Altium-Designer仿真.docx

Altium-Designer 仿真

Altium Designer 中的电路仿真

Altium Designer 中混合信号电路功能仿真
Altium Designer 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。 Altium Designer
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 Designer 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、 BJTs、 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。
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 Designer 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 Designer 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
1 ．直流工作点分析：直流工作点分析用在测定带有短路电感和开路电容电路的直流工作点。
在测定瞬态初始化条件时，除了已经在 Transient/Fourier Analysis Setup 中使能了 Use Initial

OutPut Node：指定输出噪声节点；
Reference Node：指定输出噪声参考节点，此节点一般为地(也即为 0 节点)，如果设置的是其
他节点，通过 V(Output Node)-V(Reference Node)得到总的输出噪声；
Sweep Type 框中指定扫描类型，这些设置和交流分析差不多，在此只作简要说明。 Linear 为线 性扫描，是从起始频率开始到终止频率的线性扫描， Test Points 是扫描中的总点数，一个频率
值由当前一个频率值加上一个常量得到。 Linear 适用于带宽较窄情况。 Octave 为倍频扫描，频
率以倍频程进行对数扫描。 Test Points 是倍频程内的扫描点数。下一个频率值由当前值乘以一
个大于 1 的常数产生。 Octave 用于带宽较宽的情形。 Decade 为十倍频扫描，它进行对数扫描。
Test Points 是十倍频程内的扫描点数。 Decade 用于带宽特别宽的情况。
通常起始频率应大于零；独立的电压源中需要指定 Noise Source 参数；
8 .Pole-Zero (临界点)分析：在单输入/输出的线性系统中，利用电路的小信号交流传输函数对极点或零 点的计算用 Pole-Zero 进行稳定性分析； 将电路的直流工作点线性化和对所有非线性器件匹配小信号模型。
传输函数可以是电压增益(输出与输入电压之比)或阻抗(输出电压与输入电流之比)中的任意一个。
参数设置

Input Node:正的输入节点
Input Reference Node:输入端的参考节点(缺省： 0 (GND))
Output Node:正的输出节点
Output Reference Node:输出端的参考节点(缺省： 0 (GND))
Transer Function Type: 设定交流小信号传输函数的类型； V(output)/V(input)- 电压增益传输函 数， V(output)/I(input)- 电阻传输函数
Analysis Type: 更精确的提炼分析极点
Pole-Zero 分析可用于对电阻、电容、电感、线性控制源、独立源、二极管、 BJT 管、 MOSFET
管和 JFET 管，不支持传输线。对复杂的大规模电路设计进行 Pole-Zero 分析，需要耗费大量时
间并且可能不能找到全部的 Pole 和 Zero 点，因此将其拆分成小的电路在进行 Pole-Zero 分析将
更有效。
9．传递函数分析(也称为直流小信号分析) ：传递函数分析将计算每个电压节点上的直流输入电 阻、直
流输出电阻和直流增益值。
参数设置

Source Name：指定输入参考的小信号输入源
Reference Node：作为参考指定计算每个特定电压节点的电路节点(缺省：设置为 0)
利用传递函数分析可以计算整个电路中直流输入、输出电阻和直流增益三个小信号的值。
10. 蒙特卡罗分析：蒙特卡罗分析是一种统计模拟方法，它是在给定电路元器件参数容差为统计分布规律 的情况下，用一组组伪随机数求得元器件参数的随机抽样序列，对这些随机抽样的电路进行直流扫描、直 流工作点、传递函数、噪声、交流小信号和瞬态分析，并通过多次分析结果估算出电路性能的统计分布规 律，蒙特卡罗分析可以进行最坏情况分析， AD6 的蒙特卡罗分析在进行最坏情况分析时有着强大且完备 的功能。
参数设置
Seed:该值是仿真中随机产生的。如果用随机数的不同序列执行一个仿真，需要改变该值(缺省： -1 )

Distribution ：容差分布参数； Uniform(缺省)表示单调分布。在超过指定的容差范围后仍然保持 单调变化； Gaussian 表示高斯曲线分布(即 Bell-Shaped 铃形)，名义中位数与指定容差有-/+3 的背离； Worst Case 表示最坏情况与单调分布类似，不仅仅是容差范围内最差的点。
Number of Runs:在指定容差范围内执行仿真中运用不同器件值(缺省： 5)
Default Resistor Tolerance:电阻器件缺省容差(缺省：10％)
Default Capacitor Tolerance:电容器件缺省容差(缺省：10％)
Default Inductor Tolerance:电感器件缺省容差(缺省：10％)
Default Transistor Tolerance: 三极管器件缺省容差(缺省：10％)
Default DC Source Tolerance: 直流源缺省容差(缺省：10％)
Default Digital Tp Tolerance: 数字器件传播延时缺省容差(缺省：10％)， 该容差将用于设定 随机数发生器产生数值的区间。 对于一个名义值为 ValNom 的器件， 其该容差区间为： ValNom – (Tolerance * ValNom)＜RANGE> ValNom+ (Toleance*ValNom)
Specific Tolerances:用户特定的容差(缺省： 0)，定义一个新的特定容差，先执行 Add 命令， 在出现的新增行的 Designator 域中选择特定容差的器件，在 Parameter 中设置参数值，在 Tolerance 中设定容差范围， Track No.即跟踪数(tracking number )用户可以为多个器件设 定特定容差。此区域用来标明在设定多个器件特定容差的情况下，它们之间的变化情况。如果两 个器件的特定容差的 Tracking No.一样，且分布一样，则在仿真时将产生同样的随机数并用于计 算电路特性，在 Distribution 中选择 uniform， gaussian， worst case 其中一项。每个器件都
包含两种容差类型，分别为器件容差和批量容差。
在电阻、电容、电感、晶体管等同时变化情况。但可想而知，由于变化的参数太多，反而不知道
哪个参数对电路的影响最大。因此，建议读者不要"贪多"，一个一个地分析，例如读者想知道晶
体管参数 BF 对电路频率响应的影响，那么就应该去掉其它参数对电路的影响，而只保留 BF 容
差。

11.参数扫描：参数扫描它可以与直流、 交流或瞬态分析等分析类型配合使用，对电路所执行的分析进行参
数扫描，对于研究电路参数变化对电路特性的影响提供了很大的方便。在分析功能上与蒙特卡罗分析和温
度分析类似，它是按扫描变量对电路的所有分析参数扫描的，分析结果产生一个数据列表或一组曲线图。
同时用户还可以设置第二个参数扫描分析，但参数扫描分析所收集的数据不包括子电路中的器件。
参数设置

Primary Sweep Variable:希望扫描的电路参数或器件的值，利用下拉选项框设定
Primary Start Value:扫描变量的初始值
Primary Stop Value:扫描变量的截至值
Primary Step Value:扫描变量的步长
Primary Sweep Type:设定步长的绝对值或相对值
Enable Secondary:在分析需要确定第二个扫描变量
Secondary Sweep Variable: 希望扫描的电路参数或器件的值，利用下拉选项框设定
Secondary Start Value: 扫描变量的初始值
Secondary Stop Value: 扫描变量的截至值
Secondary Step Value: 扫描变量的步长
Secondary Sweep Type: 设定步长的绝对值或相对值
参数扫描至少应与标准分析类型中的一项一起执行，我们可以观察到不同的参数值所画出来不一
样的曲线。曲线之间偏离的大小表明此参数对电路性能影响的程度。
12.温度扫描： 温度扫描是指在一定的温度范围内进行电路参数计算， 用以确定电路的温度漂移等性能指标。

参数设置
Start Temperature:起始温度(单位：摄氏度 C)
Stop Temperature:截至温度(单位：摄氏度 C)
Step Temperature:在温度变化区间内，递增变化的温度大小
在温度扫描分析时，由于会产生大量的分析数据，因此需要将 General Setup 中的 Collect Data
for 设定为 Active Signals。

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 5~8 的步骤，直至获得满意结果。 下面通过具体实例来介绍电路仿真的整个过程。
1， 运 行 Altium Designer， 选 择 File\Open Project…， 打 开 安 装 目 录 下 \Examples\Circuit
Simulation\Analog Amplifier\Analog Amplifier.PRJPCB 文 件 。 如 图 1 所 示 。

图 1 打开原理图文件
双击 Analog Amplifier.schdoc,进入电路图编辑环境， 如图 2 所示。右键点击 Analog Amplifier.schdoc， 在弹出菜单中选择 Compile Document Analog Amplifier.schdoc，检查文件是否存在错误，如有错误先
纠正。

图 2 编译文件
2，装载仿真库:
点击窗口右侧的工具栏 Libraries ,在弹出的窗口中选择 Libraries 。 3，简单介绍如何观察及修改仿真模型在电路图编辑环境下，双击元器件 U1，将会弹出如图 3 所示的器件 属性窗口，在窗口右侧能够看到其仿真模型，双击 Type 下的 Simulation，就能够调出关于该器件的详细
仿 真 模 型 描 述 见 图 4 。

图 3 器件属性

图 4 仿真模型
4，仿真模型设定好以后，需要设置仿真的节点，如图 5 所示为需要观察的节点添加网络标识编译该文件，
确 认 无 误 后 保 存 ， 然 后 保 存 工 程 文 件 ， 接 下 来 就 可 以 进 行 仿 真 了 。

图 5 仿真的节点 5 ，选择所需要的分析方法，点击每种分析方法，在窗口右侧会出现相应的仿真参数设置。
如图 6 所示。

图 6 仿真参数设置
6，参数扫描分析，参数扫描功能对于电路设计初期非常有帮助，能够节省大量的人为计算时间。如图 7
所示。

图 7 设置扫描参数。 7，修改仿真模型参数，在设计过程中，如果需要修改仿真模型参数，点击窗口左下方的 Projects 选项， 在如图 8 所示的窗口中，在 Analog Amplifier.PRJPCB 工程下双击 Libraries 下的 UA741.ckt 文件，即 进入仿真模型文件，在此文件中根据需要修改相应的参数值，然后保存，就可以进行下一次仿真了。

图 8 修改仿真模型参数

8，扫描参数， 输出仿真结果。 在如图 10 所示的仿真波形界面下， 在弹出的菜单中选择 Cursor A 和 Cursor
B，将会在波形上产生两个光标，拖动此光标就可以测量相关的数据，如图点击窗口左下角的 Sim Data
选项，在此界面下就能观察到实际的测量结果。还可以从其中挑选符合要求的图形，在波形下方将会对应
其参数值，如图 11

图 10 扫描结果输出

图 11 选择仿真参数