实验室新生成长指南[2.1.0]·电路仿真概述

欢迎进入《实验室新生成长指南》第二章:《硬件》

本篇是《实验室新生成长指南》第二章第一节第一篇:《电路仿真概述》

整个2·1节将帮助新手快速建立电路仿真的一些初步认识和相应软件的学习。

更多关于 《实验室新生成长指南》 的介绍,请前往《实验室新生成长指南[0]·绪论》

更多关于 《实验室新生成长指南》 的文章,请前往《实验室新生成长指南·目录》

[2.1.0]·电路仿真概述

电路仿真其实是现代EDA技术的一部分。通过对不同元器件的建模和计算机的帮助。我们可以在不需要实物的情况下,进行电路性能的分析。

通常来说,有以下几个模型被广为采用:SPICE、IBIS和Verilog-AMS、VHDL-AMS。

一般来说,本科生阶段,仿真模拟电路时,SPICE模型会用的更多一些,所以本文主要讲讲SPICE模型。至于IBIS,你可能会在一些数模混合的芯片的资料里见到它。Verilog-AMS有别于FPGA课上用的Verilog-HDL,前者用于处理模拟离散时间信号而后者用于处理数字信号。VHDL-AMS也是VHDL的一个分支,支持模拟、数字、数模混合电路系统的建模与仿真。

SPICE,不是spice,不是花椒大料小茴香。SPICE的全称是 Simulation program with integrated circuit emphasis。SPICE的网表格式变成了模拟电路和晶体管级电路描述的标准,其第一版本于1972年完成,是用Fortran语言写成的,1975年推出正式实用化版本,1988年被定为美国国家工业标准,主要用于IC,模拟电路,数模混合电路,电源电路等电子系统的设计和仿真。由于SPICE仿真程序采用完全开放的政策,用户可以按自己的需要进行修改,加之实用性好,迅速得到推广 。

常见的基于SPICE模型的仿真软件有:Multisim,TINA,Pspice,LTspice。

除此之外,很多半导体公司都有自己的免费仿真软件。其中,因为TI和Linear公司又有钱又是顶级的模拟芯片制造商,技术好还有钞能力,他们的TINA-TI和LTspice做的最好也最广为人知。另外因为一些历史原因,Multisim破解版在中国也有很多人用,不过BUG挺多的,元器件库还很老,建议大家还是别用了。

对于我们实验室而言,因为最常用的是TI公司的芯片,所以建议大家都学习一下TINA-TI的使用方法。

正如钱钟书说过:你吃着鸡蛋好吃,不必总想见见这只鸡。 对于初学者而言,不需要去了解SPICE语言具体的标准——因为半导体公司们早就帮你做好了模型,更应该关注的是如何有条理且高效的进行仿真。

当你执行一个电路仿真时,需要有明确的目的,即:电路的作用是什么,我应该用哪种仪器或者是仿真形式来更好的观察电路的性能和输出?比如一般软件都会有的直流分析:节点电压,支路电流;交流分析:频域上的观察结果;瞬态仿真。

然后需要仔细地思考,从知识,经验和推算来估算结果,在熟悉软件时期,我建议大家可以仿真明确而简单的电路,比如最简单的运放加法器电路,电路的结果一定完美的符合公式。仿真结果和预期的一样,那很棒。但如果仿真结果和预期的不一样,甚至出现报错,你就应该进一步研究“哪里出了问题”。至于软件报错,那就更简单了,把报错内容用搜索引擎搜一下,一定能找到结果的。通过这些被验证有用了几十年的电路,你很容易就可以上手一款新的仿真软件。

当然,许多仿真软件会有自己的readme/wiki,不要畏惧英语,那个是最详细的解答,软件本身还会带有example,copy一份到自己的工程目录,然后折腾个几个典型的电路,难道还会学不会吗?

而在尝试仿真自己的电路时,如果出现问题。不要盲目地尝试不同的方式,首先,尽你最大的努力去回答为什么仿真结果和预期的不一样。

也许,这仅仅是因为一个简单的疏忽,比如有个地方没有连接。但如果不是,它可能标志着你有一些错误的思想或者计算错误,从中你能学到更多的知识并且获得新的理解。比如你错误地使用了SPICE从而得到了一些离奇的结果,又比如这个软件自身存在着一些历史遗留的问题。对于初学者而言,最常犯的就是不知道SPICE仿真时必须要有一个参考地。

当然,仿真的结果与实物电路一定是有差距的。原因当然有很多,比如:

  • 没有考虑现实器件的制造工差
  • 没有考虑现实无源器件的寄生参数
  • Layout时引入寄生参数
  • 测试存在不规范

最后,送给大家一个电路仿真的黄金秘笈:多试试!试试又不会把电脑搞爆炸,初学阶段的犯错成本实在是太低了,珍惜这段时光,好好把坑都踩一遍。

了起

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注