PSPICE
什么是PSPICE？隨著社會(huì)的發(fā)展，科技也日益蓬勃發(fā)展，我們都必須掌握科學(xué)知識(shí)來(lái)推動(dòng)社會(huì)的繼續(xù)發(fā)展。接下來(lái)，我就為大家講解PSPICE的內(nèi)容，希望對(duì)廣大的讀者有很大的幫助。
PSPICE
PSPICE的起源與發(fā)展
用于模擬電路仿真的SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）軟件于1972年由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)小組利用FORTR AN語(yǔ)言開(kāi)發(fā)而成，主要用于大規(guī)模集成電路的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。SPICE的正式版SPICE 2G在1975年正式推出，但是該程序的運(yùn)行環(huán)境至少為小型機(jī)。1985年，加州大學(xué)伯克利分校用C語(yǔ)言對(duì)SPICE軟件進(jìn)行了改寫(xiě)， 并由MICROSIM公司推出。1988年SPICE被定為美國(guó)國(guó)家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。與此同時(shí)，各種以SPICE為核心的商用模擬電路仿真軟件，在SPICE的基礎(chǔ)上做了大量實(shí)用化工作，從而使SPICE成為最為流行的電子電路仿真軟件。
PSPICE采用自由格式語(yǔ)言的5.0版本自80年代以來(lái)在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用，并且從6.0版本開(kāi)始引入圖形界面。1998年著名的EDA商業(yè)軟件開(kāi)發(fā)商O(píng)RCAD公司與Microsim公司正 式合并，自此Microsim公司的PSPICE產(chǎn)品正式并入ORCAD公司的商業(yè)EDA系統(tǒng)中。不久之后，ORCAD公司已正式推出了ORCAD PSPICE Release 10.5，與傳統(tǒng)的SPICE軟件相比，PSPICE 10.5在三大方面實(shí)現(xiàn)了重大變革：首先，在對(duì)模擬電路進(jìn)行直流、交流和瞬態(tài)等基本電路特性分析的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了蒙特卡羅分析、最壞情況分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)等較為復(fù)雜的電路特性分析；第二，不但能夠?qū)δM電路進(jìn)行，而且能夠?qū)?shù)字電路、數(shù)/模混合電路進(jìn)行仿真；第三，集成度大大提高，電路圖繪制完成后可直接進(jìn)行電路仿真，并且可以隨時(shí)分析觀察仿真結(jié)果。PSPICE軟件的使用已經(jīng)非常流行。在大學(xué)里，它是工科類(lèi)學(xué)生必會(huì)的分析與設(shè)計(jì)電路工具；在公司里，它是產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)到定型過(guò)程中不可缺少的設(shè)計(jì)工具。
PSPICE仿真軟件的優(yōu)越性
PSPICE軟件具有強(qiáng)大的電路圖繪制功能、電路模擬仿真功能、圖形后處理功能和元器件符號(hào)制作功能，以圖形方式輸入，自動(dòng)進(jìn)行電路檢查，生成圖表，模擬和計(jì)算電路。它的用途非常廣泛，不僅可以用于電路分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，還可用于電子線路、電路和信號(hào)與系統(tǒng)等課程的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)。與印制版設(shè)計(jì)軟件配合使用，還可實(shí)現(xiàn)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化。被公認(rèn)是通用電路模擬程序中最優(yōu)秀的軟件，具有廣闊的應(yīng)用前景。這些特點(diǎn)使得PSPICE受到廣大電子設(shè)計(jì)工作者、科研人員和高校師生的熱烈歡迎，國(guó)內(nèi)許多高校已將其列入電子類(lèi)本科生和碩士生的輔修課程。
電路設(shè)計(jì)軟件有很多，它們各有特色。如Protel和Tango，它對(duì)單層/雙層電路板的原理圖及PCB圖的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)很適合，而對(duì)于布線復(fù)雜，元件較多的四層及六層板來(lái)說(shuō)ORCAD更有優(yōu)勢(shì)。但在電路系統(tǒng)仿真方面，PSPICE可以說(shuō)獨(dú)具特色，是其他軟件無(wú)法比擬的，它是一個(gè)多功能的電路模擬試驗(yàn)平臺(tái)，PSPICE軟件由于收斂性好，適于做系統(tǒng)及電路級(jí)仿真，具有快速、準(zhǔn)確的仿真能力。
1.圖形界面友好，易學(xué)易用，操作簡(jiǎn)單
由Dos版本的PSPICE到Windows版本的PSPICE，使得該軟件由原來(lái)單一的文本輸入方式而更新升級(jí)為輸入原理圖方式，使電路設(shè)計(jì)更加直觀形象。PSPICE 6．0以上版本全部采用菜單式結(jié)構(gòu)，只要熟悉Windows操作系統(tǒng)就很容易學(xué)，利用鼠標(biāo)和熱鍵一起操作，既提高了工作效率，又縮短了設(shè)計(jì)周期。即使沒(méi)有參考書(shū)，用戶只要具備一定的英語(yǔ)基礎(chǔ)就可以通過(guò)實(shí)際操作很快掌握該軟件。
2.實(shí)用性強(qiáng)，仿真效果好
在PSPICE中，對(duì)元件參數(shù)的修改很容易，它只需存一次盤(pán)、創(chuàng)建一次連接表，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜電路的仿真。如果用Protel等軟件進(jìn)行參數(shù)修改仿真，則過(guò)程十分繁瑣。在改變一個(gè)參數(shù)時(shí)，哪怕是一個(gè)電阻阻值的大小都需要重新建立網(wǎng)絡(luò)表的連接，設(shè)置其他參數(shù)更為復(fù)雜。
3.功能強(qiáng)大，集成度高
在PSPICE內(nèi)集成了許多仿真功能，如：直流分析、交流分析、噪聲分析、溫度分析等 ，用戶只需在所要觀察的節(jié)點(diǎn)放置電壓（電流）探針，就可以在仿真結(jié)果圖中觀察到其“電壓（或電流）-時(shí)間圖”。而且該軟件還集成了諸多數(shù)學(xué)運(yùn)算，不僅為用戶提供了加、減、乘、除等基本的數(shù)學(xué)運(yùn)算，還提供了正弦、余弦、絕對(duì)值、對(duì)數(shù)、指數(shù)等基本的函數(shù)運(yùn)算，這些都是其他軟件所無(wú)法比擬的。
另外，用戶還可以對(duì)仿真結(jié)果窗口進(jìn)行編輯，如添加窗口、修改坐標(biāo)、疊加圖形等 ，還具有保存和打印圖形的功能，這些功能都給用戶提供了制作所需圖形的一種快捷、簡(jiǎn)便的方法。因此，Windows版本的PSPICE更優(yōu)于Dos版本的PSPICE，它不但可以輸入原理圖方式，而且也可以輸入文本方式。無(wú)疑是廣大電子電路設(shè)計(jì)師的好幫手。
PSPICE
PSPICE的組成
PSPICE是計(jì)算機(jī)輔助分析設(shè)計(jì)中的電路模擬軟件。它主要用于所設(shè)計(jì)的電路硬件實(shí)現(xiàn)之前，先對(duì)電路進(jìn)行模擬分析，就如同對(duì)所設(shè)計(jì)的電路用各種儀器進(jìn)行組裝、調(diào)試和測(cè)試一樣，這些工作完全由計(jì)算機(jī)來(lái)完成。用戶根據(jù)要求來(lái)設(shè)置不同的參數(shù)，計(jì)算機(jī)就像掃描儀一樣，分析電路的頻率響應(yīng)，像示波器一樣，測(cè)試電路的瞬態(tài)響應(yīng)，還可以對(duì)電路進(jìn)行交直流分析、噪聲分析、Monte Carlo統(tǒng)計(jì)分析、最壞情況分析等，使用戶的設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)效果。以往一個(gè)新產(chǎn)品的研制過(guò)程需要經(jīng)過(guò)工程估算，試驗(yàn)板搭試、調(diào)整，印刷板排版與制作，裝配與調(diào)試，性能測(cè)試，測(cè)試指標(biāo)不合格，再?gòu)恼{(diào)整開(kāi)始循環(huán)，直至指標(biāo)合格為止。這樣往往需要反復(fù)實(shí)驗(yàn)和修改。而仿真技術(shù)可將“實(shí)驗(yàn)”與“修改”合二為一。為確定元件參數(shù)提供了科學(xué)的依據(jù)。它的優(yōu)點(diǎn)主要有：
1.為電路設(shè)計(jì)人員節(jié)省了大量的時(shí)間。
2.節(jié)省了各種儀器設(shè)備。
3.生產(chǎn)產(chǎn)品一致性好、可靠性高。
4.產(chǎn)品的更新率高、新產(chǎn)品投放市場(chǎng)快等。
PSPICE程序采用改進(jìn)節(jié)點(diǎn)法列電路方程，用牛頓-萊普生方法的改進(jìn)算法進(jìn)行非線性分析，用變節(jié)步長(zhǎng)的隱式積分法進(jìn)行瞬態(tài)分析，在求解線性代數(shù)方程組時(shí)，采用了稀疏矩陣技術(shù)。
a.電路原理圖編輯程序 Schematics
PSPICE的輸入有兩種形式，一種是網(wǎng)單文件（或文本文件）形式，一種是電路原理圖形式，相對(duì)而言后者比前者較簡(jiǎn)單直觀，它既可以生成新的電路原理圖文件，又可以打開(kāi)已有的原理圖文件。電路元器件符號(hào)庫(kù)中備有各種原器件符號(hào)，除了電阻，電容，電感，晶體管，電源等基本器件及符號(hào)外，還有運(yùn)算放大器，比較器等宏觀模型級(jí)符號(hào)，組成電路圖，原理圖文件后綴為.sch。圖形文字編輯器自動(dòng)將原理圖轉(zhuǎn)化為電路網(wǎng)單文件以提供給模擬計(jì)算程序運(yùn)行仿真。
b.激勵(lì)源編輯程序 Stimulus Editor
PSPICE中有很豐富的信號(hào)源，如正弦源，脈沖源，指數(shù)源，分段線性源，單頻調(diào)頻源等等。該程序可用來(lái)快速完成各種模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的建立與修改，并且可以直觀而方便的顯示這些信號(hào)源的波形。
c.電路仿真程序 PSPICE A/D
模擬計(jì)算程序是PSPICE A/D也叫做電路仿真程序，它是軟件核心部分。在PSPICE 4.1版本以上，該仿真程序具有數(shù)字電路和模擬電路的混合仿真能力。它接收電路輸入程序確定的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和原器件參數(shù)信息，經(jīng)過(guò)原器件模型處理形成電路方程，然后求解電路方程的數(shù)值解并給出計(jì)算結(jié)果，最后產(chǎn)生擴(kuò)展名為.dat的數(shù)據(jù)文件（給圖形后處理程序Probe）和擴(kuò)展名為.out的電路輸出文本文件。模擬計(jì)算程序只能打開(kāi)擴(kuò)展名為.cir的電路輸入文件，而不能打開(kāi)擴(kuò)展名為.sch 的電路輸入文件。因此在Schemayics環(huán)境下，運(yùn)行模擬計(jì)算程序時(shí)，系統(tǒng)首先將原理圖.sch文件轉(zhuǎn)換為.cir文件，而后再啟動(dòng)PSPICE A/D進(jìn)行模擬分析。
d.輸出結(jié)果繪圖程序 Probe
Probe程序是PSPICE的輸出圖形后處理軟件包。該程序的輸入文件為用戶作業(yè)文本文件或圖形文件仿真運(yùn)行后形成的后綴為.dat的數(shù)據(jù)文件。它可以起到萬(wàn)用表，示波器和掃描儀的作用，在屏幕上繪出仿真結(jié)果的波形和曲線。隨著計(jì)算機(jī)圖形功能的不斷增強(qiáng)，PC機(jī)上windows95,98,2000/XP的出現(xiàn)，Probe的繪圖能力也越來(lái)越強(qiáng)。
e.模型參數(shù)提取程序Model Editor
電路仿真分析的精度和可靠性主要取決于元器件模型參數(shù)的精度。盡管PSPICE的模型參數(shù)庫(kù)中包含了上萬(wàn)種元器件模型，但有時(shí)用戶還是根據(jù)自己的需要而采用自己確定的元器件的模型及參數(shù)。這時(shí)可以調(diào)用模型參數(shù)提取程序Model ED從器件特性中提取該器件的模型參數(shù)。
f.元件模型參數(shù)庫(kù)LIB
PSPICE具有自建的元件模型，元件的建立以元件的物理原理為基礎(chǔ)，模型參數(shù)與物理特性密切相關(guān)。元件的等效模型還有其工作條件與分析要求相關(guān)。在直流分析中，非線性元件的等效模型是小信號(hào)線性等效電路；在瞬態(tài)分析中，非線性元件的等效模型考慮到了電荷存儲(chǔ)效應(yīng)。雙極管型晶體管采用GUMMEL-POON的積分電荷控制模型，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管采用SHICHMAN-HODGFS的場(chǎng)效應(yīng)管模型。二極管模型既適用于結(jié)型二極管，也適用于肖特基勢(shì)壘二極管。MOS1由I-V特性來(lái)描述，MOS2是一個(gè)解析模型，MOS3是一種半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀３朔至⒃?shù)庫(kù)以外，還有集成電路的宏模型庫(kù)，并提供了一些著名器件和IC生產(chǎn)廠家的專(zhuān)有元器件參數(shù)庫(kù)。
PSPICE的模擬功能
SPICE程序的主要功能有非線性直流分析、非線性暫態(tài)分析、線性小信號(hào)交流分析、靈敏度分析和統(tǒng)計(jì)分析。
a.直流分析
非線性直流分析功能簡(jiǎn)稱(chēng)直流分析。它是計(jì)算直流電壓源或直流電流源作用于電路時(shí)電路的工作狀態(tài)。對(duì)電路進(jìn)行的直流分析主要包括直流工作點(diǎn)分析、直流掃描分析和轉(zhuǎn)移函數(shù)分析。
直流工作點(diǎn)是電路正常工作的基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)電路進(jìn)行直流工作點(diǎn)的分析，可以知道電路中各元件的電壓和電流，從而知道電路是否正常工作以及工作的狀態(tài)。一般在對(duì)電路進(jìn)行仿真的過(guò)程中，首先要對(duì)電路的靜態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)行分析和計(jì)算。
直流掃描分析主要是將電路中的直流電源、工作溫度、元件參數(shù)作為掃描變量，讓這些參量以特定的規(guī)律進(jìn)行掃描，從而獲取這些參量變化對(duì)電路各種性能參數(shù)的影響。直流掃描分析主要是為了獲得直流大信號(hào)暫態(tài)特性。
與直流掃描分析相類(lèi)似的還有溫度分析。在這種分析過(guò)程中，將電路的溫度作為掃描變量進(jìn)行分析。因?yàn)殡娐返闹饕骷奶匦远际桥c溫度有關(guān)的，所以這就為分析電路在環(huán)境變化是的工作情況提供了一種非常有用的工具。特別重要的是，通過(guò)這種分析，我們可以預(yù)測(cè)電路在某些特殊環(huán)境如極端溫度條件或極端電源電壓條件或元件開(kāi)路短路條件下電路的工作情況，從而在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)采取必要的預(yù)防措施。
b.暫態(tài)分析
非線性暫態(tài)分析簡(jiǎn)稱(chēng)為暫態(tài)分析。暫態(tài)分析計(jì)。算電路中電壓和電流隨時(shí)間的變化，即電路的時(shí)域分析。這種分析在輸入信號(hào)為時(shí)變信號(hào)時(shí)顯得尤為重要。時(shí)域分析是指在某一函數(shù)激勵(lì)下電路的時(shí)域響應(yīng)特性。通過(guò)時(shí)域分析，設(shè)計(jì)者可以清楚地了解到電路中各點(diǎn)的電壓和電流波形以及它們的相位關(guān)系，從而知道電路在交流信號(hào)作用下的工作狀況，檢查它們是否滿足電路設(shè)計(jì)的要求。
c.交流分析
線性小信號(hào)交流分析簡(jiǎn)稱(chēng)為交流分析。它是SPICE程序的主要分析功能。它是在交流小信號(hào)的條件下，對(duì)電路的非線性元件選擇合適的線性模型將電路在直流工作點(diǎn)附近線性化，然后在用戶指定的范圍內(nèi)對(duì)電路輸入一個(gè)掃頻信號(hào)，從而計(jì)算出電路的幅頻特性、相頻特性、輸入電阻、輸出電阻等。這種分析等效于電路的正弦穩(wěn)態(tài)分析即頻域分析。頻域分析用于分析電路的頻域響應(yīng)即頻率響應(yīng)特性。這種分析主要用于分析電路的幅頻特性和相頻特性。
小信號(hào)轉(zhuǎn)移特性分析主要分析在小信號(hào)輸入的情況下，電路的各種轉(zhuǎn)移函數(shù)，通常分析的是電路的電壓放大倍數(shù).
噪聲分析是電路設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。在模擬電路中，無(wú)源器件和有源器件均會(huì)產(chǎn)生噪聲，主要包括電阻上產(chǎn)生的熱噪聲，半導(dǎo)體器件產(chǎn)生的散粒噪聲和閃爍噪聲。在噪聲分析時(shí)，將元件的噪聲等效為一個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行交流分析。通過(guò)噪聲分析可以計(jì)算出各器件在某一輸出節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的總噪聲以及某一輸入節(jié)點(diǎn)的等效輸入噪聲。從而可以分析一個(gè)電路產(chǎn)生噪聲的主要來(lái)源，采取一定的電路設(shè)計(jì)措施來(lái)減小噪聲的影響。
d.靈敏度分析
靈敏度分析包括直流靈敏度分析和蒙特卡羅分析兩種。
直流靈敏度分析業(yè)稱(chēng)為靈敏度分析。它是在工作點(diǎn)附近將所有的元件線性化后，計(jì)算各元器件參數(shù)值變化時(shí)對(duì)電路性能影響的敏感程度。通過(guò)對(duì)電路進(jìn)行靈敏度分析，可以預(yù)先知道電路中的各個(gè)元件對(duì)電路的性能影響的重要程度。對(duì)于那些對(duì)電路性能有重要影響的元件，要在電路的生產(chǎn)或元件的選擇時(shí)給予特別的關(guān)注。
e.統(tǒng)計(jì)分析
統(tǒng)計(jì)分析主要包括蒙特卡羅分析和最壞情況分析。蒙特卡羅分析是在考慮到器件參數(shù)存在容差的情況下，分析電路在直流分析、交流分析或暫態(tài)分析時(shí)電路特性隨器件容差變化的情況。另一種統(tǒng)計(jì)分析是最壞情況分析，它不僅對(duì)各器件參數(shù)的變化逐一進(jìn)行分析，得到單一器件對(duì)電路性能的靈敏度分析，同時(shí)分析各器件容差對(duì)電路性能的最大影響量(最壞情況分析)，從而達(dá)到優(yōu)化電路的目的。
PSPICE10.5改進(jìn)了9.2版本，使繪制電路，以及仿真算法更加優(yōu)化，更加節(jié)省時(shí)間，而且蒙特卡羅分析和最壞情況分析有助于我們模擬在不同溫度和環(huán)境，以及元件損壞的情況下電路的實(shí)現(xiàn)過(guò)程及結(jié)果，那么我們就知道電路的弱點(diǎn)，以及電路中的最重要元件，就可以相應(yīng)的對(duì)其采取保護(hù)、散熱等措施。
總之，隨著技術(shù)的發(fā)展，PSPICE在社會(huì)里面的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。由此，PSPICE的前景是十分好！同時(shí)，希望本文能對(duì)大家的工作有一定的指導(dǎo)作用。
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