用Protel99SE实现模拟电路的分析与设计

    关键词：EDA  Protel99SE  电路仿真  模拟电路  

1 引言

        EDA(Electronic Design Automation)是未来技术发展不可阻挡的潮流，Protel公司最新推出Protel99SE是开创桌面EDA的新纪元，它不仅在绘制原理图、PCB板布局布线等方面功能更加完善，而且为用户提供了功能强大，使用方便的电路仿真器，它可对所设计的电路原理图进行模拟、分析、验证，即时的反映所设计电路的性能。这与实验室里使用一系列电子元件和测试仪器才可完成的电路验证相比，这种电路仿真的技术即省时又经济，而且还可避免实验中发生的各种损坏和事故。

2 Protel99SE这种EDA软件所具有的仿真分析功能

        Protel99SE提供了模拟/数字混合仿真，其仿真引擎使用伯克利分校的SPICE3f5/xspice，它可以精确的仿真由各种元器件构成的电路。对于复杂的数字器件，Protel99SE允许使用一种特殊的描述性语言(Digital SimCode),设计者可通过它建立相应的数字器件模型，以供Protel99SE仿真使用。它所执行的分析功能有：

        (1)静态工作点分析(Operating Point): 

    静态工作点分析可用于分析直流稳态电路和交流放大电路的静态工作点。选择合适的静态工作点是交流放大电路进行正常工作的前提。 

        (2)直流扫描分析(DCS)： 

    直流扫描分析是直流转移特性分析，允许设置两个扫描变量，通常第一个扫描变量(主源)所覆盖的区间是内循环，第二个扫描变量(次源)扫描区间为外循环。 

        (3)交流小信号分析(AC Small Signal): 

    交流小信号分析是一种线性领域分析，仿真程序将首先分析计算电路的直流工作点，以确定电路中非线性元件的线性化模型参数，然后在设计者指定的频率范围内，对变换后的线性化电路进行频率扫描分析。

        (4)瞬态分析(Transient Analysis):

    瞬态分析是一种非线性时域分析方法，它可以在给定激励信号(或无任何激励)的条件下，计算电路的时域响应。它类似于利用示波器观察各节点电压或电流的波形。瞬态分析时，电路的初始状态允许设计者自行指定。

        (5)温度扫描分析(Temperature Sweep): 

    温度扫描分析是指在一定温度范围内进行电路参数计算，从而确定温度漂移等性能指标。它不能单独使用，必须在瞬态分析、直流扫描分析或交流小信号分析时，才允许使用温度扫描分析。

        (6)傅立叶分析(Fourier Analysis): 

    傅立叶分析是在大信号正弦瞬态分析时，对输出的最后一个周期波形进行谐波分析。一个周期为T的函数g(t)可用如下的傅立叶级数表示：

        (7)噪声分析(NOISE)：

    噪声分析可通过绘制噪声谱密度图，以确定电阻噪声和半导体噪声对噪声特性的影响。噪声谱密度按每赫兹噪声强度绘制，系统能够计算下列噪声：输入噪声、输出噪声和器件噪声。

        (8)传递函数分析(Transfer Function)： 

    传递函数分析是在直流工作点的基础上，在电路直流偏置附近将电路线性化，从而计算电路的输入阻抗，输出阻抗以及直流增益。

        (9)蒙特卡罗分析(Monte Carlo)： 

    蒙特卡罗分析是一种统计模拟方式，它是在给定电路元器件参数容差的统计分布规律的条件下，用一组组伪随机数求得元件参数的随机抽样序列。对这些随机抽样的电路进行直流、交流小信号、瞬态分析，并通过多次分析的结果估算出电路性能的统计分布规律以及电路的合格率、成本等等。 

        (10)参数扫描分析(Parameter Sweep): 

    参数扫描分析允许设计者在指定的范围内，以自定义的增幅扫描元件的参数值，它可以与其它分析方法配合起来使用，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。

    另外，Protel99SE还可以方便对波形进行多种函数运算，如：求平方、正弦、对数、导数、反相等。

3 软件的使用方法

    下面以测试三极管输出特性以及温度对三极管输出特性的影响和分析一个共射极放大电路为例来介绍本软件在模拟电路中的分析和设计。 

3.1 测试三极管输出特性以及温度对三极管输出特性的影响

        (1)连接电路原理图：打开Protel99SE软件，进入绘制电路原理图编辑器环境下，载入仿真元件库SIM_DDB，在原理图编辑窗口放置元件并设置好元件的仿真参数，画导线并放置节点，得到如图1所示测试三极管输出特性的电路。

        (2)执行菜单命令“Tools/ERC”对电路原理图进行电气法则测试，无错误的情况才能进行仿真。

        (3)执行菜单命令“Simulation/setup”，选中DC Sweep，并完成DC Sweep的页面设置如图2，其中Start Value、Stop value、Step value分别设置扫描的初始值、结束值和扫描步长。

        (4)设置结束后，单击按钮，即可得到图3所示三极管输出特性的波形，从图中可知，三极管的输出特性分成三个区；截止区、饱和区、放大区。

        (5)分析Ib=20uA时三极管输出特性和温度的关系。电路如图1，设置V1为2.635V，执行菜单命令“Simulation/Setup”，选中DC Sweep和Temperature Sweep,并完成对它们的页面设置，设置方法类似于图2。进行仿真时得出温度对三极管输出特性影响的波形如图4，从图中可知，当温度上升时，输出特性曲线会上涨。

2.2 分析共射极放大电路的静态工作点、放大倍数、频率响应

        (1)绘制电路原理图的方法类似于例1，得如图5所示电路，进行“Tools/ERC”测试无误后，允许进行仿真。

      (2)执行菜单命令“Simulation/Setup”，选中静态工作点分析、瞬态分析、交流小信号分析。对瞬态分析和交流小信号分析的页面进行设置，设置方法类似于图2，设置完成后单击进行仿真。

        (3)静态工作点分析：当把放大器的输入信号短路(即图5中IN直接接地)，则放大器处于无输入状态，称为静态。静态工作点分析主要是查看发射极和集电极的静态电压和静态电流。在用计算机分析之前，可以先估算一下流经Re的电流。设三极管Q1的be两端压降为0.7V，则Ub=Rb2/(Rb1+Rb2)*Vcc=10/(10+20)*12=4V,Ie=(Ub-0.7)/Re=(4-0.7)/1k=3.3mA。计算机分析结果如图6所示，计算机分析得到流经Re的电流为3.250mA，所得结果和估算差不多，同时计算机还分析其他器件上的静态值，供设计者参考。

        (4)瞬态分析：对此电路瞬态分析，可确定其交流放大倍数。瞬态分析结果如图7所示，从图中可知输入交流信号IN的初相位为0、幅度为1mV，输出交流信号OUT的初相位为180度、幅度为75.7mV可从图中显示测量光标A中读取，因此本电路的放大倍数为75.7倍、输入信号与输出信号的相位相反。 

        (5)交流小信号分析：在进行交流小信号分析之前，必须保证电路中至少有一个交流电源的AC属性域设置为一个大于零的值(在本电路中设置激励源V1的AC属性域为1mV)。对于交流小信号分析，Protel99SE的X轴比例可以是线性或对数，Y轴可以方便地查看同一输出变量的一个或两个交流分析输出类型。如图8所示中的输出信号OUT的X轴比例为对数、Y轴分别为幅度和角度。为了衡量放大器的频率响应，规定放大倍数下降0.707Aum(Aum从图7可知为75.7)即53.52时所对应的两个频率分别称为下限频率和上限频率。从图8显示测量光标A中可知，其下限频率为679HZ。如果单击相频响应，则光标移到相频响应上，测量光标显示为，从中可知在下限频率时对应的相位差为-130.40度，这与估算在下限频率处的相位差为-135度相符；在中频区，输出信号与输入信号相位相差180度，即相位相反。

    另外，对本电路还可以利用传递函数分析求它的输入、输出电阻，利用温度扫描分析来分析温度对放大倍数的影响等。

4 结论

    利用Protel99SE进行电路设计并可以根据电路的结构和元件参数进行仿真，从而快速、方便、精确的评价电路设计的正确性，节省大量时间和费用，同时还可以进行传统方法难以进行或无法进行的蒙特卡罗分析、噪声分析等，进一步提高电路设计的性能。

参考文献