作者：贾新章等
出版社：电子工业出版社
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电子线路CAD与优化设计——基于Cadence/PSpice试读：
前言
随着计算机技术的迅速发展，计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）技术已渗透到电子线路设计的方方面面。微型计算机的迅速普及，以及可用于微机系统的电子CAD软件的推出和不断完善，为CAD技术的推广应用创造了无比良好的条件。为保证电子线路和系统设计的速度和质量，CAD软件已经成为不可缺少的重要工具。电路和系统的相当一部分设计任务是采用在微机系统上运行的CAD软件完成的。离开CAD技术，很难圆满完成一个电路和系统的设计任务。
针对这一情况，我们于1992年出版了《电子电路CAD技术》、1994年出版了《电子线路CAD技术与应用软件》、1999年出版了《PSpice 9实用教程》。它们都是结合当时最新版本的Cadence/PSpice软件，来介绍CAD技术的。
在过去的十几年中，电子CAD技术又取得了很大的发展。Cadence/PSpice软件除了在模型和模型库、算法和计算精度、收敛性等方面有所改善外，2003年推出的Cadence/PSpice 10版本增加了高级分析（Advanced Analysis）模块，简称PSpice AA，拓宽了电路的灵敏度分析、优化设计、可制造性设计、可靠性设计等方面的功能，使得PSpice软件真正具有一部分EDA（Electronic Design Automation）的功能。Cadence/PSpice 10.5版本中又增加了SLPS（SL代表SimuLink、PS代表PSpice）模块，可以同时调用MATLAB/Simulink和PSpice对电路系统进行联合模拟仿真，使得模拟仿真精度接近单独调用PSpice进行电路级模拟的水平，而运行时间仅略大于单独调用Simulink进行行为级仿真所需要的时间。
针对上述情况，本书结合最新的Cadence/PSpice 16.6版本，详细介绍如何对电路进行模拟仿真验证，以及进一步进行优化设计。
本书共分8章。
第1章在简要介绍电子CAD技术的基本概念和OrCAD软件系统的结构组成与功能特点的基础上，对Cadence/PSpice软件的功能和发展情况做了比较全面的分析。
第2章以简单的单页式电路图为例，简要介绍如何调用Capture软件的主要命令生成电路图，为PSpice电路模拟做好准备。
第3章结合Cadence/PSpice软件的基本电路特性分析功能，介绍直流分析、交流小信号频率响应分析、瞬态特性分析、直流灵敏度分析、噪声计算、傅里叶分析、逻辑模拟和数/模混合模拟等技术的概念与模拟分析方法。
第4章介绍温度特性分析、参数扫描技术、蒙特卡罗分析（成品率计算）和最坏情况分析等统计模拟技术的原理与方法。
第5章介绍Cadence/PSpice软件中波形显示模块Probe的功能和使用方法，包括模拟结果波形的显示和分析处理、电路特性参数的提取、电路设计的性能分析与直方图绘制等。
第6章结合电路实例，介绍灵敏度分析、优化设计、可制造性设计、降额设计与热电应力分析的概念和基本原理，以及如何调用Cadence/PSpice软件的高级分析功能，完成这些分析和优化设计。
第7章涉及的是Cadence/PSpice软件的深入应用问题，包括相关中间文件和结果文件的格式与数据的调用、提取电路特性参数的Measurement函数编写、自定义降额因子文件的编写、改善收敛性的策略、电路模拟仿真过程中常见问题的分析与解决方法等内容。
第8章结合实例，介绍应用SLPS模块对电路系统进行MATLAB/Simulink和PSpice协同仿真的策略与实现方法，以及MATLAB和PSpice的数据交互问题。
本书在内容的组织和编写风格上具有下述5个特点：
1.本书在介绍电子线路CAD技术的基础上，进一步介绍了电路优化设计的概念、原理以及电路优化设计的实用技术，在国内同类教材和著作中这方面内容尚不多见。
2.本书结合目前在电子设计领域广泛使用的Cadence/PSpice 软件的最新版本16.6，介绍CAD和优化设计的基本原理与实现方法，具有很大的实用性。本书并不是软件电子文档的简单翻译，而是可以同时起到教材和用户指南的双重作用。
3.本书在介绍Cadence/PSpice 16.6软件的使用方法时，从基本概念入手，根据电路设计任务分类介绍相关命令的使用，并结合具体实例说明主要命令的使用步骤和注意事项，而不像一般的用户手册那样只是孤立地介绍一条条命令。
4.根据前三本书的经验，本书采用教材的编写风格，结合实例，深入浅出介绍基本概念和实用技术，还以“说明”、“提示”及“注意”的形式，强调说明容易出现的问题和解决方法。
5.为了方便读者上机练习，使用本书的读者可从下述网址下载PSpice 16.6的演示版软件及本书采用的电路实例：
http：//www.bjdihao.com.cn/cn/download/orcad-166-lite-download.html
本书由贾新章主编。编写得到Cadence/PSpice软件中国代理北京迪浩公司的大力支持，公司总经理黄胜利任审校，并参与编写了第2章。参加编写的还有游海龙（编写第3章、第4章）、高海霞（编写第8章）、张岩龙（参与编写了3.5节、4.3节、5.3.4节、第5章附录、6.6节，协助整理了前7章的图表以及前7章的实例运行验证）。贾新章编写其余章节并对全书进行统稿。
由于Cadence/PSpice16.6版本推出的时间不长，扩展的功能多，涉及面广，实用性强，加之编者时间仓促，水平有限，书中难免有不妥甚至错误之处，欢迎读者提出宝贵意见。
编者
于西安电子科技大学微电子学院
第1章 概论
本章在简要介绍计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）和电子设计自动化（Electronic Design Automation，EDA）基本概念的基础上，介绍Cadence/PSpice软件的组成和功能特点，并具体说明调用PSpice软件进行电路模拟和优化设计的流程、基本步骤以及需要注意的问题。
1.1 EDA技术和PSpice软件
1.1.1 CAD和EDA
电子线路设计，就是根据给定的功能和特性指标要求，通过各种方法，确定采用的线路拓扑结构以及各个元器件的参数值。有时还需进一步将设计好的线路转换为印制电路板版图设计。要完成上述设计任务，一般需经过设计方案提出、验证、修改（若需要的话）三个阶段，有时甚至要经历几个反复，才能使设计的电路较好地满足设计要求。
按照上述三个阶段中完成任务的手段不同，可将电子线路的设计方式分为人工设计、计算机辅助设计、电子设计自动化三种不同类型。
1.人工设计
如果方案的提出、验证和修改都是人工完成的，则称之为人工设计。这是一种传统的设计方法，其中设计方案的验证一般都采用搭试验电路进行多参数测试的方式进行。
人工设计方法花费高、效率低。从20世纪70年代开始，随着电子线路设计要求的提高以及计算机的广泛应用，电子线路设计也发生了根本性的变革，出现了CAD和EDA。
2.计算机辅助设计（CAD）
顾名思义，计算机辅助设计是在电子线路设计过程中，借助于计算机帮助设计人员快速、高效地完成设计任务。具体地说，就是由设计者根据要求进行总体设计并提出具体的电路设计方案，包括电路的拓扑结构以及电路中每个元器件的取值，然后利用计算机存储量大、运算速度快的特点，对设计方案进行人工难以完成的模拟评价、设计检验和数据处理等工作。发现有错误或方案不理想时，再重复上述过程。这就是说，CAD这一工作模式的特点是由人和计算机共同完成电子线路的设计任务。
3.电子设计自动化（EDA）
CAD技术本身是一种通用技术，在机械、建筑甚至服装等各种行业中均已得到广泛应用。在电子行业中，CAD技术不但应用面广，而且发展很快，在实现设计自动化（Design Automation，DA）方面取得了突破性的进展。目前在电子设计领域，设计技术正处于从CAD向DA过渡的进程中，一般统称为电子设计自动化（EDA）。
1.1.2 CAD/EDA技术的优点
采用CAD/EDA技术具有下述优点：（1）缩短设计周期。采用CAD/EDA技术，用计算机模拟代替搭试验电路的方法，可以减轻设计方案验证阶段的工作量。一些自动化设计软件的出现，更极大地加速了设计进程。另外，在设计印制电路板时，目前也有不少具有自动布局布线和后处理功能的印制电路板设计软件可供采用，将人们从烦琐的纯手工布线中解放出来，进一步缩短了设计周期。（2）节省设计费用。搭试验电路费用高、效率低。采用计算机进行模拟验证就可以节省研制费用。特别要指出的是，伴随着计算机的迅速发展和普及，微机级CAD/EDA软件水平的不断提高，这就可以在计算机硬件投资要求不大、CAD/EDA软件费用也不太高的前提下，促进CAD/EDA技术的推广使用。（3）提高设计质量。传统的手工设计方法只能采用简化的元器件模型进行电路特性的估算。通过搭试验电路板的方式进行验证，很难进行多种方案的比较，更难以进行灵敏度分析、容差分析、成品率模拟、最坏情况分析和优化设计等。采用CAD/EDA技术则可以采用较精确的模型来计算电路特性，而且很容易实现上述各种分析。这就可以在节省设计费用的同时提高设计质量。（4）共享设计资源。在CAD/EDA系统中，成熟的单元设计及各种模型和模型参数均存放在数据库文件中，用户可直接分享这些设计资源。特别是对数据库内容进行修改或增添新内容后，用户可及时利用这些最新的结果。（5）很强的数据处理能力。由于计算机具有存储量大、数据处理能力强的特点，在完成电路设计任务后，可以很方便地生成各种需要的数据文件和报表文件。
随着电子技术的发展，需设计的电路越来越复杂，规模也越来越大，在这种情况下，离开CAD/EDA技术几乎无法完成现代的电子线路设计任务。
1.1.3 Cadence/PSpice软件
在微机级CAD/EDA软件系统中，PSpice是对电路进行模拟仿真和优化设计的一款著名的软件系统。
迄今为止，该软件的发展经历了下述几个主要阶段。（1）SPICE软件：PSpice软件的前身是SPICE，其全称为Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis，即重点用于集成电路的模拟程序。最早的SPICE软件的推出背景是在20世纪70年代初，集成电路规模发展到以1K存储器为代表的大规模集成电路，这时继续采用人工设计这种传统方法已经很难较好地完成设计任务。在这种情况下，为适应集成电路CAD的需要，美国加州大学伯克利分校于1972年推出了SPICE软件，其基本功能是采用计算机仿真的方法模拟、验证由设计人员设计的电路，看其是否满足对电路功能和特性参数等方面提出的设计要求。1975年推出的SPICE 2G版达到实用化程度，得到广泛推广。（2）PSpice 1软件：SPICE 软件的运行环境至少为小型计算机。1983年，随着微型的个人计算机（PC）的出现和发展，美国的Microsim公司推出了可在PC上运行的PSpice 1软件，其名称中的第一个字母P就代表这是在PC上运行的SPICE版本。（3）OrCAD/PSpice：1998年Microsim公司并入OrCAD公司，推出OrCAD/PSpice 8。（4）Cadence/OrCAD/PSpice：2000年OrCAD公司并入Cadence公司，软件名称仍然称为Cadence/OrCAD/PSpice，版本号已发展到PSpice 9.2，其基本功能是对模拟电路（Analog）和数字电路（Digital）的功能特性进行模拟验证，因此PSpice软件又称为PSpice AD。本书第3章、第4章和第5章将详细介绍PSpice AD软件的功能和使用方法。（5）PSpice AA：2003年推出的Cadence/PSpice 10版本增加了Advanced Analysis（高级分析）功能，简称为PSpice AA。本书第6章将详细介绍PSpice AA软件的功能和使用方法。（6）SLPS：PSpice软件的功能特点是在“电路级”进行电路的模拟仿真，具有精度高的特点，但是也存在仿真过程耗时长的缺点。而MATLAB/Simulink软件的功能特点是在系统级层次进行“行为级”的模拟，因此仿真速度很快，但主要是功能验证，电路层次的特性参数信息较少。基于上述特点，Cadence/PSpice 10.5版本推出了SLPS模块，其中SL代表SimuLink，PS代表PSpice。SLPS模块的功能特点是对电路系统同时调用Simulink和PSpice进行协同模拟仿真，使得模拟仿真精度接近单独调用PSpice进行电路级仿真的水平，而模拟仿真需要的时间仅略大于单独调用Simulink进行“行为级”仿真所需要的时间。本书第8章将详细介绍SLPS模块的功能和使用方法。（7）PSpice 16.6：目前PSpice软件的最新版本是2012年10月推出的版本PSpice 16.6，重点在模型、算法、收敛性方面做了很大改进。
经过近30年的发展和应用，Cadence/PSpice实际上已成为微机级电路模拟的“标准软件”。[1][2][3][4][6]
本书将结合最新的Cadence/PSpice 16.6 ，详细介绍该软件的各种主要功能和使用方法，同时结合实例说明使用技巧以及在使用过程中需要注意的问题，以保证软件的正确使用并发挥更大的作用。
提示：PSpice软件是基于英文操作系统推出的电路模拟和优化设计软件。在中文Windows操作系统下运行时，有时会出现对话框中部分项目参数的英文名称显示不完整的现象，但是对模拟仿真结果没有任何影响。
1.2 PSpice软件的功能特点
本节从PSpice软件的组成、主要模块的功能、配套软件、支持的元器件种类和信号源类型等方面说明Cadence/PSpice软件的功能特点。
1.2.1 PSpice软件的主要构成
PSpice软件包括的主要模块如图1-1所示。图1-1 PSpice软件组成和调用流程
由图可见，调用PSpice软件完成电路模拟和优化设计要涉及4个软件模块：（1）Capture：绘制电路图；（2）PSpice AD：对电路进行模拟仿真；（3）Probe：查看、分析模拟结果；（4）PSpice AA：对通过了模拟验证的电路进一步进行灵敏度分析、优化设计，以及可制造性和可靠性分析验证。
1.2.2 调用PSpice进行电路设计的工作流程
一般情况下，在设计电子线路过程中参照图1-2所示的工作流程，按照本节介绍的顺序，就可以比较好地完成电路设计任务。图1-2 调用PSpice软件进行电路设计的流程
用户也可以根据需要，单独调用其中的单个工具完成相应的单项工作。
1.调用Capture工具将用户设计的电路图送入计算机
为了调用PSpice软件对设计的电路进行模拟验证，进而改进设计，必须向PSpice提供待分析电路的全部信息，如拓扑结构、元器件参数值等，同时还要说明电路特性分析类型、设置分析参数并提出结果输出要求。早期的SPICE和PSpice软件要求用户按规定格式将上述内容编制成一份输入文件。这一工作不但繁杂，且极易出错，当电路规模较大时，这个问题更加严重。从PSpice 5开始，增添了电路图绘制软件Capture。采用Capture后，用户就可以采用人机交互图形编辑方式，在屏幕上绘制好电路原理图，设置好分析参数，然后在Capture环境下调用PSpice继续完成电路模拟。
为了方便读者使用PSpice软件，本书第2章介绍调用Capture生成PSpice 需要的电路图的方法。
2.调用PSpice AD对设计的电路进行模拟验证
PSpice AD中的AD代表Analog and Digital，表示采用PSpice AD可以对模拟信号电路、数字电路，以及数模混合信号电路进行模拟分析。PSpice AD可分析的电路特性有6类14种，如表1-1所示。第3章和第4章将详细介绍PSpice AD的模拟分析功能。表1-1 PSpice AD分析的电路特性
3.调用Probe模块分析电路模拟结果
PSpice模拟分析的直接结果是节点电压和支路电流，结合利用Probe模块可以从下述4个方面显示、分析模拟仿真的结果，验证电路设计是否满足设计要求。（1）可以像示波器那样直接显示电压和电流波形，以及对波形进行数学计算处理。具体使用方法将在5.1～5.3节详细介绍。（2）电路特性参数的提取：调用Probe提供的多种Measurement函数，可以从波形中提取出表征电路特性的参数，例如增益、带宽、中心频率、上升时间等。用户还可以根据需要，遵循规定的格式，自行编写可以提取特定参数的Measurement函数，添加到Probe模块中。5.4节将详细介绍Probe提供的多种Measurement函数的功能特点，以及用户自行编写Measurement函数的方法。（3）电路性能分析：Probe模块具有Performance Analysis功能，其作用是定量分析电路特性随元器件参数的变化关系，有利于改进电路设计。这是一种面向设计的功能。5.5节将详细介绍Performance Analysis的功能特点，以及在使用中需要注意的问题。（4）电路特性参数分布的直方图统计：根据设计好的电路进行实际生产时，由于采用的元器件参数具有分散性，必然引起产品电特性的分散。在Probe中可以用直方图显示产品性能的分布。这是一种面向生产的设计，又称为成品率分析、可制造性设计。5.6节将详细介绍如何生成直方图，以及进行成品率分析过程中需要注意的问题。
4.调用PSpice AA/Sensitivity模块进行灵敏度分析
在电路设计已满足基本要求的情况下，为了进一步完善电路设计，首先运行PSpice AA高级分析工具中的Sensitivity工具进行灵敏度分析（参见6.2节），鉴别出电路设计中哪些元器件的参数对电路电特性指标起关键作用。在电路设计和生产过程中，以及采用其他几种高级分析工具时，就可以重点对这些“灵敏”元器件，有针对性地采取有效措施。
Sensitivity工具还同时计算极端情况下的电路特性，包括最坏情况下的电路特性及最好情况下的电路特性。
5.调用PSpice AA/Optimizer模块进行优化设计
完成灵敏度分析后，就可以针对灵敏度高的几个关键元器件参数，调用Optimizer工具（参见6.3节），对电路进行优化设计，优化确定电路中关键元器件的参数值，以满足对电路各种性能目标的要求。作为电路性能目标的要求，可以是增益、带宽、延迟时间等表征电路特性的参数值，还可以采用特性曲线（如频率响应曲线）作为优化目标。
6.调用PSpice AA/MC模块进行可制造性设计
通过优化设计，可以改善电路的特性参数。在提交生产之前，还应该调用Monte Carlo工具预测生产成品率，进行可制造性设计（参见6.4节）。
说明：高级分析中的Monte Carlo分析工具的作用与PSpice AD中MC分析（参见4.3节）的功能相同，但是在结果数据分析和显示方面进行了明显的改进，而且解决了PSpice AD中MC分析过程中存在的元器件参数分布标准偏差与元器件容差之间不匹配的问题。
7.调用PSpice AA/Smoke模块进行可靠性分析
通过MC分析，使得电路设计满足批量生产的要求后，还应该调用Smoke工具，分析电路中是否存在有可能受到过应力作用的元器件参数（参见6.5节）。电路工作时，如果有些元器件承受过大的热电应力作用，将影响元器件的可靠性，甚至会导致元器件烧毁“冒烟”（Smoke）。为了预防这种情况的发生，PSpice AA工具中Smoke模块的作用就是对电路中的元器件进行热电应力分析，检验元器件是否由于功耗、结温的升高、二次击穿或者电压/电流超出最大允许范围而存在影响电路工作可靠性的应力问题，并及时发出警告。如果在电路设计中采用了“降额设计”技术，调用Smoke工具可以检验电路中的关键元器件是否满足规定的“降额”要求。
如果全部通过了上述4种高级工具的分析，则说明电路设计不但具有优越的电路特性，而且适合于批量生产，具有较高的生产成品率和使用可靠性。
1.2.3 PSpice的配套功能软件模块
OrCAD软件包中进行电路模拟分析的核心软件是PSpice。为使模拟工作做得更快、更好，OrCAD软件包中还提供了配套软件（模块）。它们之间的相互关系如图1-3所示。图1-3 PSpice与配套软件模块
1.激励信号波形编辑软件模块（StmEd：Stimulus Editor）
在对电路特性进行分析时，瞬态分析和逻辑模拟分析需要的输入激励信号波形各不相同。StmEd软件就是一个激励信号波形编辑器，可以交互方式生成电路模拟中需要的激励信号波形。包括：（1）瞬态分析中需要的脉冲、分段线性、调幅正弦、调频和指数信号等5种信号波形；（2）逻辑模拟中需要的时钟信号、各种形状脉冲信号以及总线信号。
2.模型参数库与模型参数提取软件模块（ModelEd：Model Editor）
PSpice包括了3万多种商品化的元器件模型参数，存放在近100个模型参数库文件中，基本能满足一般用户模拟分析电路特性的需要。
如果用户采用了未包括在模型参数库中的元器件，PSpice提供有4种建立模型和提取模型参数的方法，供用户选用。[5]（1）对于晶体管一类器件，可以调用PSpice/Model Editor模块以及高级分析中的Optimizer模块，提取模型参数。（2）对于变压器等磁性元件，可以调用PSpice/Magnetic Parts [7]Editor，建立模型，提取模型 参数。（3）对于集成电路（如PWM），可以调用Model Editor模块建立宏模型，描述该集成电路功能。（4）对于特殊器件（如光耦器件），可以调用ABM（Analog [2]Behavioral Modeling），建立描述该器件功能的“黑匣子”模型，满足电路模拟仿真的要求。
1.2.4 PSpice支持的元器件类型
1.PSpice支持的6类元器件
PSpice可模拟下述6类最常用的电路元器件：（1）基本无源元件，如电阻、电容、电感、互感、传输线等。（2）常用的半导体器件，如二极管、双极晶体管、结型场效应晶体管、MOS场效应晶体管、GaAs场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管（IGBT）等。（3）独立电压源和独立电流源。可产生用于直流（DC）、交流（AC）、瞬态（TRAN）分析和逻辑模拟所需的各种激励信号波形。（4）各种受控电压源、受控电流源和受控开关。（5）基本数字电路单元，包括常用的门电路、传输门、延迟线、触发器、可编程逻辑阵列、RAM、ROM等。（6）常用的单元电路。常用的单元电路，特别是像运算放大器一类的集成电路，可将其作为一个单元电路整体出现在电路中，而不必考虑该单元电路的内部电路结构。
2.PSpice规定的元器件编号字母代号
PSpice为不同类别的元器件赋予了不同的字母代号，如表1-2所示。在电路图中，不同元器件编号的第一个字母必须符合表中规定。表1-2 PSpice支持的元器件类别及其字母代号（按字母顺序）（续表）
1.2.5 PSpice支持的信号源类型
对电路进行模拟分析时输入端可以施加的激励信号源包括下述几种。
1.模拟信号电路仿真中可以使用的信号源（1）直流电流/电压源。（2）用于交流小信号分析的标准交流电流/电压信号源。（3）用于瞬态分析用的电流/电压信号源只能是脉冲源、分段线性源、正弦调幅信号、正弦调频信号、指数信号共5种。3.5.4节将详细介绍这些信号波形的设置方法。
说明：有些特殊信号也可以转化为PSpice所支持的波形格式。例如，采用MATLAB生成的噪声信号，就可以采用分段线性信号描述格式转化为供PSpice瞬态分析时的输入信号。
2.数字电路仿真中可以使用的信号源（1）时钟信号。（2）一般脉冲信号源，包括高电平信号和低电平信号。（3）总线信号，包括2位、4位、8位、16位和32位共5种总线信号。
1.2.6 电路模拟的基本过程
采用OrCAD EDA软件系统PSpice对电路设计方案进行电路模拟的基本过程共分6个阶段（见图1-4）。本书依据这一流程安排各章的内容。图1-4 电路模拟基本过程
1.新建设计项目（Project）
OrCAD软件包对电路设计任务按项目（Project）实施管理。开始一个新的项目设计时，首先要调用OrCAD/Capture软件中的项目管理模块建立相应的项目名称，并确定有关的设置。本书2.1.1节和2.1.4节将介绍项目管理的基本概念与管理方法。
2.电路图生成
项目名确定后，就应该在电路图绘制软件OrCAD/Capture环境下，以人机交互方式将用户确定的电路设计方案以电路原理图形式送入计算机。绘制电路图的具体方法将在第2章中介绍。
3.电路特性分析类型和分析参数设置
生成电路图以后，需根据电路设计任务确定要分析的电路特性类型并设置与分析有关的参数。PSpice采用了模拟类型分组（Simulation Profile）的概念。3.1.2节将介绍这一概念的含义、作用和设置步骤。本书第3章和第4章将详细介绍与各种特性分析相关的Simulation Profile设置方法。
4.运行PSpice程序
完成上述3项工作后，即可调用PSpice AD程序对电路进行模拟分析（参见第3章和第4章）。还可以进一步调用PSpice AA（参见第6章）对通过了模拟验证的电路进行灵敏度分析、优化设计，以及可制造性和可靠性分析验证，提升电路设计水平。
5.模拟结果的显示和分析
完成电路模拟分析后，PSpice按照电路特性分析的类型分别将计算结果存入扩展名为OUT的ASCII码输出文件以及扩展名为DAT的二进制文件中。分析这两个文件的内容，可以确定电路设计是否满足预定要求。本书第5章将详细介绍调用PSpice/Probe模块显示和分析模拟结果信号波形的方法。
6.设计结果输出
经过上述几个阶段，得到符合要求的电路设计后，就可以调用OrCAD/Capture输出全套电路图纸，包括各种统计报表（如元器件清单，电路图纸层次结构表等）。也可以将电路模拟分析过程中产生的中间结果数据和最终结果数据存放在多种格式的输出文件中，供用户采用其他软件工具对结果数据做进一步分析处理（详见第7章）。此外，还可以根据需要将电路设计图数据传送给OrCAD/Layout或Allegro，继续进行印制电路板设计。
1.3 运行PSpice的有关规定
1.3.1 PSpice采用的数字
在PSpice 中，数字采用通常的科学表示方式，即可以使用整数、小数和以10为倍数的指数。采用指数表示时，字母E代表作为倍数的10。对于比较大或比较小的数字，还可以采用10种比例因子，如表1-3所示。表1-3 PSpice中采用的比例因子
例如，1.23K、1.23E3和1230均表示同一个数。
提示：PSpice软件不区分大小写字母，因此PSpice软件规定，若-36用单个字母M，不管大、小写，都代表10。要表示10必须用MEG共三个字母，这与常规习惯有些不同，在使用中稍有不慎，将会出现错误。例如在交流小信号分析中，要指定100兆赫兹的频率，必须用100MEG，若按平时习惯表示为100M，则PSpice将其理解为100毫赫兹。
1.3.2 PSpice采用的单位
PSpice中采用的是实用工程单位制，即时间单位为秒（s），电流单位为安培（A），电压单位为伏（V），频率单位为赫兹（Hz）……在运行过程中，PSpice 会根据具体对象，自动确定其单位。因此在实际应用中，代表单位的字母可以省去。例如，表示470千欧姆的电阻时，用470K，4.7E5，470KOhm等均可。对于几个量的运算结果，PSpice也会自动确定其单位。例如，若出现电压与电流相乘的情况，PSpice将自动给运算结果确定单位为描述功率的单位“瓦特”（W）。
1.3.3 PSpice中的运算表达式和函数
在使用PSpice过程中，往往要使用很多表达式。PSpice中的表达式由运算符、数字、参数和变量构成。
在构成表达式时，可采用的运算符如表1-4所示。表1-4 PSpice中采用的运算符
在运行PSpice的过程中，可引用的函数式如表1-5所示。表1-5 PSpice支持的函数（按字母顺序）（续表）注1：TABLE函数的功能是将所有点（x，y）（i=1，2，…，n）连成一条折线，函数值是折线上与xii对应的y值（当MIN（x）≤x≤MAX（x），i=1，2，…，n）；如果x大于MAX（x）（i=1，2，…，n），则iii函数值是折线上与MAX（x）对应的y值；如果x小于MIN（x）（i=1，2，…，n），则函数值是折线上ii与MIN（x）对应的y值。i注2：表中的函数适用于电路模拟。在显示和分析模拟结果信号波形时，可采用的函数式与此不完全相同。
1.3.4 电路图中的节点编号
在电路模拟分析过程中，元器件的连接关系是通过节点号表示的，指定输出结果电压时，也要采用两个节点编号表示这两个节点之间的电压。如果要表示某个节点与参考点地之间的电压，则代表接地点的参考点编号0可以省略。
PSpice接受的节点号可以采用下面4种形式：（1）由用户设置的节点名称（见2.2.8节）。（2）绘制电路过程中采用Place→Power绘制的电源符号名（见2.2.3节）、采用Place→Off-Page Connector绘制端口符号确定的名称（见2.2.4节）。（3）用元器件的引出端作为节点号名称。其一般形式为
元器件编号：引出端名
其中，元器件编号是该元器件在电路图中的编号，其第一个字母必须是代表该元器件类型的关键字符（见表1-2），如R5，CLOAD，Q2等。
对二端元器件，用1和2作为两个引出端名称。
对独立电流源和电压源，用+和-作为两个引出端名称。
对多端器件，双极晶体管的基极、集电极、发射极和衬底4个引出端名称分别采用字母B、C、E和S。例如V（Q2：C）代表电路图中编号为Q2的双极晶体管的集电极与地之间的电压。
场效应晶体管中，源极、漏极和栅极名称分别采用字母S、D和G。若有衬底引出端，则采用字母B。
对于按层次关系设计的电路图（Hierarchical Design）（见2.1节），在上述节点名称和元器件编号的前面还必须给出其在层次电路图中的层次名称，层次名称之间用小数点符号隔开。单页式电路图或多层次电路图中位于最上层（根层次）电路的节点名称和元器件编号的前面无须加电路层次说明。（4）用数字编排的节点序号。在生成电路连接网表文件时，PSpice将给每个节点编排一个数字编号，并将节点数字编号与上述几种节点名的对应关系存放在以ALS为扩展名的文件中。
1.3.5 输出变量的基本表示格式
PSpice完成电路特性分析以后，代表分析结果的输出变量基本分为电压名（包括两个节点之间的电压或者节点与参考点地之间的电压、元器件引出端与参考点地之间的电压或两个引出端之间的电压）以及电流名（包括流过两端元件的电流或流过多端器件某一引出端的电流）两类。
1.电压变量的基本格式
如果输出变量是一个电压，则电压名的基本格式为
V（节点号1[，节点号2]）
其中V是关键字符。在其后括号内指定两个节点号，表示输出变量是节点号1与节点号2之间的电压。若输出变量是某一节点与地之间的电压，则节点号2可省去。
上述格式中，节点号可以采用1.3.4节所述的4种形式。
2.电流变量的基本格式
如果输出变量是一个电流，则电流名的基本格式为
I（元器件编号[：引出端名]）
对于两端元器件，不需要给出引出端名。
需要指出的是：电路模拟分析结果中，电流计算值的正负与元器件引出端编号顺序有直接的对应关系。按PSpice规定，对无源两端元件，电流定义方向是从1号端流进，2号端流出；对于独立源，从正端流进，负端流出；对于多端有源器件，电流正方向定义为从引出端流入器件。
3.功率变量的基本格式
如果输出变量是一个功率，则功率名的基本格式为
W（元器件编号）
新版本的PSpice增加了对元器件功率的仿真，因而可以直接选择功率变量。通过元器件两端的电压与流过这个元器件的电流相乘也可以得到功率。
提示：如前所述，PSpice计算的电流和电压对应有规定的参考方向，因此在利用电压与电流相乘的方法计算功率时，要保证电压和电流极性的正确选取，即采用的电流是从电压高处流向电压低处，否则会导致功率的计算结果出现负值。
1.3.6 输出变量的别名表示（Alias）
用元器件编号及其引出端名表示的输出变量以及交流小信号（AC）分析中的所有输出变量，除可以采用上述基本表示格式外，还具有“别名”（Alias）表示形式。
1.交流小信号（AC）分析中的输出变量名
对AC分析，输出变量格式可变化为
即在基本格式中的关键词V和I后面，可以加一个表示AC分析输出量类型的标示符字母。表1-6给示了可采用的5种AC标示符及其含义。如果AC分析的输出变量关键词仍采用V或I而未加AC标示符，那么其含义与采用AC标示符M的作用相同，即表示输出变量的振幅（或称为模值）。表1-6 AC分析中变量名标示符
2.用元器件引出端名表示的输出变量
如果输出变量中的节点号采用元器件编号及引出端名表示，可将括号中的引线名称放在关键词V和I后面，在括号内只保留元器件编号名。具体情况为：（1）表示两端或多端元器件某一引出端上的电压时，可将该引出端名称放于关键词V的后面，在括号中只保留元器件编号名。
例如，V（R1：1）可表示为 V1（R1）；V（Q2：C）可表示为 VC（Q2）。（2）表示两端器件两端的电压变量时，可以省去两个引出端号，直接在括号中给出元器件名。
例如，V（R1）表示电阻R1两端的电压。（3）表示多端元器件中某两个引出端之间的电压时，可将两个引出端名称放在关键词V的后 面，在括号中只保留多端器件编号名。
例如，VBC（Q2）表示双极晶体管Q2的基极和集电极之间的电压。（4）表示流过多端元器件某一引出端的电流时，可将该引出端名放在关键词I后面，在括号中只保留多端器件编号名。
例如，I（Q2：C）和IC（Q2）均表示流过双极晶体管Q2集电极的电流。
对于交流小信号（AC）分析，经上述变化的关键词后面还可以加表1-6所示的各种AC标示符。
第2章 电路图绘制软件Capture
在调用PSpice软件对电路进行模拟仿真和优化设计之前，需要采用Capture软件生成电路图。Capture软件不但可以绘制各种类型的电路图（包括模拟电路、数字电路以及数/模混合电路），而且可以对电路设计图进行各种后处理，包括进行电学规则检查、生成多种格式要求的电连接网表和多种报表。本章主要针对PSpice模拟仿真的需要，介绍生成电路图过程中与电路模拟相关的问题，包括设计项目的建立和管理、电路图的绘制和元器件属性参数的编辑修改、软件运行环境参数的设置等内容。
2.1 电路图绘制软件Capture介绍
本节简要介绍Capture软件的结构、功能特点、调用方法以及电路图的绘制步骤和相关的命令系统等。
2.1.1 OrCAD/Capture软件的构成
OrCAD中电路图绘制软件分Capture和Capture CIS两个系列。两者的差别只是后者包括 CIS 模块。按功能划分，Capture CIS软件的构成如图2-1所示。图中还表示了该软件与外部的联系关系。图2-1 Capture CIS软件的构成
图2-1中元器件库（Library）是一个库文件，提供绘制电路图过程中需要的各种元器件符号。下面简要介绍图2-1所示Capture CIS软件中5个模块的功能。
1.元器件信息管理模块（CIS）
CIS是ComponentInformation System的缩写，表示元器件信息管理系统。CIS模块不但有助于元器件的使用和库存实施高效管理，而且还具有互联网元器件助理ICA（InternetComponent Assistant）功能，可以在设计电路图过程中，通过Internet到指定网点提供的元器件数据库中查阅元器件，从而可以将需要的元器件应用到电路设计中，或添加到 OrCAD符号库中。本书主要介绍Capture软件的相关应用。关于CIS所特有的功能参见参考资料[8]和[11]。
2.设计项目管理模块（Project Manager）
在OrCAD软件包中，将一项设计任务当做一个项目（Project），由项目管理器（Project Manager）对该项目涉及的电路图、模拟要求、相关的图形符号库和模型参数库、有关输出结果等实施组织管理。同时还处理电路图与OrCAD中其他软件之间的接口和数据交换，管理各种设计资源和文件。在2.1.4节将介绍Project Manager窗口的结构和功能。
3.电路图绘制模块（Page Editor）
Capture的基本功能是生成各种类型的电路设计原理图，这一任务是由绘图模块Page Editor完成的。本章后面几节将详细介绍电路图的绘制和编辑修改方法。
4.电路设计的后处理工具（Processing Tools）
对设计好的电路图，Capture CIS软件中还提供有一系列后处理工具，对电路图中的元器件进行自动编号、电学设计规则检查、生成各种统计报告以及生成供几十种其他CAD软件调用的电连接网表文件。绘制好电路图后，为了生成满足PSpice仿真要求的电连接网表文件，相关的后处理工作由PSpice软件自动完成，无须用户干预。如果在处理过程中发现电路图绘制中存在问题，软件将显示出错信息。因此，就绘制供PSpice模拟需要的电路图而言，用户无须调用后处理工具。Capture软件中后处理工具的使用方法可参见参考资料[1]和[11]。
5.元器件符号编辑和建库模块（Part Editor）
Capture CIS软件提供的元器件符号库中包括有3万多种常用的元器件符号，供绘制电路图调用。同时软件中还包括有元器件符号编辑模块Part Editor，可以对符号库中元器件符号图形进行编辑修改，或者添加新的元器件图形符号。本教材主要介绍电路模拟软件PSpice的使用，调用Part Editor编辑修改元器件符号图形的方法可参见参考资料[1]和[11]。
2.1.2 OrCAD/Capture软件的功能特点
OrCAD/Capture CIS软件的基本功能是进行电路原理图设计，并生成供其他CAD软件调用的电连接网表文件。在完成这些功能方面，该软件具有下述主要特点：
① 电路图绘制软件Capture与电路模拟软件PSpice集成在一个软件包中。完成电路设计后，即可以在同一个运行环境下直接调用Cadence/PSpice软件，对电路进行模拟分析。
② Capture软件的运行环境是典型的Windows图形界面，直观形象，使用方便。在屏幕上可以同时打开多个窗口，显示同一个项目中不同部分的内容。
由于Capture 和PSpice都是在Windows环境下运行的，其界面结构等也与Windows的界面类似，因此除要求使用PSpice的用户应具有一定的电子线路知识外，还要求用户熟悉并掌握Windows的使用方法，包括在Windows下调用应用程序，了解Windows中的文件管理，会操作鼠标，能使用图标、命令菜单、对话框、帮助文件等。对这些基本操作，本书将不做具体解释。
③ OrCAD软件包对电路设计采用项目管理的模式，不但引导电路图的绘制，而且还延伸管理对电路图的模拟仿真和印制电路板（PCB）设计。与同一个电路设计相关的电路原理图、模拟仿真和印制电路板设计中采用的参数设置、设计资源、生成的各种文件、分析结果等相关内容均以设计项目（Project）的形式统一保存，这有助于对设计的有效管理。
④ 调用Capture绘制的各种电路图可以采用单页式（One Page）、拼接式（Flat Design）和分层式（Hierarchical Design）这三种电路结构形式，符合当前电路和系统设计的潮流。
⑤ 在绘制电路图时，具有各种方便灵活的绘图和编辑功能，其中包括：对选中的一个或一组电路元素进行删除、复制、移动、旋转、镜像等处理，并在移动时保持电连接关系不变；用不同倍率显示电路图，可以采用多种方式查找电路元素；对绘图操作具有撤销（Undo）、恢复（Redo）和重复执行（Repeat）等功能。
⑥ 在电路图中可以绘制起说明作用的多种几何图形、添加文字字符、插入Bitmap格式图形（包括公司标志图形）。
⑦ 可以采用多种方法修改元器件的属性参数及其显示方式，包括以对话框方式修改单项属性参数，在属性参数编辑器窗口中以交互方式按类型逐类修改属性参数等。用户还可以为元器件添加由用户自定义的属性参数。
⑧ OrCAD/Capture软件的元器件库文件中包括有3万多种常用的元器件符号，同时还包括有元器件的特性参数模型和封装信息。采用软件中提供的Part Editor模块，可以修改库文件中的图形符号或添加新的元器件。
⑨ 可以对绘好的电路图进行各种后处理，包括对电路中的元器件自动编号或修改编号、设计规则检查、元器件属性参数批处理、元器件统计信息报表输出，以及电连接网表文件生成等，供多种CAD软件调用。对于与PSpice模拟相关的后处理，则由Capture自动进行，无须用户干预。
⑩ 绘好电路图后，可以生成DXF格式文件，供AutoCAD软件调用。也可以用EDIF200格式与其他软件交换设计结果。
⑪ 用户可以按语法规定，将经常采用的多步绘图操作编成“宏”（Macro），加速绘图进程。用户可以对宏进行新建、复制、修改、创建快捷方式等多种处理。
⑫ 为了保证软件的广泛适用性，软件提供了对不同习惯或标准的支持。例如，尺寸单位可以选用公制（毫米）或英制（英寸），相应图纸幅面等级也采用两种不同单位制下的规定。
2.1.3 基本名词术语
绘制电路图时将涉及许多英文名词术语。如果不明确这些术语的确切含义，将难以顺利完成电路图的绘制。在这些英文名词中，有些名词含义很清楚，例如Wire（互连线）、Bus（总线）、Power（电源）、Part（元器件）、Part Pin（元器件引线）等，无须解释说明。但仍有相当一部分名词术语，其含义不很直观。其中有些英文术语尚无公认的中文名词。为了叙述方便起见，本书根据这些术语的基本含义，赋予了相应的中文名称。下面简要介绍部分常用名词术语的含义。每个名词后面括号中的英文术语是在命令菜单或对话框中出现的相应英文名称。有些专业性很强或者使用范围并不大的名词术语，将在以后各章节相应部分作出解释。
1.与电路设计项目有关的名词术语
① 设计项目（Project）：与电路设计有关的所有内容组成一个独立的设计项目。设计项目中包括有电路图设计、配置的元器件库、采用的设计资源、生成的各种结果文件等。存放设计项目的文件以opj为扩展名。
② 电路图设计（Schematic Design）：指设计项目中的电路图部分。根据所绘电路图的规模和复杂程度的不同，Capture绘图软件支持单页电路图、拼接式电路图和分层式电路图这三种结构。整个电路图设计存放在以dsn为扩展名的文件中。
③ 单页电路图设计（One-page designs）：若所绘电路图规模不大，可将整个电路图绘制在同一张图纸中，这种电路图称为单页图纸结构。
④ 拼接式电路图设计（Flat designs）：如果电路图规模较大，可以将整个电路图分为几个部分，每个部分用一张图纸绘制，各张图纸之间的电连接关系用端口连接器（Off-page connector）表示。不同电路图纸上具有相同名称的端口连接器之间在电学上是相连的。
⑤ 分层式电路图设计（Hierarchical designs）：对较大规模电路的另一种处理方法是采用分层结构，对应于设计一个复杂系统时通常采用的自上而下的设计方法。采用这种方法时，首先用框图形式设计出总体结构，存放总体结构图文件的子目录称为根图纸目录（root schematic folder）；然后分别设计每一个框图代表的电路结构。每一个框图的设计图纸中可能还包括下一层框图……按分层关系将子电路框图逐级细分，直到最底一层完全为某一个子电路的具体电路图。
按调用关系的不同，分层电路图结构又细分如下。
● 简单分层式电路设计（Simple hierarchical designs）：不同层次子电路框图内部包含的各种子电路框图或具体子电路都不相同，即每一个子电路框图或子电路只被调用一次。
● 复合分层式电路设计（Complex hierarchies）：某些层次框图中含有相同的子框图或子电路。这些相同的部分用一个子电路框图表示，该子电路框图在多处被调用。
说明：由于本书重点介绍PSpice的应用，因此本章只结合单页图纸结构介绍电路图的生成方法。关于拼接式和分层式设计的电路图生成方法，可参阅参考资料[1]和[10]。
⑥ 一幅电路图页（Schematic Page）：绘制电路图的一页图纸。
⑦ 一个层次电路图（Schematic Folder）：指分层式电路图结构中同一个层次上的所有电路图。一个层次电路图可以包括一幅或多幅电路图页。
⑧ 电路设计专用元器件符号库（Design Cache）：电路设计中，主要从Capture符号库（Library）调用元器件符号。完成电路设计后，将自动生成一个由该设计中采用的各种元器件符号组成的只适用于该电路设计的符号库，称为Design Cache。该符号库与相应的电路设计一起保存。
2.关于电路图组成元素的名词术语
① 电路图基本组成元素（Object）：指绘制电路图过程中通过绘图命令绘制的电路图中的最基本组成部分，如元器件符号、一段互连线、结点等。
② 结点（Junction）：在电路图中，如果要求相互交叉的两条互连线在交叉点处电学上连通，则应在交叉位置绘一个粗圆点，该点称为结点。
③ 元器件编号（Part Reference）：为了区分电路图上同一类元器件中的不同个体而分别给其编的序号。例如，不同的电阻编号为R1、R2等。
④ 元器件值（Part Value）：指表征元器件特性的具体数值（如100Ω）或器件型号（如7400、2N2222、μA741）。对每个器件型号，都有一个模型描述其功能和电特性。
⑤ 端口连接器（Off-page Connector）：指一种表示连接关系的符号。同一层次电路的不同页面电路图之间以及同一页电路图内部，名称相同的端口连接器在电学上是相连的。
⑥ 节点别名（Net Alias）：电路中电学上相连的互连线、元器件引出端等构成一个节点（Net），或者称为网络。用户为节点确定的名称就称为该节点的Net Alias。
⑦ 图纸标题栏（Title Block）：描述电路图相关信息的“表格”。
⑧ 电路元素的属性参数（Property）：指描述电路元素各种信息的参数。其中直接由OrCAD软件赋给的属性参数称为固有参数（Inherent Property），例如元器件值、封装类型等。由用户添加的属性参数称为用户定义参数（User-defined Property），例如在电路模拟过程中由用户设置的参数。
⑨ 图幅分区（Grid Reference）：为了便于确定电路元素在电路图中的位置，可以在图纸的X和Y方向划分几个区，分别用字母和数字作为每个区的代号。图纸中各个位置可以用其所在的字母数字分区编号表示。
说明：用通常的X、Y坐标值虽然可以比较精确地表示图纸中的位置，但是由于坐标值划分太细，有时使用起来并不如采用图幅分区方便。
⑩ 标签（Bookmark）：用于代表电路图中某个特定位置而在该位置设置的标签代号。代表标签代号的字符并不显示在电路图上。
2.1.4 电路图生成的基本步骤
调用Capture软件生成电路图包括下述8个步骤。
1.调用Capture软件
OrCAD是一个应用软件包，Capture是其中的一个软件。因此可以采用Windows中应用软件的调用方法启动Capture软件。图2-2为Capture启动后的窗口。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]