Altium Designer的電子電路仿真

宋 瑾

（蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇蘇州，215000）

Altium Designer的電子電路仿真

宋 瑾

（蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇蘇州，215000）

作為Protel的后續(xù)新版本，Altium Designer擁有非常強(qiáng)大的電子電路設(shè)計(jì)功能，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)原理圖的繪制、印制電路板的設(shè)計(jì)，還能進(jìn)行仿真。本文介紹了Atlium Designer的仿真設(shè)計(jì)流程，并舉例通過(guò)靜態(tài)工作點(diǎn)分析、瞬態(tài)分析、溫度掃描分析、參數(shù)掃描分析及交流小信號(hào)分析說(shuō)明軟件提高電路設(shè)計(jì)的能力。

Protel；Altium Designer；仿真

0 引言

現(xiàn)代電子電路的設(shè)計(jì)已進(jìn)入了電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）時(shí)代，采用仿真手段對(duì)電子產(chǎn)品進(jìn)行前期工作調(diào)試，不僅能縮短設(shè)計(jì)周期，還能節(jié)省設(shè)計(jì)費(fèi)用，因此，已經(jīng)成為一種發(fā)展的必然趨勢(shì)。Altium Designer作為Protel軟件的最新版本，是一款一體化的電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，在目前的EDA行業(yè)中是應(yīng)用較為廣泛的工具之一。本文主要以Altium Designer Summer09版本為例，介紹電子電路設(shè)計(jì)仿真分析的一般方法。

1 Altium Designer

Altium公司（前身為Protel International公司）由Nick Martin于1985年始創(chuàng)于澳大利亞塔斯馬尼亞州的首府霍巴特，致力于開(kāi)發(fā)基于PC的軟件，為印制電路板提供輔助的設(shè)計(jì)。2009年7月，Altium公司推出Altium Designer Summer 09版本，將硬件、軟件和可編程硬件集合在一個(gè)單一的環(huán)境中，其一體化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)令用戶(hù)可自由地探索新的設(shè)計(jì)構(gòu)想。

Altium Designer中的電路仿真是真正的混合模型仿真器，可以用于對(duì)模擬和數(shù)字器件的電路分析。仿真器采用由其喬治亞技術(shù)研究所（GTRI）開(kāi)發(fā)的增強(qiáng)版事件驅(qū)動(dòng)型XSPICE仿真模型。

2 Altium Designer的仿真設(shè)計(jì)流程

Atlium Designer軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，首先要編輯仿真電路原理圖，原理圖中每個(gè)元器件必須定義Simulation屬性。其次，設(shè)置仿真激勵(lì)源，以便在仿真過(guò)程中驅(qū)動(dòng)整個(gè)電路。然后在需要繪制仿真數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)處添加網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)，根據(jù)具體電路的仿真要求設(shè)置合理的仿真方式及仿真參數(shù)，最后，分析仿真結(jié)果。

Altium Designer支持的仿真分析方式有：靜態(tài)工作點(diǎn)分析、瞬態(tài)特性分析與傅立葉分析、直流傳輸特性分析、交流小信號(hào)分析、噪聲分析、零極點(diǎn)分析、傳遞函數(shù)分析、溫度掃描分析、參數(shù)掃描分析、蒙特卡羅分析共10種類(lèi)型。

3 Altium Designer的仿真分析舉例

3.1 靜態(tài)工作點(diǎn)分析

靜態(tài)工作點(diǎn)分析就是將電路中的電感視為短路，電容視為開(kāi)路，然后計(jì)算出電路中各節(jié)點(diǎn)對(duì)地電壓和各支路電流的過(guò)程。

以共發(fā)射極基本放大電路為例繪制仿真原理圖如圖1所示，圖中元器件三極管、電阻、電容均設(shè)置好Simulation屬性，添加合適的激勵(lì)源V1和V2，V1為10mV、1KHz的正弦信號(hào)，V2為+12V的直流電壓源，放置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)Vin、Vb、Vc、Vout。選擇仿真方式為靜態(tài)工作點(diǎn)分析（Operating Point Analysis），分析參數(shù)包括VB、VC、Q1[ib]、Q1[ic]、Q1[ie]。運(yùn)行仿真，馬上可以看到結(jié)果為q1[ib]=16.24uA，q1[ic]=2.915mA，q1[ie]=-2.931mA，vb=629.7mV，vc=4.13V。其中VB、VC分別為三極管B、C的對(duì)地電壓，Q1[ib]、Q1[ic]、Q1[ie]分別為三極管B、C、E所在支路的電流。

圖1 共發(fā)射極基本放大電路

3.2 瞬態(tài)分析

瞬態(tài)分析屬于時(shí)域分析，用于獲得電路中各節(jié)點(diǎn)對(duì)地電壓、支路電流或元件功率等信號(hào)的瞬時(shí)值，即被測(cè)信號(hào)隨時(shí)間變化的瞬態(tài)關(guān)系，相當(dāng)于在示波器上直接觀(guān)察各節(jié)點(diǎn)電壓（對(duì)地）信號(hào)的波形，這是一種最基本、最常用的仿真分析方式。

仿真原理圖如圖1所示，參數(shù)不變，選擇仿真方式為瞬態(tài)分析（Transient Analysis），分析圖1中Vin、Vout兩處信號(hào)，結(jié)果如圖2所示。Vin為電路輸入信號(hào)，如給定激勵(lì)源為1KHz、10mV的正弦波。Vout為輸出信號(hào)，同為正弦波，但相位與輸入信號(hào)相反，幅值為輸入信號(hào)的150倍。

圖2 瞬態(tài)分析結(jié)果

3.3 溫度掃描分析

一般來(lái)說(shuō)，電路中元器件的參數(shù)隨環(huán)境溫度的變化而變化，因此溫度變化最終會(huì)影響電路的性能指標(biāo)。溫度掃描分析就是模擬環(huán)境溫度變化時(shí)電路性能指標(biāo)的變化情況，因此溫度掃描分析也是一種常用的仿真方式。例如三極管是具有負(fù)溫度系數(shù)的，隨著溫度升高，是下降的。有些電阻也是與溫度有關(guān)的，正溫度系數(shù)的電阻隨著溫度升高，阻值升高；負(fù)溫度系數(shù)的電阻隨著溫度升高，阻值減小。如果用到這些元件，想知道環(huán)境因素變化對(duì)電路性能的影響，可以通過(guò)溫度掃描分析來(lái)得到。

仿真原理圖如圖1所示，基本參數(shù)不變，仿真方式選擇溫度掃描分析（Temperature Sweep）結(jié)合靜態(tài)工作點(diǎn)及瞬態(tài)分析，即分析當(dāng)溫度變化時(shí)，靜態(tài)工作點(diǎn)和輸出信號(hào)的變化。溫度掃描分析中設(shè)定起始溫度、終止溫度和步長(zhǎng)分別為-20、70和10。仿真結(jié)果如圖3所示，隨著溫度從-20變化到70，分析當(dāng)溫度分別為-20、-10、0、10、20、30、40、50、60、70這10個(gè)溫度時(shí)，靜態(tài)工作點(diǎn)ib、ic、Vc的變化值以及輸出信號(hào)的變化其中帶“_t01”為溫度-20℃時(shí)，“_t10”為70℃時(shí)。可以看出輸出電壓的幅值隨溫度的升高而增大，ib和ic都隨著溫度的升高而升高，vc隨著溫度升高而降低。

圖3 溫度掃描分析結(jié)果

圖1為共發(fā)射極基本放大電路電路簡(jiǎn)單，但當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，容易引起靜態(tài)工作點(diǎn)的不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)導(dǎo)致放大電路不能正常工作。因此通常采用改進(jìn)的分壓偏置式共發(fā)射極放大電路，可以改善溫度變化而導(dǎo)致靜態(tài)工作點(diǎn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象如圖4所示。

圖4 分壓偏置式共發(fā)射極放大電路

3.4 參數(shù)掃描分析

參數(shù)掃描分析用于研究電路中某一元器件參數(shù)變化時(shí)對(duì)電路性能的影響，常用于確定電路中某些關(guān)鍵元件參數(shù)的取值。

仿真原理圖如圖4所示，仿真方式選擇參數(shù)掃描分析（Parameter Sweep）結(jié)合瞬態(tài)分析。參數(shù)掃描方式中設(shè)定變化參數(shù)為Q1[bf]，即三極管的放大倍數(shù)。起始值、終止值及步長(zhǎng)分別設(shè)定為10、200、40，即分別計(jì)算Q1放大倍數(shù)為10、50、90、 130、170、200時(shí)電路的瞬態(tài)特性。仿真結(jié)果如圖5所示，隨著放大倍數(shù)的增加，輸出信號(hào)幅值也逐漸增加。

圖5 參數(shù)掃描分析結(jié)果

若其他參數(shù)不變時(shí)，也可以選擇R4為主掃描參數(shù)，結(jié)合靜態(tài)工作點(diǎn)分析，從集電極電位Vc的值，即可容易確定R4的最佳參數(shù)，因?yàn)橐话阋骎c的值近似為Vcc的一半。

3.5 交流小信號(hào)分析

交流小信號(hào)分析用于獲得電路的幅頻特性、相頻特性曲線(xiàn)。一般說(shuō)來(lái)，電路中的器件參數(shù)，如分壓式偏置共發(fā)射極放大電路中三極管放大倍數(shù)并不是常數(shù)，而是隨著工作頻率的升高而下降；另一方面，當(dāng)輸入信號(hào)頻率較高時(shí)，三極管間寄生電容，引線(xiàn)電感同樣不能忽略，因此在輸入信號(hào)幅度保持不變的情況下，輸出信號(hào)的幅度或相位總是隨著輸入信號(hào)頻率的變化而變化。

在交流小信號(hào)分析中結(jié)合參數(shù)掃描分析，能非常直觀(guān)地了解到電路中某一元件參數(shù)對(duì)電路幅頻特性的影響。

圖6 交流小信號(hào)分析結(jié)果

仿真原理圖如圖4所示，仿真方式選擇交流小信號(hào)分析（AC Small Signal Analysis）結(jié)合參數(shù)掃描分析，選擇發(fā)射極交流旁路電容C3作為主掃描參數(shù)，初始值、終止值及步長(zhǎng)分別取0.1uF、2uF和0.3uF，并將交流小信號(hào)分析參數(shù)起始頻率、終止頻率和測(cè)試點(diǎn)分別設(shè)定為1Hz、10KHz和1000，即可迅速了解到C3對(duì)放大器低頻特性的影響，如圖6所示。隨著電容的逐漸增大，下限頻率在逐漸減小。

4 結(jié)束語(yǔ)

Altium Designer軟件是一款一體化的電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，不僅可以進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)、印制電路板編輯、信號(hào)完整性分析等技術(shù)操作，還擁有強(qiáng)大的混合信號(hào)仿真器，能夠完成電子電路的仿真設(shè)計(jì)，使工程師在電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可以對(duì)原理圖進(jìn)行預(yù)先仿真，再進(jìn)行電路板印刷，不僅可以明確系統(tǒng)的各項(xiàng)性能，還能根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)生產(chǎn)，大大提高了設(shè)計(jì)的成功率和效率。

[1] 穆秀春、李娜、訾鴻.從Protel到Altium Designer[M].電子工業(yè)出版社，2011.

[2] 何麗紅、洪海山.基于Altium Designer的電子電路仿真設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò).2013(19):62-65.

Simulation of Electronic Circuit Based on Altium Designer

Song Jin
(School of Electronics & Information,Soochow University,Suzhou，215000,China)

As a subsequent version of the Protel,Atlium Designer has a very strong function of the electronic circuit design.This software can drawing schematic,editing PCB and simulating.We introduce the process and methods of simulation design,such as operating point analysis,transient analysis,temperature sweep,parameter sweep and AC small signal analysis,etc.So,this software can enhance the capacity of electronic circuit design.

Protel;Altium Designer; Simulation