chuanPage 1 of 235/31/2018第一章 概 论本章在简要介绍计算机辅助设计(CAD: Computer Aided Design)和电子设计自动化(EDA: Electronic Design Automation)基本概念的基础上，介绍OrCAD/PSpice 软件的功能和特点，并具体说明调用 PSpice 软件进行电路模拟的基本步骤1-1 EDA 技术和 PSpice 软件1-1-1 CAD 和 EDA进行电子线路设计，就是根据给定的设计要求，包括功能和特性指标要求，通过各种方法，确定应采用什么样的线路拓扑结构以及线路中各个元器件应采用什么参数值有时还需将设计好的线路进一步转换为印刷电路板版图设计要完成上述设计任务，一般需经过设计方案提出、 验证和修改(若需要的话)三个阶段，有时甚至要经历几个反复，才能完成一个比较好的电路设计按照上述三个阶段中完成任务的手段不同，可将电子线路的设计方式分为不同类型如果方案的提出、验证和修改都是人工完成的，则称之为人工设计方法这是一种传统的设计方法，其中设计方案的验证一般都采用实际搭试验电路的方式进行这种方法花费高，效率低从 70 年代开始，随着电子线路设计要求的提高以及计算机的发展，使电子线路设计发生了根本性的变革，出现了CAD 和 EDA。
1. 计算机辅助设计(CAD)顾名思义，计算机辅助设计是在电子线路设计过程中，借助于计算机来帮助“人”迅速而准确地完成设计任务具体地说，由“人”根据设计要求进行总体设计并提出具体的设计方案，然后利用计算机存储量大、运算速度快的特点，对设计方案进行人工难以完成的模拟评价、设计检验和数据处理等工作发现有错误或方案不理想时，再重复上述过程这就是说，由人和计算机通过 CAD 这一工作模式共同完成电子线路的设计任务2. 电子设计自动化(EDA)CAD 技术本身实际上是一种通用技术，在机械、建筑、甚至服装等各种行业中均已得到广泛应用但是，在电子行业中，CAD 技术不但应用面广，而且发展得最快，在实现设计自动化(DA: Design Automation)方面取得了突破性的chuanPage 2 of 235/31/2018进展在整个设计过程中，不少设计环节，如系统综合、优化设计等均可由计算机软件自动完成目前在电子设计领域，设计技术正处于从 CAD 向 DA 过渡的进程中，一般统称为电子设计自动化(EDA)1-1-2 微机级电子线路 EDA 软件直到 80 年代初，CAD 软件至少需要在小型计算机或专业用的工作站上才能运行。
当时的微机系统受运行速度、存储量等因素限制，无法运行 CAD 软件随着计算机技术的发展，以 OrCAD 为代表的 EDA 技术开发公司，相继推出了一批可以在微机上运行的 EDA 软件近几年，随着奔腾 CPU 芯片的采用，新型微机系统的许多性能已接近工作站，微机上的 EDA 软件系统也已达到了相当的水平OrCAD 公司的 EDA 软件是其中的突出代表他覆盖了电子设计中的4 项核心任务：以 VHDL 和线路图绘制方式进行设计生成，FPGA 和 CPLD 设计综合，数字、模拟和数/模混合电路模拟，以及印制电路板(PCB)设计其软件系统结构如图 1-1 所示系统中每一部分不但可以根据需要单独使用，更重要的是这些软件相互之间又有如图 1-1 所示的内在联系，构成一个完整的 EDA 系统，对设计项目实施统一管理这样，用户就不必花过多的时间考虑各个软件之间的调用关系以及设计数据格式和交换方式，而将主要精力放路设计本身图 1-1 微机级 OrCAD 软件系统构成框图下面简要介绍 OrCAD 软件系统中主要软件的功能1)OrCAD/Capture：这是一个功能强大的电路原理图设计软件除可生成各类模拟电路、数字电路和数/模混合电路的电路原理图外，还配备有元器件信息系统 CIS(Component Information System)，可以对元器件的采用实施高效管理。
同时该软件还具有 ICA(Internet Component Assistant)功能，可在设计电路图的过程中从 Internet 互联网上的元器件数据库中查阅、调用上百万种元器件chuanPage 3 of 235/31/2018(2)OrCAD/Express：这是一个逻辑模拟软件其模拟功能包括由 Capture生成的数字电路门级模拟，一直到 VHDL 综合和仿真可进行 10 万门以上的CPLD、FPGA 和 ASIC 设计在设计中可采用Xilinx、Altera、Lattice、Lucent、Actel、Philips 和 Vantis 等厂家生产的器件3)OrCAD/PSpice：这是一个电路模拟软件，除可对模拟电路、数字电路和数/模混合电路进行模拟外，还具有优化设计的功能4)OrCAD/Layout：这是一个印刷电路版(PCB)设计软件可直接将OrCAD/Capture 生成的电路图通过手工或自动布局布线方式转为 PCB 设计在 PCB 设计中，采用的层次可达 30 层，布线分辨率为 1 微米，放置元器件时旋转角度可精确到(1/60)度，即 1 分完成 PCB 设计后，可生成 3 维显示模型。
需要指出的是，在 Windows 环境下运行的 OrCAD EDA 软件系统均不存在“千年虫”问题，可顺利地应用到 21 世纪本书将详细介绍 OrCAD/PSpice 软件的构成、功能特点和具体使用方法其他 3 个软件将在本套教程的另外 3 本书中介绍1-1-3 EDA 技术的优点由 1-1-2 节介绍的 OrCAD 软件系统功能特点可见，采用 EDA 技术具有下述优点：(1)缩短设计周期采用 EDA 技术，用计算机模拟代替搭试验电路的方法，可以减轻设计方案验证阶段的工作量特别是一部分设计自动化软件的出现，更极大地加速了设计进程另外，在设计印制电路板时，目前也有不少具有自动布局布线和后处理功能的印刷电路板设计软件可供采用，将人们从繁琐的纯手工布线中解放出来，进一步缩短设计周期2)节省设计费用搭试验电路费用高、效率低采用计算机进行模拟验证就可以节省研制费用特别要指出的是，伴随着微机的迅速发展和普及，微机级EDA 软件水平的不断提高，这就可以在计算机硬件投资要求不大，EDA 软件费用也不太高的前提下，促进 EDA 技术的推广使用3)提高设计质量传统的手工设计方法采用简化电路及元器件模型进行电路特chuanPage 4 of 235/31/2018性的估算，通过搭实验电路板的方式进行验证，故很难进行多种方案的比较，更难以进行灵敏度分析、容差分析、成品率模拟、最坏情况分析和优化设计等。
采用 EDA 技术则可以采用较精确的模型来计算电路特性，而且很容易实现上述各种分析这就可以在节省设计费用的同时提高设计质量4)共享设计资源在 EDA 系统中，成熟的单元设计及各种模型和模型参数均存放在数据库文件中，用户可直接分享这些设计资源特别是对数据库内容进行修改或增添新内容后，用户可及时利用这些最新的结果5)很强的数据处理能力由于计算机具有存储量大、数据处理能力强的特点，在完成电路设计任务后，可以很方便地生成各种需要的数据文件和报表文件随着电子技术的发展，需设计的电路越来越复杂，规模也越来越大，在这种情况下，离开 EDA 技术几乎无法完成现代的电子线路设计任务1-1-4 OrCAD/PSpice 软件由图 1-1 可见，微机级 OrCAD EDA 软件系统中，电路模拟分析是由OrCAD/PSpice 软件完成的该软件的前身是 SPICE，其全称为 Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis，即重点用于集成电路的模拟程序第一版 SPICE 软件是美国加州大学伯克莱分校为适应集成电路 CAD 的需要，于 1972 年推出的1975 年的 SPICE 2G 版达到实用化程度，得到广泛推广。
但该程序的运行环境至少为小型计算机1983 年，OrCAD 公司推出了可在 PC 机上运行的 PSpice1 (P 代表这是在 PC 机上运行的版本)目前最新版本是 1998 年 11 月推出的 OrCAD/PSpice 9与 SPICE 相比，OrCAD/PSpice 并不只是单纯地将 SPICE 移植至 PC 机，而是在下述 3 方面有重大变革1)对模拟电路，不仅可以进行直流、交流、瞬态等基本电路特性分析，而且可进行蒙托卡诺(MC) 统计分析，最坏情况(Wcase)分析、优化设计等复杂的电路特性分析2)不仅可对模拟电路进行计算机辅助分析，而且可对数字电路、数/模混合电路进行计算机模拟为了突出这一功能特点，新版本的软件称为 PSpice A/D3)一改批处理运行模式，可以在 WINDOWS 环境下，以人机交互方式运行chuanPage 5 of 235/31/2018绘制好电路图后，即可直接进行电路模拟，无需用户编制繁杂的输入文件在模拟过程中，可以随时分析观察模拟结果，从电路图上修改设计经过 15 年的发展和应用，OrCAD/PSpice 实际上已成为微机级电路模拟的标准软件本书将结合最新的 OrCAD/PSpice 9，详细介绍该软件的功能和使用方法。
1-2 OrCAD/PSpice 软件的功能特点本节从下述几方面说明该软件的功能特点，即：OrCAD/PSpice 软件支持的元器件种类、可分析的电路特性类型以及配套软件等1-2-1 PSpice A/D 支持的元器件类型1. 元器件类型及其字母代号PSpice A/D 可模拟的元器件覆盖了下述 6 类最常用的各种电路元器件1)基本无源元件如电阻、电容、电感、互感、传输线等2)常用的半导体器件如二极管、双极晶体管、结型场效应晶体管、MOS 场效应晶体管、GaAs 场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等3)独立电压源和独立电流源可产生用于直流(DC)、交流(AC)、瞬态(TRAN)分析和逻辑模拟所需的各种激励信号波形4)各种受控电压源、受控电流源和受控开关5)基本数字电路单元包括常用的门电路、传输门、延迟线、触发器、可编程逻辑阵列、RAM、ROM 等6)单元电路调用对常用的单元电路，特别是像运算放大器一类集成电路，可将其作为一个单元电路整体出现在电路中，而不必考虑该单元电路的内部电路结构PSpice A/D 为不同类别的元器件赋给了不同的字母代号，如表 1-1 所示在电路图中，不同元器件编号的第一个字母必须按表中规定。
表 1-1 PSpice A/D 支持的元器件类别及其字母代号(按字母顺序)字母代号 元器件类别 字母代号 元器件类别B GaAs 场效应晶体管 N 数字输入(见表注)C 电容 O 数字输出(见表注)chuanPage 6 of 235/31/2018D 二极管 Q 双极晶体管E 受电压控制的电压源 R 电阻F 受电流控制的电流源 S 电压控制开关G 受电压控制的电流源 T 传输线H 受电流控制的电压源 U 数字电路单元I 独立电流源 U STIM 数字电路激励信号源J 结型场效应晶体管(JFET) V 独立电压源K 互感(磁芯)，传输线耦合 W 电流控制开关L 电感 X 单元子电路调用M MOS 场效应晶体管(MOSFET) Z 绝缘栅双极晶体管(IGBT)注：表中 N 器件和 O 器件是在数/模混合电路中对数/模接口型节点进行接口电路转换时引进的两种等效器件，详见第八章。
2. 元器件模型电路模拟的精度很大程度上取决于电路中代表各种元器件特性的模型。