Altium-Designer中的电路仿真.docx

Altium-Desig ner中的电路仿真作者:日期:Altium Desig ner 中的电路仿真今天看了下Altium Designer的电路仿真功能，发现它还是蛮强大的，按着help里面的文档 （fTU0106 Defining & running Circuit Simulation an alyses .P DF 跑了一下,觉得还行，所以就把这个文档翻译下。其中包含了仿真功能的介绍，元件仿真模型的添加与修改，仿真环境的设置，等等。本人对 SPICE仿真了解的不多，里面涉及到SPICE的文件如果有什么错误，欢迎提出！一、电路仿真功能介绍Altium Desig ner的混合电路信号仿真工具，在电路原理图设计阶段实现对数模混合信号电路的功能 设计仿真，配合简单易用的参数配置窗口，完成基于时序、离散度、信噪比等多种数据的分析。A用um Desig ner可以在原理图中提供完善的混合信号电路仿真功能,除了对XSPICE标准的支持之外，还支持对Pspice模型和电路的仿真。Altium Desig ner中的电路仿真是真正的混合模式仿真器，可以用于对模拟和数字器件的电路分析。 仿真器采用由乔治亚技术研究所（GTRI ）开发的增强版事件驱动型 XSPICE仿真模型，该模型是基于伯克里 SPICE3代码，并于且SPICE3f5完全兼容。SPICE3f5模拟器件模型：包括电阻、电容、电感、电压 /电流源、传输线和开关。五类主要 的通用半导体器件模型，如 diodes BJTsx JFETs、MESFETs和MOSFETs。XSPICE模拟器件模型是针对一些可能会影响到仿真效率的冗长的无需开发局部电路，而设计的复杂的、非线性器件特性模型代码。包括特殊功能函数，诸如增益、磁滞效应、限电压及限电 流、s域传输函数精确度等。局部电路模型是指更复杂的器件，如用局部电路语法描述的操作运放、 时钟、晶体等。每个局部电路都下在*.ckt文件中，并在模型名称的前面加上大写的X。数字器件模型是用数字SimCode语言编写的，这是一种由事件驱动型XSPICE模型扩展而来专门 用于仿真数字器件的特殊的描述语言，是一种类C语言，实现对数字器件的行为及特征的描述，参数可以包括传输时延、负载特征等信息；行为可以通过真值表、数学函数和条件控制参数等。它来源于标准的XSPICE代码模型。在SimCode中，仿真文件采用ASCII码字符并且保存成.TXT后缀的文件，编译后生成*.scb模型文件。可以将多个数字器件模型写在同 一个文件中。Altium Desig ner可实现如下功能：1、仿真电路建立及与仿真模型的连接AD中由于采用了集成库技术，原理图符号中即包含了对应的仿真模型，因此原理图即可直 接用来作为仿真电路，而99SE中的仿真电路则需要另行建立并单独加载各元器件的仿真模型。2、外部仿真模型的加入AD中提供了大量的仿真模型，但在实际电路设计中仍然需要补充、完善仿真模型集。一方面，用户可编辑系统自带的仿真模型文件来满足仿真需求，另一方面，用户可以直接将外部标准的仿真模型倒入系统中成为集成库的一部分后即可直接在原理图中进行电路仿真。3、仿真功能及参数设置Altium Desig ner的仿真器可以完成各种形式的信号分析，在仿真器的分析设置对话框中，通过全局设置页面，允许用户指定仿真的范围和自动显示仿真的信号。每一项分析类型可以在独立的设置页面内完成。Altium Desig ner中允许的分析类型包括：1) 直流工作点分析2) 瞬态分析和傅立叶分析3) 交流小信号分析4) 阻抗特性分析5) 噪声分析6) Pole-Zero (临界点)分析7) 传递函数分析8) 蒙特卡罗分析9) 参数扫描10)温度扫描等二、操作步骤2.1 x使用Altium Designer 仿真的基本步骤如下：1) 装载与电路仿真相关的元件库2) 在电路上放置仿真元器件(该元件必须带有仿真模型)3) 绘制仿真电路图，方法与绘制原理图一致4) 在仿真电路图中添加仿真电源和激励源5) 设置仿真节点及电路的初始状态6) 对仿真电路原理图进行ERC检查，以纠正错误7) 设置仿真分析的参数8) 运行电路仿真得到仿真结果9) 修改仿真参数或更换元器件，重复58的步骤，直至获得满意结果。2.2 、具体实现电路仿真的整个过程221、创建工程1)在工具栏选择File ? New ? Project ? PCB Project ,创建一个PCB工程并保存。2)在工具栏选择File ? New ? Schematic ,创建一个原理图文件并保存。222、原理图展示测试电路如图1 ：Cl223、编辑原理图1、放置有仿真模型的元件根据上面的电路，我们需要用到元器件LF411CN”点击左边Library”标签，使用search功能查找LF411CN。找到LF411CN之后，点击Place LF411CN ",放置元件，若提示元yes ”如图2 :件库未安装，需要安装，则点击在仿真元件之前，我们可以按TAB ”键打开元件属性对话框，在 Designator "处填入U1 ;接着查看LF411CN的仿真模型：在左下角 Models列表选中Simulation ,再点击Edit", 可查看模型的一些信息，如图 3o图3从上图可以看出，仿真模型的路径设置正确且库成功安装。点击Model File ”标签，可查看模型文件（若找不到模型文件，这里会有错误信息提示），如图 4。9*LF411 LOU OFFSET. LOW DRIFT JFET INPUT OP-AMP MACRO-MODEL19connections:*.GUDCKT LF411_N9C-M 创 TmpInon-invert mg inputinvent in? inputpositive power supplynegative power supplyIII eutpait1299 SO 2811 舌ij皿 Preview 入 Hod 上 I点击Netlist Template”标签，可以查看网表模板，如图 5。fE5!GM*T0R 1 八2 八3 K4 MS MODELXUi 13> <2? A7> <4> 0 LF411_MSC一 Netkri TotiidtuA盘则收加西.厂 卅阳二 NHhil PiEfrw/"BodeiF* ?图5至此，可以放置此元件。2、为元件添加SIM Model文件用于电路仿真的Spice模型（.ckt和.mdl文件）位于Library文件夹的集成库中，我们使用 时要注意这些 文件的后缀。模型名称是模型连接到SIM模型文件的重要因素，所以要确保模型名称设置正确。查找Altium集成库中的模型文件步骤如下：点击Library面板的Search按钮，在提示框中填入： HasModel（SIM；*False）进行搜索；若想更具体些可填入：HasModelfSIM7*LF411 False）。 若我们不想让元件使用集成库中提供的仿真模型，而想用别的模型代替，我们最好将别的模型文件复制到我们的目标文件夹中。如果我们想要用的仿真模型在别的集成库中，我们可以：1） 点击File ? Open,打开包含仿真模型的库文件（.intlib）。2） 在输出文件夹（打开集成库时生成的文件夹）中找到仿真文件，将其复制到我们自己的工程文件夹中，之后我们可以进行一些修改。复制好模型文件，再为元器件添加仿真模型。为了操作方便，我们直接到安装目录下的Examples/CircuitSimulation/Filter”文件夹中，复制模型文件 LF411C.ckt ”到自己的工程文件夹中，接下来的步骤：1) 在Project面板中，右击工程，选择 Add Existing to Project”将模型文件添加到本工程中。2) 双击元件U1,打开元件属性对话框，在Model列表中选择Simulation ,点击Remove按钮，删除原来的仿真模型。3) 点击Model列表下方的Add下拉按钮，选择Simulation n4) 在 Model Sub-Kind 中选择 Spice Subcircuit ” 使得 Spice 的前缀为 X”5) 在Model Name中输入LF411C” ,此时AD会搜索所有的库，来查询是否有与这名 称匹配的 模型文件。如果AD找到一个匹配的文件，则立即停止寻找。对于不是集成库中的模型文件，AD会 对添加到工程的文件进行搜索，然后再对搜索路径(Project? Project Options)中的文件进行搜索。如 果找不到匹配的文件，则有错误信息提示。6) 最后的步骤是检查管教映射是否正确，确保原理图中元件管脚与模型文件中管脚定义相匹配。点击Port Map ”如图6 :修改管脚映射，在Model Pin列表下拉选择合适的引脚，使其和原先的SIM模型(LF411_NSC)相同。我们可以点击Netlist Template标签，注意到其模型顺序为1, 2,3, 4, 5;如图 7 :DESIGNATOR %1 Z2 X3 茗 4 ZS &MODELNetii P 佬 we 呻 /( ModajFib j图7这些和Model File标签中的.SUBCKT头相对应，如图8 :ngl LoOf fset LoDrif t JFET OpAap pkg:DIP8 2,9,4/6. pkg:CAN8 3.2.人Connec lions: *Non-Inverting Input *1 verting Input *Positive Peuer Supply III Negetive PowerSupplyIlli Output a11111SUBCKT LF411C 12345Cl11123.49BE-12匚 2115E-12FllE JDC553DX q币 eHiwt T 药 pla( X Metiisl Ptevnew因此 在Port Map ”标签中的Model Pin ”列表中，我们可以看到1,2(2), 3(3), 4(4), 5(5),被列举出 来,其中第一个数字就是模型管脚(就是Netlist Template中的1 , %2等),而subcircuit的头则对应 着小括号里面的数字。在Spice netlist 中，我们需要注意其中节点的连接顺序，这些必须和.SUBCKT头中的节点顺序相匹配。Netlist头描述了每个管脚的功能，根据这些信息我们可以将其连接到原理图管脚，如：1(1)是同相输入，故需连接到原理图管脚3o原先的管脚映射和修改的管脚映射如图9：Schematic Ptft Model PmSchematic Pin M odd Pin5 (BAL)3 (IN*)2 (IN)6 (OUT)?(V+J4日勺8(NC1 (BAL)5(5)5 BAL3(3)3QN2(2)20 阴N oi Connected6 (UT)No! Connected7中)4(4)4 阿Not Connected8 NC)KU11 (BAL)Not Connectedmi2 2)5(5)3(3)4(4)Not ConnectedNot ConnectedOriginal pin mappingModified pin mapping之后点击OK”，完成自定义仿真模型的添加。3、放置有仿真模型的电阻电容放置电阻前，我们可以按 Tab ”键，打开元件属性窗口，设置电阻值；在Model列表中，选中Simulation "，点击EHt”，查看仿真模型属性。一般系统默认设置就是正确的，如果没修改过，应该有如图10属性：图10同理，放置电容的情况也一样，先设置电容值，再查看仿真模型属性，如图 11图114、放置电压源1) 首先放置VDD电源。使用Library ”面板的search功能，检索关键字VSRC” ；查找 到VSRC”之后，双击元件，若提示集成库未安装则安装，其集成库为SimulationSources .In tLib ”。2) 在放置元件前，按 “ TAE键，打开元件属性对话框，再编辑其仿真模型属性，先确保其 Model Ki nd "为 Voltage Source ” , “ Model Sub-Ki nd "为 DC Source ” 。3) 点击Parameters ”标签，设置电压值，输入“ 5V”并使能Component Parameter n , 之后点击OK,完成设置。如图12:Model KirdValueComponent pairamder0AC M agnitudeAC PhaseVDD <1> <2> 5V AC 0 0 N刘出 Ternplale Netlkt Pe*ie. k Model FikT7CanedSim Model - Voltage Source / DC Snirrceit-*i Parameters ； Port Map图124) 同理放置VSS,并设置其电压值为-5V”5) 最后添加正弦信号输入：同样是Simulation SourcesntLib中的VSRC,打开其仿 真模型属性对话框，设置 Model Kind "为Voltage Source "，而 Model Sub-Kind "设置为 Sinusoidal 55 o6) 点击Parameters "标签，设置电压值，可按如图13设置：Sim Model - Voltage Source / SinusoidalModel Kind ： Parameters 1 Port M 冲Compcnent p-xarr>ete(DC MagnitudeQ1AC Magnitude11AC Phe 转Q1Offset01Amplitude5Frequency50K1Deky01Damping RaduPhase1口DESIGNATOR N1 %2 ?”DC MAGNITUDE*|DC "DC MAGNITUDE"< L22HH!I>NelHH Tcm。匕加人 NEh3tp网ew 人 Model File /OKCancel224、仿真设置Miwe d Sii X点击Design ? Simulate ? Mix Sim "，或是点击工具栏中Toolbars ? Mixed Sim "调出）的图标，进入设置窗口。如图 14:（可通过View?图14按照图中显示设置好Collect Data For n , Sheets to Netlist ”和SimView Setup "等三个区 域，并且我们可以看到有一系列的信号在Available Signal ”中，这些都是AD计算出来并可以进行仿真的信号。如果我们想要观察某个信号，只需将其导入（双击此信号）到右边的Active Sig nal ”中；同理，若想删除 Active Sig nal ”中的信号，也可以通过双击信号实现。1、传输函数分析（包括傅立叶变换）设置15传输函数分析会生成一个文件，此文件能显示波形图，计算时间变化的瞬态输出（如电压,电流）。直流偏置分析优先于瞬态分析，此分析能够计算出电路的直流偏置电压；如果UseIni tial Co nditio ns ”选项被使能，直流偏置分析则会根据具体的原理图计算偏置电压。首先应该使能Transient Analysis”然后取消Use Transient Defaults"选项，为了观察到50Khz信号的三个完整波形，我们将停止时间设置为 60u ;并将时间增长步长设置为 100n,最大增长步长为200no最终设置如图15 :图152、交流小信号分析设置交流小信号分析的输出文件显示了电路的频率响应，即以频率为变量计算交流小信号的输出值（这些输出值一般是电压增益）。251) 首先我们的原理图必须有设置好参数的交流信号源(上面的步骤已经设置好)2) 使能 AC Small Signal Analysis”选项3) 然后根据图16输入参数：图16(注：如上图，开始频率点一般不设置为0,上图100m表示0.1HZ,结束频率点1meg表 示 1MHZ ； Sweep Type ”设置为Decade ”表示每100测试点以10为底数增长，总共有701个测试 点。)至此，交流小信号分析设置完成。AD进行此电路仿真分析时，先计算电路的直流偏置电压，然后 以变化的正弦输入代替原有的信号源，计算此时的电路的输出，输入信号的变化是根据Test Points "和Sweep Type ”这两个选项进行的。3、电路仿真与分析设置完成之后，就可以进行电路仿真一一点击“”图标。在仿真过程中，AD会将一些警告和错误信息显示在Message面板，如有致命错误可根据面板提示信息修改原理图；如果工程无错误，此过程还会生成一个SPICE Netlist (.nxs)文件，且此文件在每次进行仿真时都会重新生成。仿真分析结束会生成打开一个（ .sdf）文件，里面显示了电路的各种仿真结果（注：直流偏置最先执行），如图17:世 Altium IUesiAner - C:Prograin I iles! JUtiLrrnZEHM SP4!2xampJ!lesl>.Circiurt iimiulatrafikl ilterVDutAJpiLEer- self -friltrPRJP.P DKF Bte EditjgPreset! Tixjfc grttat 傀建 住由FiWMii2CiO4SF4lEsr-0-SCMKH3 0 助A吧诚NamJ irJi I SA岂电,J Flr tcrydficE二 t。顽EeiBgD力口一,二.Cu惶W1A IgF,I | .IL-H，一 1120C1 IOClOpClTl140010Mk/解日丽Hr Q )FrAyenty (HzJapbof-rd uh.牙 sffhkgcrKnar 遛 一 e-KrTckDo图171） 创建波特图波特图包括了增益和相位信息，我们可以根据交流小信号分析结果得到电路的波特图。首先右击上半部分坐标图的in ”信号，选择Edit Wave ”打开编辑波形对话框，然后选择左边的Magnitude （dB） ” 再点击 Creat ”按钮。如图 18:Edit lavefoeb冈Wave SetupwAvAormfsUNARY( JComplex FunctionsQ-MAjfWude *)MagrAude <fij ORealoO PhAe | D eg OPhase IR*d O BroupFunctionsExpre$sionNneDwte I Cancel图18同理，对输出增益，在上半部分的坐标图中右击，选择 Add Wave to Plot ",在弹出的对话框中Waveforms ”列表选择“out”号，并在右边的Complex Functions，列表选择Magnitude (dB)",然后点击Creat ”按钮，得到输入输出的增益图。之后重复上述步骤添加相位图，注意在 Complex Functions 列表选择Phase (Deg) ”，最 后结果如图19 :33FiEquencp (Hz25.00-25L00I I Lilli10.00H2PHASE(ri)PHASE(outj100.0 Ms I.OODkHsioo1C 0kHz 1.ODOM MsFrequencp |H2)图19(我们可以在同个坐标图上显示不同的Y轴，使不同的曲线对应不同的Y坐标只需在编辑或添加波形文件时，选中 Add ton ewY axis ”即可；若删除坐标轴，相应的曲线也会 删除，且在这模式下没有Undo功能，故误删的话需重新导入曲线。)2） 使用光标工具分析点击DB ( out) ”曲线，右击选择Cursor A ”再右击选择Cursor B ”打开两个测量光标，将光标按图20放置：Frequexy (Hz|图20再点击“Sim Data标签,可以看到此时B-A = 3,且光标B的频率为“20kHz”，如图21 :MeasurefnertNomeA DB(ou() B D8(out) 259L29-77.G43U20267k收08品B-AMinimum A . BMaHrnum A. BM eAsureni&nt2QC0?k -3-08C2*30363222 20uAverage A,. &720.54m图21故3dB点的频率为20kHzo2.2.5、参数扫描设置参数扫描功能使得我们能够让特定的元件在一个范围内变化；当然相应的交流、直流或瞬态 分析也要使能，才能观察相应的特性曲线或数据。具体步骤如下:22i)首先点击Id1图标，打开设置窗口，使能Parameter Sweep 2)接着选择首要扫描参数元件C2,更改参数；再使能第二参数扫描功能，选择更改参数；参数设置如图 22:图22设置好之后，点击Ok,进行电路仿真。仿真后的一些结果如图23,图24与图25：23c2(capacitance) 76.O0p. dcapaatancel 32 OOp (sweep 1 of 15)图23图24ouLpOI ouLpO?cu*_p04 outjiOS wLpO& e<007 ouLpQSTrhe(i)图25过击相应的曲线，相应的元件（电容）参数会在左下角显7J o43226、高级设置Advaneed Options ”设置页面包含一系列的内部 SPICE选项，这些选项会影响仿真计算速度，像错误容量和重复限制等。如图 26Analyses Setup女恒I”然/0由叫 6enal Setup Operating Point Ana匕羽工 T ranstent/Fouficf Analy球 5weep 4nalysi: AC Snwll Signal Ar3gts Moise Analysis PoteNeioAn 加* T ransfet Function Arvslyws Temperature Sweep Pdfamelei Sweep Mgte CadoAn泌二母EnaWed口Spice OptiorKOptionDescrptionDefGMINMiti allded 匕seh1。叫回1GMMSTEPSteps used in GM IM stepOJioyIMMTYMXI selectionNoneV 1ITL1DC opefatmg pent teration limit 0J100oITL2DC tMnsJef curve retahon Irrat OJ150yITUMift tfdh&ietM MMamlot SRCE20J42ITL4Mx bansient arwlysus tmepoinl dei&ians .-140QITL5Max Uan帘unt ondy就 ieralronfSPICE2)0J50coyAdvanced 0 pbonsleg同on nrhodtSpze Reletenee Net NameDi* lupplyVCC：Di厦目5up即VDD:Preferencm.。卜jCancel图26一般按着系统默认的设置就可以进行仿真，若想修改参数只需在相应的条目修改Value值即可。设置Integration method"从Trapezoidal至ij Gear,则计算时间变长，但仿真效果更好，若选择更高的GearII,效果更好，时间更长。2.2.7、使用SPICE Netlist进行仿真上文提到软件仿真时会生成SPICE Netlist (.nsx)文件，我们也可以根据这个文件进行电路仿真分析。我们也可以通过点击图标生成此文件，然后通过此文件进行仿真。设置更改时点击 Simulate ? Setup,进行仿真：Simulate ? Run 。原版的英文文件在安装目录的help文件夹中，命名为：TU0106 Defining & running CircuitSimulati on an alyses这里有个下载链接，也可以直接从这里下载： http:/dow nl oad.csd n.n et/source/2560653图13之后点击OK,设置完成，放置信号源。5、放置电源端口。1) 点击Place ? Power Port ”，在放置前按TAB ”键，设置端口属性。2)其中对于标签VDD和VSS,其端口属性为BAR”。3) 对于标签GND,其端口属性为Power Ground * 1 2 3 4 5,。4) 对于标签OUT (网络)，其端口属性为Circle ”6、连线，编译根据上面的原理图连接好电路，并在相应的地方放置网络标签，之后编译此原理图。