用Protel 99 SE實現電子電路模擬時的參數設置

    用EDA軟體實現電子電路的設計與模擬，極大地提高了電子電路設計的效率和效益，已成為電路設計的重要手段。學習和掌握這一技術十分重要。在各種模擬軟體中，Protel 99 SE獨領風騷，它豐富的模擬器件庫和齊全的模擬功能，使它能勝任大多數電路的模擬工作，再加上前端的原理圖輸人和後端的模擬結果輸出都具有易學易用的風格，從而倍受廣大電路設計人員的青睞。使用Protel 99 SE進行電路模擬時，不需要編寫網表文件(儘管它使用與PSPICE相同的模擬內核)，系統將根據所畫電路圖自動生成網表文件並進行模擬，模擬類型的選擇通過對話框完成，十分方便。然而，模擬時有關參數的設置仍然具有較高的技術含量，它既需要對電路原理的深刻把握，又需要注意軟體的特點。能否正確設置好模擬參數，是模擬能否順利進行的關鍵。本文將通過幾個實例討論這一問題。

1 元件參數的設置與調整
    用Protel 99 SE進行模擬時，可按模擬流程圖進行操作。元件參數的設置是一項基本工作。阻容元件的參數直接在元件屬性對話框中完成設
置，而有些元件的參數隱含在器件名稱中，設置和修改其參數需要對元件庫進行操作，這裡有一些需要研究的問題，舉例說明如下。
    射極偏置電路是最常用的放大電路之一(如圖1所示)，對其進行模擬(選擇交流分析ACAnalysis功能)，得到電路的幅頻響應曲線如圖2所示。
  
    由圖2可得，電路的上下截頻分別為80Hz和10MHz(啟動測量游標測量)。理論分析表明，這一電路的下截頻由耦合電容和射極旁路電容決
定，而上截頻主要由三極體的集一基電容決定，要設計上截頻更高的電路，可選用集一基電容更小的三極體，但在浩如煙海的三極體庫中去尋找符合要求的三極體是一件很煩瑣的事情，重新建模也很複雜。而直接在三極體庫中修改其頻率參數卻十分方便。具體操作程序是：打開某一元件的庫文件(如2N2222A.mdl)，路徑為……\Design Explorer 99 SE\Library\Sim\Simulation Models\ddb\BJT \，在文件中將CJC更改為合適的值，將文件另存為自己命名的文件(如2N00.mdl)，最後在原理圖中將三極體更換為新器件即可(系統常常需要啟動一次，修改後的參數才能生效)。圖3是將圖1中的三極體2N2222A 的集一基電容CJC由15.2PF改為1.9PF后(修改參數后的三極體使用新的器件名)的模擬結果(交流分析)。
 
    由圖3可見，電路的上截頻為110MHz。同理，可根據電路性能的需要對其它參數進行設置和修改。實際裝配電路時，只要根據模擬時的三極體參數選擇符合要求的三極體即可。
    並不是所有元件的參數都能通過簡單的修改就能奏效，象集成運放這樣的元件，它們的參數非常複雜，修改其參數幾乎是不可能的。怎樣模擬這類元件的有關參數對電路的影響呢，這得根據具體電路確定方法。圖4是一由集成運放構成的方波-三角波發生電路，電路的振蕩頻率由下式決定：
f=R₂/(4R₃R₄C)         (1)
    對圖4電路，用瞬態分析功能得到的模擬波形如圖5所示。
 
 
    從圖5可以得到電路的振蕩頻率是250Hz，與(1)式相符。由(1)式可見，改變電路中阻容元件的值即可改變振蕩頻率，但電路的最高工作頻率受運放轉換速率的限制，即運放的有關參數限制了電路中阻容元件的取值範圍。若對圖4電路進行參數掃描分析(對電容C進行掃描)，求得電路的最高工作頻率約為6.2kHz(以Uo2的波形剛好出現失真為臨界條件)。在圖4中，將UA741改為OP37A(後者的轉換速率遠大於前者)，求得電路的最高工作頻率約為125kHz。可見，運放的參數對電路工作狀態的影響是明顯的。在這裡，更換運放的型號也就等效地為運放設置了新的參數。值得注意的是，由於各運放的腳位分佈不盡相同，上述方法對某些型號的集成運放是不適用的，應該採用相應的對策。

2 模擬信號源參數及模擬時間、模擬步長的設置
    很多電路的模擬都需要提供模擬信號源(激勵源)，而能否正確設置信號源的參數則是模擬成敗的關鍵。
 
    圖6所示電路是由TTL門電路構成的微分型單穩態觸發器，為了觀察電路在觸發脈衝作用下的時域響應，必須設置脈衝激勵源V1，這一激
勵源共有十一項參數需要通過對話框設置(雙擊元件，得元件屬性對話框，在Part Fields選項卡中設置)。其中，脈衝的幅度設置為TTL電路允許的高電平即可；激勵脈衝的周期由電路輸出的脈寬及恢復時間決定；因為電路的輸入端採用了由Rd、Cd等構成的微分電路，從而電路對激勵脈衝的脈寬沒有限制，可隨意取值；激勵脈衝的上升時間(Rise Time)、下降時間(Fall Time)等二項必須設置為大於零的值，延遲時間(Time Delay)必須設置為某一恰當值，否則模擬失敗；其餘各項可為任意值(使用預設值*)。本例中的各項參數設置如下：Initial Value=0，Pulsed Value=4.2，Pulsed Width= 1us，Period=2us。Rise Time=Fall Time=2ns，Time Delay=0，其餘各項使用*。如此設置后所得的瞬態模擬波形如圖7所示，與理論分析吻合。
 
    在模擬過程中，模擬時間和步長的設置也是十分重要的，在本例中，由於模擬信號源的周期設置為2us，為了觀察兩個以上輸出脈衝，則模擬時間必須大於4us。為此，在模擬時間設置對話框中，起始時間(Start Time)設置為0，終止時間(Stop Time)設置為6uS，列印步長(Step Time)設置為10nS，模擬步長(Maximun Step)設置為10nS(模擬步長要盡量小一些)。當上述時間設置不正確時，將影響測試和觀察的效果甚至導致模擬失敗。

3 初始條件的設置
    Protel 99 SE提供兩個初始化元件，用於直流分析和瞬態分析時設定初始條件。恰當運用初始元件，能使模擬取得滿意的結果或解決模擬中
不收斂的問題。例如在圖4所示電路中，上電瞬間，UO1的電平是隨機的，既可能是UZ，也可能是-UZ，若上電時UO1的值是-UZ，則Uo2的波形在t=0時將線性上升；否則，UO2的波形將線性下降。為了模擬上電時UO1=-UZ時的情況，可在UO1、UO2和運放U2的反相端分別放置初始化元件IC1、IC2和IC3，並將IC1的值設置為-6.5V，IC2和IC3的值設置為0，所得模擬波形如圖8所示，初始化元件的作用再此略見一斑。
 

4 結論
    用Prote199SE模擬電路是一件輕鬆愉快的工作，而且模擬結果相當精確。實驗表明，模擬的大部分指標與在實驗室用示波器等儀器測試的結果誤差不超過1%，只要解決好模擬時的參數設置問題，調試電路是非常方便的。本文介紹的參數設置方法雖然只針對有限的例子，其思想卻可以適用於更多的電路和模擬類型，期望給同行一個有益的啟示，這是作者撰寫本文的初衷所在。