu)行為的寶(bao)貴(gui)工具(ju)。電路(lu)仿真(zhen)的使(shi)用可以幫助(zhu)防止(zhi)昂貴的PCB返(fan)工和設(she)計效(xiao)率低(di)下。