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模擬

電子電路模擬基礎

何謂SPICE

近年來,利用軟體進行模擬的技術已經在電子電路的設計和評估中得到廣泛應用。這其中也是有諸多原因的。例如,隨著運行和訊號的高速化,加上電子元件的小型化和表面安裝趨勢等,傳統使用麵包板的評估方式已經越來越不實際。然而,能簡便且迅速地確認運行情況和特性、以幾乎最佳的條件進入實際評估、減少試製次數等研發成本和週期等,都是研發工作中非常重要的關鍵。為了對應這種情況並滿足相關需求,電子元件製造商紛紛提供模擬用的元件資料,並推出很多被稱為“模擬器”的模擬軟體。

在此針對幾款較為普及、且有提供免費版本的SPICE的模擬軟體,針對導入方法等基礎知識進行說明。

何謂SPICE?

SPICE是電子電氣電路模擬器之一,是由美國加州大學柏克萊分校(University of California, Berkeley)於1973年研發出來的。SPICE是由Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis(積體電路用模擬程式)的第一個字母所組成的簡稱。當時的主要目的是對運算放大器等IC、電晶體、二極體、電阻、電容等模擬電路工作進行模擬。

SPICE在研發到SPICE3(1985年)之後,以SPICE為基礎進行改善,並新增功能的產品開始被運用於商業用途。如今已經眾所周知的PSPICE,是MicroSim公司*發售的第一個商用SPICE,使在大型電腦上運行的SPICE可以用於個人電腦。*MicroSim公司與OrCAD公司合併,之後OrCAD公司被Cadence公司收購。PSPICE已成為Cadence公司的設計支援工具OrCAD的一部分。

主要的模擬軟體

主要的商用模擬軟體如下。這些軟體基本上都是以電路工作模擬為目的,所以彼此非常相似,但在GUI(圖形使用者介面)則多少有些差異。在性能和規格方面,收斂演算法、可用模型和所使用的元件數上限等有不同之處,有些軟體也提供有限制的免費版。

名稱 供應商 摘要
OrCAD Cadence Design Systems公司 含Pspice。有免費版
LTSpice Analog Devices公司(原LTC) 完全免費。與Pspice模型相容
SIMetrix SIMetrix Technologies公司 有免費版。與Pspice模型相容
Hspice Synopsys公司 多用於IC研發
Spectre Cadence Design Systems公司 多用於IC研發
ADS Keysight Technologies公司 可進行機板級的雜訊模擬
Eido Mentor Graphics公司 IC設計

※上述公司名和產品名為各公司的商標或註冊商標。

工作機制

下面簡單介紹一下模擬器的工作機制。

一般情況下,首先輸入要模擬的電路圖。由於模擬器中提供了電晶體、IC、電容、二極體、電阻、電感等零件(模型),所以選擇相應零件並連接它們。這和平時繪製電路圖的感覺一樣。

電路完成後,僅需點擊執行模擬按鈕,即可執行所設定的模擬工作。在圖例中,創建用來“將Pch-MOSFET的閘極GND接地,在汲極以0.1V/Step外加0~10V的電壓,監測此時MOSFET中流動的電流”的電路圖,並獲得電流值圖表作為執行結果(左側藍色箭頭所指流程)。

表面上看來是這樣的操作,但實際上創建的電路圖被轉換為稱為“Netlist”的元件與電路、將模擬條件等所有資訊轉換為原始程式碼。然後,模擬器根據Netlist來計算電路,即進行模擬並輸出資料。此時,每0.1V的電流值被存儲為數值。基於該資料,使用圖表功能輸出圖表(黃色箭頭所指流程)。

下面是與上例不同的模擬器,是相同內容模擬的Netlist範例。詳細過程將另行說明,所以在這裡只需對網表中的內容有初步印象即可。

下一篇文章將介紹模擬軟體的下載方法,讓大家可以先試著用看看。

重點:

・軟體模擬在電子電路的設計和評估中應用廣泛。

・利用軟體模擬,可簡單且迅速地實施評估,並可減少開發成本和週期。

・可取得Spice的各種模擬器。


SPICE模型下載