Altium-的电路仿真功能.docx

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一、电路仿真功能介绍

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 XSP ICE 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 diode 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。
Altium Designer可实现如下功能：

1、仿真电路建立及与仿真模型的连接

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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

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二、操作步骤
2.1、使用 Altium Designer 仿真的基本步骤如下：

1) 装载与电路仿真相关的组件库

2) 在电路上放置仿真元器件(该组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。
2.2、具体实现电路仿真的整个过程
、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 Schemati，c 创建一个原理图文件并保存。

、原理图展示

测试电路如图 1：

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图 1

、编辑原理图
1、放置有仿真模型的组件

根据上面的电路，我们需要用到元器件“LF411CN ”，点击左边“Librar标签，使用 sear
ch 功能查找 LF411CN 。找到 LF411CN 之后，点击“PlaceLF411CN ”，放置组件，若提示组
件库未安装，需要安装，则点击“yes”，如图 2：

图 2

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在仿真组件之前，我们可以按“TAB ”键打开组件属性对话框，在“Designato”r处填入 U1；
接着查看 LF411CN 的仿真模型：在左下角 Models列表选中 Simulatio，n 再点击“Edit”，可
查看模型的一些信息，如图 3。

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。

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图 4

点击“Netlisemplat 标签，可以查看网表模板，如图 5。

图 5

至此，可以放置此组件。

2、为组件添加 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','*',Fl行se搜)索；若想更具体些可填入： HasModel('
SIM','*LF411*',Fa。lse)

若我们不想让组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(. intl。ib)

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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“E xamples\CircuitSimulation F文ile夹r中，复制模型文件“LF411C.ck 到自己的工程文件夹 中，接下来的步骤：
1) 在 Projec面t板中，右击工程，选择“Add ExistingtoProjec”t ，将模型文件添加到本工 程中。
2) 双击组件 U1， 打开组件属性对话框， 在 Model 列表中选择 Simulatio，n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“Simulatio”n

4) 在 Model Sub-Kind中选择“SpiceSubcircut，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 ProjectOption 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像是否正确，确保原理图中组件管脚与模型文件中管脚定义相 匹配。点击“PortMap ”，如图 6：

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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_N
SC )相同。我们可以点击 Netlis emplate标签，注意到其模型顺序为 1， 2， 3， 4， 5；如
图 7：

图 7

这些和 Model File标签中的.SUBCKT 头相对应，如图 8：

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图 8

因此，在“PortMap ”标签中的“Model Pin”列表中，我们可以看到 1(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 Netlis emplate中的%1， %2 等)，
而 subcircu的it头则对应着小括号里面的数字。在 Spicenetlis中t ，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 3。

原先的管脚映射和修改的管脚映射如图 9：

图 9

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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，打开组件属性窗口，设置电阻值；在 Model 列表中，
选中“Simulatio”n ，点击“Edit”，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：

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图 11

4、放置电压源

1) 首先放置 VDD 电源。使用“Librar面板的 search功能，检索关键字“VSRC ”；查找 到“VSRC ”之后，双击组件，若提示集成库未安装则安装，其集成库为“SimulationSource
s.IntL b。

2) 在放置组件前，按“TAB ”键，打开组件属性对话框，再编辑其仿真模型属性，先确保 其“Model Kind”为“VoltageSource”，“Model Sub-Kind”为“DC Source”。

3) 点击“Parameter”s标签，设置电压值，输入“5V ”，并使能“Component Paramete，
之后点击 OK ，完成设置。如图 12：

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图 12

4) 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 SimulationSources.IntL中ib的 VSRC ，打开其仿真模型属 性对话框，设置“Model Kind ”为“ VoltageSource”，而 “Model Sub-Kind”设置为“S inusoid l。

6) 点击“Parameter”s标签，设置电压值，可按如图 13 设置：

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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”。

4) 对于标签 OUT (网络)，其端口属性为“Circl

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。

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、仿真设置

点击“Design Simulate Mix Sim”，或是点击工具栏中 (可通过“View

Toolbars Mixed Sim”调出)的 图标，进入设置窗口。如图 14：

图 14

按照图中显示设置好“CollectData For”，“Sheetsto Netlis”t和“SimView Setup”等三个
区域，并且我们可以看到有一系列的信号在“AvailableSigna ”l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“ActiveSigna”l中；同理，若想删除“ActiveSigna”l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

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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“U
se InitiaClondition”s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“Transiennalysi”s；然后取消“Use Transien efault”s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 200n。最终设置如图 15：

图 15

2、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)。

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1) 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 SignalAnalysi”s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 Point”s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 —— 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；

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如果工程无错误，此过程还会生成一个 SPICE Netlis .nx 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( .sd)f 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：

图 17

1) 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“EditWave ”，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：

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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”信号，并在右边的“Complex Function”s列表选择“M
agnitude(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 Function”s列表选择“Phase (Deg)”，最
后结果如图 19：

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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 to new Y axi 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“CursorA ”，再右击选择“CursorB ”，打开两个测
量光标，将光标按图 20 放置：

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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 2
1：

图 21

故 3dB 点的频率为 20kHz。

、参数扫描设置

参数扫描功能使得我们能够让特定的组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：

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1) 首先点击 图标，打开设置窗口，使能“ParameterSweep”

2) 接着选择首要扫描参数组件 C2，更改参数；再使能第二参数扫描功能，选择C1，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：

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图 23

图 24

图 25

点击相应的曲线，相应的组件(电容)参数会在左下角显示。

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、高级设置

“Advanced 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 26

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“Integratinethod”从 Trapezoida到l Gear，则计算时间变长，但仿真效果更好，
若选择更高的 Gear值，效果更好，时间更长。

、使用 SPICE Netlist 进行仿真

上文提到软件仿真时会生成 SPICE Netlis .ns 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 Setu 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 Circuit Simu

lation analyses