Altium Designer的電子電路仿真

宋 瑾

（蘇州大學電子信息學院，江蘇蘇州，215000）

Altium Designer的電子電路仿真

宋 瑾

（蘇州大學電子信息學院，江蘇蘇州，215000）

作為Protel的后續新版本，Altium Designer擁有非常強大的電子電路設計功能，不僅能夠實現原理圖的繪制、印制電路板的設計，還能進行仿真。本文介紹了Atlium Designer的仿真設計流程，并舉例通過靜態工作點分析、瞬態分析、溫度掃描分析、參數掃描分析及交流小信號分析說明軟件提高電路設計的能力。

Protel；Altium Designer；仿真

0 引言

現代電子電路的設計已進入了電子設計自動化（EDA）時代，采用仿真手段對電子產品進行前期工作調試，不僅能縮短設計周期，還能節省設計費用，因此，已經成為一種發展的必然趨勢。Altium Designer作為Protel軟件的最新版本，是一款一體化的電子產品開發系統，在目前的EDA行業中是應用較為廣泛的工具之一。本文主要以Altium Designer Summer09版本為例，介紹電子電路設計仿真分析的一般方法。

1 Altium Designer

Altium公司（前身為Protel International公司）由Nick Martin于1985年始創于澳大利亞塔斯馬尼亞州的首府霍巴特，致力于開發基于PC的軟件，為印制電路板提供輔助的設計。2009年7月，Altium公司推出Altium Designer Summer 09版本，將硬件、軟件和可編程硬件集合在一個單一的環境中，其一體化的設計結構令用戶可自由地探索新的設計構想。

Altium Designer中的電路仿真是真正的混合模型仿真器，可以用于對模擬和數字器件的電路分析。仿真器采用由其喬治亞技術研究所（GTRI）開發的增強版事件驅動型XSPICE仿真模型。

2 Altium Designer的仿真設計流程

Atlium Designer軟件進行仿真設計，首先要編輯仿真電路原理圖，原理圖中每個元器件必須定義Simulation屬性。其次，設置仿真激勵源，以便在仿真過程中驅動整個電路。然后在需要繪制仿真數據的節點處添加網絡標號，根據具體電路的仿真要求設置合理的仿真方式及仿真參數，最后，分析仿真結果。

Altium Designer支持的仿真分析方式有：靜態工作點分析、瞬態特性分析與傅立葉分析、直流傳輸特性分析、交流小信號分析、噪聲分析、零極點分析、傳遞函數分析、溫度掃描分析、參數掃描分析、蒙特卡羅分析共10種類型。

3 Altium Designer的仿真分析舉例

3.1 靜態工作點分析

靜態工作點分析就是將電路中的電感視為短路，電容視為開路，然后計算出電路中各節點對地電壓和各支路電流的過程。

以共發射極基本放大電路為例繪制仿真原理圖如圖1所示，圖中元器件三極管、電阻、電容均設置好Simulation屬性，添加合適的激勵源V1和V2，V1為10mV、1KHz的正弦信號，V2為+12V的直流電壓源，放置網絡標號Vin、Vb、Vc、Vout。選擇仿真方式為靜態工作點分析（Operating Point Analysis），分析參數包括VB、VC、Q1[ib]、Q1[ic]、Q1[ie]。運行仿真，馬上可以看到結果為q1[ib]=16.24uA，q1[ic]=2.915mA，q1[ie]=-2.931mA，vb=629.7mV，vc=4.13V。其中VB、VC分別為三極管B、C的對地電壓，Q1[ib]、Q1[ic]、Q1[ie]分別為三極管B、C、E所在支路的電流。

圖1 共發射極基本放大電路

3.2 瞬態分析

瞬態分析屬于時域分析，用于獲得電路中各節點對地電壓、支路電流或元件功率等信號的瞬時值，即被測信號隨時間變化的瞬態關系，相當于在示波器上直接觀察各節點電壓（對地）信號的波形，這是一種最基本、最常用的仿真分析方式。

仿真原理圖如圖1所示，參數不變，選擇仿真方式為瞬態分析（Transient Analysis），分析圖1中Vin、Vout兩處信號，結果如圖2所示。Vin為電路輸入信號，如給定激勵源為1KHz、10mV的正弦波。Vout為輸出信號，同為正弦波，但相位與輸入信號相反，幅值為輸入信號的150倍。

圖2 瞬態分析結果

3.3 溫度掃描分析

一般來說，電路中元器件的參數隨環境溫度的變化而變化，因此溫度變化最終會影響電路的性能指標。溫度掃描分析就是模擬環境溫度變化時電路性能指標的變化情況，因此溫度掃描分析也是一種常用的仿真方式。例如三極管是具有負溫度系數的，隨著溫度升高，是下降的。有些電阻也是與溫度有關的，正溫度系數的電阻隨著溫度升高，阻值升高；負溫度系數的電阻隨著溫度升高，阻值減小。如果用到這些元件，想知道環境因素變化對電路性能的影響，可以通過溫度掃描分析來得到。

仿真原理圖如圖1所示，基本參數不變，仿真方式選擇溫度掃描分析（Temperature Sweep）結合靜態工作點及瞬態分析，即分析當溫度變化時，靜態工作點和輸出信號的變化。溫度掃描分析中設定起始溫度、終止溫度和步長分別為-20、70和10。仿真結果如圖3所示，隨著溫度從-20變化到70，分析當溫度分別為-20、-10、0、10、20、30、40、50、60、70這10個溫度時，靜態工作點ib、ic、Vc的變化值以及輸出信號的變化其中帶“_t01”為溫度-20℃時，“_t10”為70℃時。可以看出輸出電壓的幅值隨溫度的升高而增大，ib和ic都隨著溫度的升高而升高，vc隨著溫度升高而降低。

圖3 溫度掃描分析結果

圖1為共發射極基本放大電路電路簡單，但當環境溫度變化時，容易引起靜態工作點的不穩定，嚴重時將會導致放大電路不能正常工作。因此通常采用改進的分壓偏置式共發射極放大電路，可以改善溫度變化而導致靜態工作點不穩定的現象如圖4所示。

圖4 分壓偏置式共發射極放大電路

3.4 參數掃描分析

參數掃描分析用于研究電路中某一元器件參數變化時對電路性能的影響，常用于確定電路中某些關鍵元件參數的取值。

仿真原理圖如圖4所示，仿真方式選擇參數掃描分析（Parameter Sweep）結合瞬態分析。參數掃描方式中設定變化參數為Q1[bf]，即三極管的放大倍數。起始值、終止值及步長分別設定為10、200、40，即分別計算Q1放大倍數為10、50、90、 130、170、200時電路的瞬態特性。仿真結果如圖5所示，隨著放大倍數的增加，輸出信號幅值也逐漸增加。

圖5 參數掃描分析結果

若其他參數不變時，也可以選擇R4為主掃描參數，結合靜態工作點分析，從集電極電位Vc的值，即可容易確定R4的最佳參數，因為一般要求Vc的值近似為Vcc的一半。

3.5 交流小信號分析

交流小信號分析用于獲得電路的幅頻特性、相頻特性曲線。一般說來，電路中的器件參數，如分壓式偏置共發射極放大電路中三極管放大倍數并不是常數，而是隨著工作頻率的升高而下降；另一方面，當輸入信號頻率較高時，三極管間寄生電容，引線電感同樣不能忽略，因此在輸入信號幅度保持不變的情況下，輸出信號的幅度或相位總是隨著輸入信號頻率的變化而變化。

在交流小信號分析中結合參數掃描分析，能非常直觀地了解到電路中某一元件參數對電路幅頻特性的影響。

圖6 交流小信號分析結果

仿真原理圖如圖4所示，仿真方式選擇交流小信號分析（AC Small Signal Analysis）結合參數掃描分析，選擇發射極交流旁路電容C3作為主掃描參數，初始值、終止值及步長分別取0.1uF、2uF和0.3uF，并將交流小信號分析參數起始頻率、終止頻率和測試點分別設定為1Hz、10KHz和1000，即可迅速了解到C3對放大器低頻特性的影響，如圖6所示。隨著電容的逐漸增大，下限頻率在逐漸減小。

4 結束語

Altium Designer軟件是一款一體化的電子產品開發系統，不僅可以進行原理圖設計、印制電路板編輯、信號完整性分析等技術操作，還擁有強大的混合信號仿真器，能夠完成電子電路的仿真設計，使工程師在電子產品開發過程中，可以對原理圖進行預先仿真，再進行電路板印刷，不僅可以明確系統的各項性能，還能根據仿真結果進行適當調整，以實現最優生產，大大提高了設計的成功率和效率。

[1] 穆秀春、李娜、訾鴻.從Protel到Altium Designer[M].電子工業出版社，2011.

[2] 何麗紅、洪海山.基于Altium Designer的電子電路仿真設計[J].計算機與網絡.2013(19):62-65.

Simulation of Electronic Circuit Based on Altium Designer

Song Jin
(School of Electronics & Information,Soochow University,Suzhou，215000,China)

As a subsequent version of the Protel,Atlium Designer has a very strong function of the electronic circuit design.This software can drawing schematic,editing PCB and simulating.We introduce the process and methods of simulation design,such as operating point analysis,transient analysis,temperature sweep,parameter sweep and AC small signal analysis,etc.So,this software can enhance the capacity of electronic circuit design.

Protel;Altium Designer; Simulation