第3章 CHAPTER 3 高频电子线路仿真与设计 本章引入虚拟仿真软件，完善高频电子线路的实验。虚拟仿真实验突破时间、空间限制，而且能观察更多的节点电压、电流波形。在简要介绍仿真软件的基础上，介绍了与第2章单元功能电路对应的电路仿真实验。 3．1软件简介 3．1．1概述 LTspice是一款高性能SPICE仿真软件、原理图采集和波形查看器，集成增强功能和模型，简化了模拟电路的仿真。宏模型也包括在LTspice下载中，适用于大多数ADI开关稳压器、放大器以及用于通用电路仿真的器件库。 ADI公司官方网站提供最新版本的LTspice仿真软件，在官方网站检索LTspice即可找到LTspice下载界面。软件下载界面如图3．1．1所示。 图3．1．1LTspice下载界面 3．1．2界面介绍 安装完成之后，启动LTspice后，如图3．1．2所示，界面分为四个区域，分别是菜单栏、工具栏、操作区、状态栏。 菜单栏： 刚启动的菜单栏只有File、View、Tools、Help四个菜单项，如图3．1．2所示。 图3．1．2LTspice启动窗口 工具栏： 只有创建新的设计，才能激活大部分工具栏图标，当图标为灰色时，该工具在当前状态下不能使用，如图3．1．3所示。 图3．1．3LTspice工具栏 操作区： 在创建电路绘制窗口、电路符号设计窗口之后才能使用。 状态栏： 在电路绘制窗口，将显示光标所在位置的器件或网络名称。在执行仿真之后的波形显示窗口，状态栏将显示光标所在位置的横坐标、纵坐标信息。 3．1．3电路绘制 绘制电路图时注意以下原则： (1) 至少需要一个GND(节点名=0)。 (2) 节点只有GND的电路，不能进行仿真。 (3) 不可并联没有内阻的电压源，即使有相同的电压值，也不可并联。 (4) 在没有分路的闭合电路网中，不能串联电流源。即使有相同的电流值，也不可串联。 绘制电路图。 第一步： 创建新的电路设计图。选择File→New Schematic→New Schematic菜单命令(快捷键为Ctrl+N)，打开输入电路图用的空白板，默认设定为稍亮的灰色表格，如图3．1．4所示。也可单击工具栏的图标。 第二步： 添加器件。选择Edit→Component菜单命令(快捷键为F2)，打开Select Component Symbol的窗口，如图3．1．5所示，也可单击工具栏的图标。打开器件库，如图3．1．6所示。常用无源器件，如电阻、电容、电感、二极管、地等可通过工具栏的图标添加。 图3．1．4“New Schematic”的图标和按钮 图3．1．5添加器件 图3．1．6器件库 第三步： 布局布线。根据设计的电路图，使用图标挪动器件，放置相应的元件器到合适的位置，然后使用图标连线。 第四步： 选择器件类型和设置器件参数，如图3．1．7所示。右击待定电阻，出现电阻参数配置对话框，配置电阻值、误差、功率等参数，配置完成后单击OK按钮。单击Select Capacitor选项，进入图3．1．8所示的实体参数电阻型号选择对话框，查找所需型号。 图3．1．7电阻参数配置 图3．1．8实体参数电阻型号选择 在电阻、电容、电感参数填写时，应注意单位的词头符号，在LTspice中不区分大小写字母，所以106使用Meg表示，如表3．1．1所示。 表3．1．1单位词头符号 符号TGMegKmun pf 系数101210910610310-310-610-910-1210-15 3．1．4激励配置 1． 直流信号 在电路图中右击电压源，将出现图3．1．9所示的直流性能配置对话框，包括以V为单位的直流电压，以Ω为单位的串联等效电阻。如图3．1．10所示，通过advanced选项，在对话框中进行更多参数配置。 图3．1．9电源符号 图3．1．10电源配置 2． 正弦波 正弦波设置： 在波形配置对话框中选择“SINE”，如图3．1．11(a)所示，逐一配置“DC offset［V］”直流偏置电压、“Amplitude［V］”峰值电压、“Freq［Hz］”频率、“Tdelay［s］”起始工作到正弦波输出的时间、“Theta［1/s］”阻尼系数、“Phi［deg］”初始相位、“Ncycles”输出周期等参数。输出波形表达式为 Vout=Voffset+Vampsinπ phi180° 本例中，设置为直流偏置电压为+1V，峰值为1V，频率为10kHz，其他参数没有设置。设置仿真时间为0．5ms，即输出5个周期的正弦波信号源参数显示顺序为SIN(1 1 10K)，如图3．1．11(b)所示，配置完成的信号源产生频率10kHz，直流偏置1V，峰峰值2V输出的正弦信号，如图3．1．11(c)所示。 图3．1．11正弦信号的配置及输出波形 图3．1．11(续) 3． 单频调频波 单频调频波设置： 在波形配置对话框选择为“SFFM”，如图3．1．12(a)所示，逐一配置“DC offset［V］”直流偏置电压、“Amplitude［V］”峰值电压、“Carrier Freq［Hz］”载波频率、“Modulation index”调制指数、“Signal Freq［Hz］”调制频率等参数。输出波形表达式为 Vout=Voffset+Vampsin((2πFcartime)+MDIsin(2πFsigtime)) 式中，time为时间变量，Fcar为载波频率，MDI为调制指数，Fsig为调制频率。 图3．1．12(a) 示例中，偏置电压为0V，峰值电压为1V，载波频率为10kHz，调制指数为5，调制频率为1kHz。信号源参数显示顺序为SFFM(0 1 10K 5 1K)，如图3．1．12(b)所示，配置完成的信号源产生没有偏置电压，峰峰值为2V，经过1kHz信号调制的10kHz正弦波，如图3．1．12(c)所示。 图3．1．12单频调频波信号的配置及输出波形 图3．1．12（续） 关于LTspice涉及的其他波形，如方波、指数波、折线波等，请参考官网或相关文献。 4． 复杂信号源设置 在元件配置按钮上，选择“bv”，配置电路图。电压(电流)源由几个电压和电流的函数组成，可制作复杂运作的电源，如电压源的配置。如图3．1．13所示，通过设置函数“V=F(…)”，即可配置复杂的电压信号。AM信号、DSB信号和FM信号可通过这种方式获取。 图3．1．13复杂信号的配置及输出波形 3．1．5电路仿真命令 在本章的电路中，主要用到瞬态分析、交流分析、静态工作点分析等方式。而LTspice总共提供6种分析方式，关于其他的分析请参考官网或相关文献。 1． 仿真类别 电路图绘制完成，执行Simulate→Edit Simulation Command菜单命令，或者在电路图绘制窗口右击，选择Edit Simulation Command选项，如图3．1．14所示，进入仿真类型设置窗口，如图3．1．15所示。仿真包含的类型有Transient(瞬态分析)、AC Analysis(交流分析)、DC sweep(直流分析)、Noise(噪声分析)、DC Transfer(直流小信号分析)和DC op pnt(静态工作点分析)6种。上述分析类型与特点见表3．1．2。 图3．1．14仿真命令对话框 图3．1．15仿真方式设置窗口 表3．1．2仿真类型分析与特点 分 析 类 型功 能 特 点 瞬态分析时间响应分析，类似示波器功能 交流分析频率特性分析，增益、相位随频率的变化而变化 直流分析静态特性分析，数据手册中的直流特性 噪声分析测量点的噪声分析，需要模型具有噪声参数 直流小信号分析分析直流小信号的传递函数 静态工作点分析晶体管工作点分析 2． 瞬态分析 瞬态分析是仿真最基本的指令，是对电路中各节点的电压、电流随时间变化进行解析的指令，如图3．1．15所示，仿真方式设置窗口默认为瞬态分析，具体内容如下。 Stop Time： 停止时间，从仿真开始到停止的持续时间，以s或ms等为单位。瞬态分析通常只填写该项内容。 Time to Start Saving Data： 数据保存的起始时间，在该值之前的仿真结果不保存。 Maximum Timestep： 设置执行仿真的最大间隔时间，不填写时表示无限大。 Start external DC supply voltages at 0V： 勾选之后，仿真开始后的20μs，电路的供电电源从0V达到设定电压值。 Stop simulating if steady is detected： 勾选之后，针对开关电源进行仿真时，若输出呈现重复开关状态累计10次，停止仿真并保存这10次数据。 Dont reset T=0 when steady state is detected： 该项默认不能使用。执行Stop simulating if steady is detected之后，再勾选该项保存全部进行仿真的波形，不止10次周期模型。 Skip initial operating point solution： 在仿真开始难以收敛时，勾选该项跳过初始状态进行仿真，以节省时间。 3． 交流分析(频率响应的分析、小信号交流分析) 交流分析标签中，可设定交流分析(交流分析、频率特性分析)必要的参数，主要是对幅频特性与相频特性进行交流分析。解析频率一般覆盖10~100MHz较为宽阔的范围，因此频率轴通常显示对数刻度。交流分析参数配置如图3．1．16所示。 图3．1．16交流分析参数配置 Type of sweep： 扫描方式包括Octave(每8倍频)、Decade(每10倍频)、Liner(线性扫描)、List(按列表频率)。 Number of points per Decade： 每个倍频间隔的点数，通常每8倍频为20~40个，10倍频为30~100个。 Start frequency： 仿真起始频率。 Stop frequency： 仿真停止时间。 交流分析的执行，必须在分析电路的输入部分仿真交流信号源,如图3．1．17所示。把“Small signal AC analysis(AC)”的“AC Amplitude”的数值设置为1。 图3．1．17交流分析用的信号源配置 4． 静态工作点分析 该方法用于分析计算晶体管静态工作点，在仿真中电容视为开路，电感视为短路。在该分析中不需要设置任何参数，如图3．1．18所示。 图3．1．18静态工作点参数配置 3．1．6波形显示器 1． 波形显示基本操作 完成电路图绘制、仿真指令配置后，单击工具栏图标执行仿真操作界面，将新增波形显示窗口，默认为无数据显示。在电路图绘制窗口中，移动光标靠近非地的电压节点时，光标变为电压探测笔，单击电压节点，波形显示窗口呈现该节点的电压波形。光标移动到器件上，光标变为电流探测笔，单击器件波形显示窗口将呈现该器件的电流波形。 LTspice测量的节点电压波形默认以地为参考，当测量电路中两个节点电压差值时，移动光标指向其中一个待测节点，并单击，然后拖动鼠标移动到另一节点，当两个节点都显示电压测量的图标时，松开鼠标左键。 显示电压或电流信号，与频率分析相关的增益或相位特性等的区域称为“波形显示窗口”。只要启动仿真实验，波形显示窗口就会自动弹出。测试电压的波形如图3．1．19所示，测试电流的波形窗口如图3．1．20所示。也可以在一个窗口中同时显示多个测量量，如测试电压和电流，如图3．1．21所示。 图3．1．19测试电压窗口 图3．1．20测试电流窗口