用Protel 99 SE实现电子电路仿真时的参数设置

    用EDA软件实现电子电路的设计与仿真，极大地提高了电子电路设计的效率和效益，已成为电路设计的重要手段。学习和掌握这一技术十分重要。在各种仿真软件中，Protel 99 SE独领风骚，它丰富的仿真器件库和齐全的仿真功能，使它能胜任大多数电路的仿真工作，再加上前端的原理图输人和后端的仿真结果输出都具有易学易用的风格，从而倍受广大电路设计人员的青睐。使用Protel 99 SE进行电路仿真时，不需要编写网表文件(尽管它使用与PSPICE相同的仿真内核)，系统将根据所画电路图自动生成网表文件并进行仿真，仿真类型的选择通过对话框完成，十分方便。然而，仿真时有关参数的设置仍然具有较高的技术含量，它既需要对电路原理的深刻把握，又需要注意软件的特点。能否正确设置好仿真参数，是仿真能否顺利进行的关键。本文将通过几个实例讨论这一问题。

1 元件参数的设置与调整
    用Protel 99 SE进行仿真时，可按仿真流程图进行操作。元件参数的设置是一项基本工作。阻容元件的参数直接在元件属性对话框中完成设
置，而有些元件的参数隐含在器件名称中，设置和修改其参数需要对元件库进行操作，这里有一些需要研究的问题，举例说明如下。
    射极偏置电路是最常用的放大电路之一(如图1所示)，对其进行仿真(选择交流分析ACAnalysis功能)，得到电路的幅频响应曲线如图2所示。
  
    由图2可得，电路的上下截频分别为80Hz和10MHz(启动测量光标测量)。理论分析表明，这一电路的下截频由耦合电容和射极旁路电容决
定，而上截频主要由三极管的集一基电容决定，要设计上截频更高的电路，可选用集一基电容更小的三极管，但在浩如烟海的三极管库中去寻找符合要求的三极管是一件很烦琐的事情，重新建模也很复杂。而直接在三极管库中修改其频率参数却十分方便。具体操作程序是：打开某一元件的库文件(如2N2222A.mdl)，路径为……Design Explorer 99 SELibrarySimSimulation ModelsddbBJT ，在文件中将CJC更改为合适的值，将文件另存为自己命名的文件(如2N00.mdl)，最后在原理图中将三极管更换为新器件即可(系统常常需要启动一次，修改后的参数才能生效)。图3是将图1中的三极管2N2222A 的集一基电容CJC由15.2PF改为1.9PF后(修改参数后的三极管使用新的器件名)的仿真结果(交流分析)。
 
    由图3可见，电路的上截频为110MHz。同理，可根据电路性能的需要对其它参数进行设置和修改。实际装配电路时，只要根据仿真时的三极管参数选择符合要求的三极管即可。
    并不是所有元件的参数都能通过简单的修改就能奏效，象集成运放这样的元件，它们的参数非常复杂，修改其参数几乎是不可能的。怎样仿真这类元件的有关参数对电路的影响呢，这得根据具体电路确定方法。图4是一由集成运放构成的方波-三角波发生电路，电路的振荡频率由下式决定：
f=R₂/(4R₃R₄C)         (1)
    对图4电路，用瞬态分析功能得到的仿真波形如图5所示。
 
 
    从图5可以得到电路的振荡频率是250Hz，与(1)式相符。由(1)式可见，改变电路中阻容元件的值即可改变振荡频率，但电路的最高工作频率受运放转换速率的限制，即运放的有关参数限制了电路中阻容元件的取值范围。若对图4电路进行参数扫描分析(对电容C进行扫描)，求得电路的最高工作频率约为6.2kHz(以Uo2的波形刚好出现失真为临界条件)。在图4中，将UA741改为OP37A(后者的转换速率远大于前者)，求得电路的最高工作频率约为125kHz。可见，运放的参数对电路工作状态的影响是明显的。在这里，更换运放的型号也就等效地为运放设置了新的参数。值得注意的是，由于各运放的脚位分布不尽相同，上述方法对某些型号的集成运放是不适用的，应该采用相应的对策。

2 仿真信号源参数及仿真时间、仿真步长的设置
    很多电路的仿真都需要提供仿真信号源(激励源)，而能否正确设置信号源的参数则是仿真成败的关键。
 
    图6所示电路是由TTL门电路构成的微分型单稳态触发器，为了观察电路在触发脉冲作用下的时域响应，必须设置脉冲激励源V1，这一激
励源共有十一项参数需要通过对话框设置(双击元件，得元件属性对话框，在Part Fields选项卡中设置)。其中，脉冲的幅度设置为TTL电路允许的高电平即可；激励脉冲的周期由电路输出的脉宽及恢复时间决定；因为电路的输入端采用了由Rd、Cd等构成的微分电路，从而电路对激励脉冲的脉宽没有限制，可随意取值；激励脉冲的上升时间(Rise Time)、下降时间(Fall Time)等二项必须设置为大于零的值，延迟时间(Time Delay)必须设置为某一恰当值，否则仿真失败；其余各项可为任意值(使用缺省值*)。本例中的各项参数设置如下：Initial Value=0，Pulsed Value=4.2，Pulsed Width= 1us，Period=2us。Rise Time=Fall Time=2ns，Time Delay=0，其余各项使用*。如此设置后所得的瞬态仿真波形如图7所示，与理论分析吻合。
 
    在仿真过程中，仿真时间和步长的设置也是十分重要的，在本例中，由于仿真信号源的周期设置为2us，为了观察两个以上输出脉冲，则仿真时间必须大于4us。为此，在仿真时间设置对话框中，起始时间(Start Time)设置为0，终止时间(Stop Time)设置为6uS，打印步长(Step Time)设置为10nS，仿真步长(Maximun Step)设置为10nS(仿真步长要尽量小一些)。当上述时间设置不正确时，将影响测试和观察的效果甚至导致仿真失败。

3 初始条件的设置
    Protel 99 SE提供两个初始化元件，用于直流分析和瞬态分析时设定初始条件。恰当运用初始元件，能使仿真取得满意的结果或解决仿真中
不收敛的问题。例如在图4所示电路中，上电瞬间，UO1的电平是随机的，既可能是UZ，也可能是-UZ，若上电时UO1的值是-UZ，则Uo2的波形在t=0时将线性上升；否则，UO2的波形将线性下降。为了仿真上电时UO1=-UZ时的情况，可在UO1、UO2和运放U2的反相端分别放置初始化元件IC1、IC2和IC3，并将IC1的值设置为-6.5V，IC2和IC3的值设置为0，所得仿真波形如图8所示，初始化元件的作用再此略见一斑。
 

4 结论
    用Prote199SE仿真电路是一件轻松愉快的工作，而且仿真结果相当精确。实验表明，仿真的大部分指标与在实验室用示波器等仪器测试的结果误差不超过1%，只要解决好仿真时的参数设置问题，调试电路是非常方便的。本文介绍的参数设置方法虽然只针对有限的例子，其思想却可以适用于更多的电路和仿真类型，期望给同行一个有益的启示，这是作者撰写本文的初衷所在。