电子产品资深人士可能对SPICE仿真已经相当了解,但即便是一些老派的电子工程师在设计电路时,仍然依靠他们的直觉和经验。它们可能是在电子设计中使用最广泛的仿真工具,无论是用于PCB设计、集成电路设计,还是设计其他电气系统。但在更深层次上,什么是SPICE图,SPICE软件仿真是如何工作的,以及使用SPICE仿真器有哪些最佳实践呢?
如果你是SPICE仿真的新手,而且作为一名电子PCB设计师从未使用过仿真器,那么不用担心。你不需要成为电气仿真的专家,但知道如何使用SPICE仿真器以及如何解释结果,将帮助你准确地为许多应用设计。继续阅读,了解什么是SPICE软件仿真以及如何在设计中使用它们。
电路设计软件SPICE是一个首字母缩略词,代表带有集成电路重点的仿真程序,尽管这个仿真框架不仅仅可以用于集成电子电路设计。最初的伯克利应用程序被发布为开源,它构成了今天的SPICE仿真应用程序的基础。SPICE电子应用程序可以用来模拟许多模拟或混合信号电路的电气行为。许多数字仿真任务可以在基本的SPICE仿真应用程序中执行,更专业的SPICE程序模拟器可以运行数字电路的逻辑仿真。
在典型的SPICE仿真应用程序中可以执行一些基本分析。这些任务包括:
除了这些基本分析之外,不同的商业SPICE电子模拟器应用程序包括不同的功能、用户界面和命令。在商业应用程序中或作为在线开源程序找到的各种SPICE模拟器将有它们自己的前缀或后缀(例如,HSpice、LTSpice等)。尽管这些程序本身在用户体验和功能方面可能有很大不同,但它们都依赖于相同的基本算法来解决电路分析问题。
在创建SPICE电路模拟器图时使用的主要解决技术是节点分析。节点分析技术返回一个线性方程组(以矩阵形式书写),并使用矩阵运算来解这个系统。虽然这个算法可以手动实现简单电路,但在大型电路中,这个问题很快就变得难以处理。想象一个拥有100多个组件和类似数量的网络的电路;你将不得不解决一个巨大的矩阵方程,以确定这样一个电路中的电压和电流。
在为给定电路推导矩阵方程时,节点分析需要在电路图中定义节点,并为每个组件的电压降导出一组线性方程。在下面的图片中,我们有3个节点(标记为A、B和C)和GND作为参考节点。在节点分析中,“参考节点”意味着在节点处测量的电压是相对于GND测量的。实际上,你可以有多个参考节点,这相当于在不同电位上有多个电气隔离的地面。
在上述电路中,矩阵方程具有一般形式,这是相邻节点之间电压降的函数。换句话说,我们可以写出一个方程,这个方程是节点之间电压差异的函数(假设使用GND作为参考节点)和一组输入电压:
在这个矩阵方程中需要计算的电压(V)可以在频域中,或者它们可以是时间依赖的。通过对不同时间和频率迭代这个方程,可以计算每个节点的电压和电流。再次强调,你可以手动完成这个过程,但是一个集成的SPICE模拟器可以自动化这个繁琐的过程。
一旦你得到了这种形式的矩阵方程,通常使用一种称为高斯-约旦法的技术来简化这些方程,以便可以迭代求解。如果你想自己编码,可以在线查找这种方法的详细信息。然而,SPICE模拟器可以非常高效地进行高斯-约旦法中的重复计算。
如果您是一名PCB设计师,您可能更多地关注布线而不是仿真。然而,当今的PCB布局设计师还需要扮演电气工程师的角色,这意味着他们可能会花时间设计电路,并且需要对其电路进行仿真以确保其正常功能。如今的设计师甚至需要执行其他任务,如固件开发、制造准备、采购和机械设计。
最佳的PCB设计应用程序将集成您的SPICE仿真工具、PCB布局功能以及您所需的所有其他内容到一个单一的电子应用程序中。一旦您了解了什么是SPICE仿真,您就可以使用Altium Designer®中的完整设计工具集来设计和模拟您的SPICE电子仿真器图表的所有方面。然后,您可以将您的组件导入到一个空白的PCB布局中,而无需使用外部的原理图捕获工具。使用Altium Designer中业界最佳的设计工具,掌控您PCB的所有方面。
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Zachariah Peterson拥有学术界和工业界广泛的技术背景。在从事PCB行业之前,他曾在波特兰州立大学任教。他的物理学硕士研究课题是化学吸附气体传感器,而应用物理学博士研究课题是随机激光理论和稳定性。他的科研背景涵盖纳米粒子激光器、电子和光电半导体器件、环境系统以及财务分析等领域。他的研究成果已发表在若干经同行评审的期刊和会议论文集上,他还为多家公司撰写过数百篇有关PCB设计的技术博客。Zachariah与PCB行业的其他公司合作提供设计和研究服务。他是IEEE光子学会和美国物理学会的成员。
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