电路的模拟仿真原理（电路仿真是如何工作的）

为了设计一个成功的电路板，pcb设计者必须考虑各种设计参数。为了确保他们的设计是准确的，设计者可以使用电路模拟来了解他们电路的动态行为，从而有效地设计电路板。

在本文中将介绍以下内容：

目录

1什么是电路仿真？

1.1线性和非线性电路

2电路仿真是如何工作的？

3设备型号

3.1IBIS模型

4有哪些不同类型的模拟？

4.1模拟仿真

4.2数字模拟

4.3混合信号模拟

5电路分析类型

5.1瞬态分析

5.2传递函数分析

5.3噪音分析

5.4工作点分析

6电路仿真用什么软件？

7使用 Analog Devices Inc. LTspice® 进行电路仿真

7.1直流分析

7.2交流分析

什么是电路仿真？

电路仿真是在制造和产品部署之前检查和验证电路/电子电路功能的过程。它的应用范围很广，从微电子以及集成电路配电网. 电路仿真可以根据需要在线性和非线性电路上进行。

电路仿真包括：

1. 电路元件或器件的数学模型。
2. 电路/网络方程的制定。
3. 求解这些方程的技巧

线性和非线性电路

线性电路是指流过电路的电流与电路电压成正比。线性电路中电流与电压的关系如下图所示：

线性电路的电流电压图

非线性电路是指流过电路的电流与电路中的电压不成正比，从而形成电压与电流的曲线图。

非线性电路的电压-电流图

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电路仿真是如何工作的？

电路仿真的工作原理是使用原理图编辑器设计电路，并使电路表示为恒定或可变输入。记录并分析产生的信号输出。

电路模拟器是用来模拟电路元件的行为，以获得与电路实际运行时相同的信号输出。电路仿真过程

设备型号

器件模型是通过理论和实验研究得到的解析表达式。构成这个分析表达式的变量和常数称为模型参数。此外，设备参数是用来在模拟器上复制实际组件特性的参数。

IBIS模型

IBIS（Input/outputbuffer information specification）是一种行为模型，它详细描述了设备的数字输入和输出的电气特性。这是使用V/I（电压对电流）和V/T（电压与时间）数据完成的，而不泄露任何专有信息。IBIS模型的目的是用于信号完整性分析在系统板上

什么是不同类型的模拟？

本文主要研究模拟电路仿真。以下是电路模拟的类型：

模拟仿真

模拟电路模拟过程包括使用电子电路的精确表示来获得与输入相对应的精确信号输出。如前所述，用于电路仿真的模型可以是线性的，也可以是非线性的。模拟电路模拟可以在各种模式下执行，例如：

• AC（频域）
• DC（非线性静态）
• 瞬态（时域）

模拟模拟器使用算法来分析不同模式下的电路行为。这些算法利用求解矩阵的过程来预测电路性能。在模拟仿真中，信号以连续变化的值传播。

数字仿真

数字电路仿真包括使用硬件描述语言（HDL）生成的电路行为模型。与模拟仿真不同，该方法采用离散电压值传播，主要是逻辑0和逻辑1。对于电路中逻辑电平的不同传播延迟值，这种信号传播的技术具有不同的精度。与模拟仿真相比，这种技术可以在更短的时间内模拟更大的电路，并且使用更少的计算资源。

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混合信号仿真

混合信号仿真方法综合了模拟和数字仿真技术。在这种情况下，电路被分成两个不同的系统（模拟和数字），以便在每个电路段中进行适当的分析。数字仿真保持事件驱动，而模拟信号保持原样。

电路分析类型

电路模拟器运行各种类型的分析，给出关于电路的不同信息。以下是几种类型的电路分析：

瞬态分析

暂态分析是指电路从一种稳态状态到另一种稳态状态的变化过程中的电路分析。当开关打开或关闭，或电源突然变化时，电路会发生快速变化。当这种变化发生时，处于明显稳态状态的电路将转移到另一个稳态状态。这两个稳态条件之间的时间称为瞬态周期。瞬态分析是用来了解电流和电压等参数在瞬态期间是如何变化的。

传递函数分析

电子电路的传递函数是一个数学函数，用于理论上为每一个可能的输入建立器件输出模型。通过绘制输入与输出的关系图，可以用图形的形式来表示传递函数，即所谓的传递曲线。这被称为传递函数分析。

噪声分析

信号噪声是指电流或电压的不必要变化，通常是随机的，幅度很小。每电子元件产生信号噪声，这种噪声可能来自内部或外部。电路中的噪声可以用称为信噪比（SNR）的参数来测量。信噪比可以定义为所需信号与非期望信号或噪声的比值。信噪比以分贝（db）为单位。

操作点分析

工作点是电子元件工作特性中的一个特定点。在电压和电流恒定的情况下，使用工作点分析具有恒定电源的电路。工作点可以使用数字万用表进行物理测量，或者在模拟中，通过选择软件中感兴趣的组件来测量。

哪种软件用于电路模拟？

SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）是一种流行的开源电路仿真引擎。它接受描述电路以执行各种模拟的网络列表。网络列表是描述电路中使用的每个元件及其连接位置的文字。LT spice是另一个类似spice的开源电路仿真软件。

使用模拟设备公司LTspice®进行电路模拟

以下是一些基本电路及其分析：

直流电分析

首先，我们来看看一个简单的分压器电路。它有一个10V直流输入，跨越10k和5k欧姆电阻。输出端还有一个电容器。

直流输入分压器电路

如果我们看一下输入和输出直流电平，我们会得到这样一个图

直流电压源电路的暂态分析

这里的输出电压V（输出）是3.333V。

现在分析一下输入电压的正弦波，从1kV到1kV。

正弦波输入分压电路

用正弦波源进行瞬态分析

这些是输入和输出电压。我们也可以画出通过任何元件的电流和功率。

图中显示的电容器C1滞后

通过电容器C1的电流滞后于电压。

现在，让我们给出一个脉冲输入。我们将选择时间周期为1ms的脉冲，上升时间和下降时间为10ns，振幅为5V，接通时间为0.2ms。

脉冲输入分压器电路

在输出端，我们可以观察到当输入端接通且输入电压为5V（红色曲线）时，电容器上的电压上升（蓝色曲线）。电容器中的电流（绿色曲线）随着正电流急剧上升，当电容器充电时缓慢变为零。当电压为零时，电容器放电，电流为负，慢慢地降到零。

脉冲输入瞬态分析

交流分析

现在让我们进行交流分析

交流输入分压器电路

在这里，我们需要指定扫描类型、读数数量、开始频率和结束频率，以便对电路进行交流分析。

交流分析图

让我们看一个更复杂的电路，比如中心频率为50MHz的LC带通滤波器。

LC带通滤波电路

现在我们将设置一个交流扫描。一旦我们画出输出，我们就可以看到不同频率和中心频率在50MHz左右的衰减。

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交流扫描分析

电路模拟是PCB设计人员了解电路行为的重要工具板材制造. 使用电路模拟可以帮助防止昂贵的PCB返工和设计效率低下。

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