1、第 1 章 电子线路的计算机辅助设计 1.1 概述 随着电子计算机的硬件和软件技术的飞速发展，以计算机辅助设计（Computer Aided Design,简称 CAD）为基础的电子设计自动化（Electronic Design Automation, 简称 EDA）技术也得到了蓬勃发展，目前已成为电子学领域的重要设计手段。EDA 的兴起和发展，促进了集成电路和电路系统向着高集成度、高复杂度方向发展。目前，为了适应市场竞争的需要，电子产品更新换代的周期越来越短，过去几年才更新的产品，现在不到半年、甚至三个月就需要更新。为了满足上述需要，各种 EDA 软件应运而生，其中比较著名的 EDA 软件公
2、司包括 Candence, Mentor Graphics, Synopsys Viewlogic 和 Orcad 等公司。 集成电路的发展是 EDA 软件发展的主要动力，大规模集成电路（VLSI ）的发展要求在一个芯片上集成上万个乃至百万个晶体管，专用集成电路（ Application Specific Integrated Circuit,简称 ASIC）要求大容量、高速度和宽频带，这就要求 EDA 具有从设计、检验到制版的全部功能，完成自上而下（top-down）的设计工作，图 5.1.1 为一个典型的 EDA 设计流程图。 近年来用于数字电路系统设计和实现的 EDA 软件发展迅速，例如
3、最先由 Xilinx 公司推出的 FPGA (Field Programmable Gate Array )芯片设计软件，以及由 Altera 公司推出的CPLD(Complex Programmable Logic Device )芯片设计软件，目前许多公司如 Actel、 Lattics、Atmel 和 Microchip 等都有类似的产品。这些芯片从 40 只脚到几百只脚，芯片中可用的逻辑门从几十个到十几万个，种类齐全，功能繁多，可满足各种不同的需求。在这些 FPGA 或CPLD 芯片上可以利用设计软件（如 Altera 公司的 Max-Plus2）对要制作的电路系统进行设计、编译、仿真
4、。如果仿真成功，就可以将设计程序下载到芯片之中，使这些芯片成为该电路系统的专用芯片，实现所需功能。这种设计加速了电路的更新换代，并使电路设计人员能够很快地实现自己的设计思想。 目前大量应用的大规模集成电路基本上以数字逻辑电路为主，而一般数字逻辑电路的设计都是以基本功能器件（如逻辑门或现成的功能电路）作为单元而连接并绘制电路图。但是当电路较复杂并且规模较大时，如果用传统的电路绘制方法进行设计，就得花费大量的时间和精力。为了解决这一困难，人们设计了一种硬件描述语言 HDL(Hardware Description Language)，用来描述逻辑电路的设计，然后经翻译使语言描述变成硬件电路的逻辑结
5、构，从而节省了大量的设计时间。例如，一个集成电路中包括译码器、多位移位寄存器、计数器等，若使用电路绘图就相当困难，并需花费很多时间，但使用 HDL 语言描述则能轻而易举地完成上述任务。因此，在计算机辅助设计中，大规模的数字电路一般都采用 HDL 语言方式设计，而小规模电路或数/ 模混合电路则可以采用电路图输入方式进行设计。对于高速集成电路，人们常采用 VHDL 语言（ V 代表 VHSIC, Very High Speed Integrated Circuit）进行设计。 由于模拟电路的设计与数字电路的设计存在很大差异，后者能够比较方便地抽象出寄存器、触发器、逻辑门等不同层次的逻辑单元，然后按
6、一定规律的数据流和状态模型进行设计。而前者却由于结构千差万别，电路种类繁多，并受到不同电路参量如信号大小、频率高低等因素的影响，其复杂程度大大超过后者。因此，模拟电路的计算机辅助设计软件发展相对落后于数字电路的计算机辅助设计软件发展。 图 5.1.1 EDA 设计流程图 当前国际上各大 EDA 公司的模拟电路计算机辅助设计软件都是以美国加利福尼亚伯克利（ Berkeley）分校开 发 的 SPICE 程序为基础 而 发展起来 的 。 SPICE(Simulation Program Integrated Circuit Emphasis)是一个重点用于集成电路分析的仿真程序， 于 1972 年
7、问世， 并于1975 年正式 推出实用化版本， 此后版本不断更新， 其中以 1981 年的 SPICE2G.5 版最为流 行 。最初的 SPICE 程序是利用 FORTRAN 语言编写的，到了 1985 年，伯克利 分校将 SPICE 重新用 C 语言编写，称为 SPICE3。 SPICE 于 1998 年被定为美国国家工业标准。 Microsim 公司 的 PSpice (Personal Computer SPICE)是 SPICE 家族中比较出色的一员，它在保持原有功能的基础上， 在输入输出图形处理、 模拟功能扩展、 元器件模型参数库的功能数量上都进行了扩充。 PSpice5.0 以上版
8、本可在 Windows 环境下运行， 并且具有模 /数混合设计的功 能 。另外在 输 入方式上 也 从原来单 一 的网表文 件 形式变成 了 电路原理 图 输 入 和VHDL 输入二种方式。这使输入更加直观、准确，倍受工程技术人员的欢迎。 1998 年初MicroSim 公司与 OrCAD 公司强强联合以后，两家公司原有的 EDA 软件也有机地组合在一起， 所推出的 OrCAD Pspice 软件成为目 前市场上比较成熟的模拟电路计算机辅助设计软件。 1.2 OrCAD/Pspice软件系统及其功能简介 OrCAD 软件系统包括四 大部分 : OrCAD/capture, OrCAD/PSpi
9、ce , OrCAD/Layout 和OrCAD/Express。各部分软件的主要功能如下： (1) OrCAD/Capture： 这是一个电路原理图设计软件， 它可生成各类模拟电路、 数字电路和数 /模混合电路。 (2) OrCAD/Pspice： 这是一个电路仿真软件， 它可对由 Capture 生成的电 路原理图中的模拟电路、 数字电路、 以及数 /模混 合电路进行 仿真，针对 不同输入信 号条件下电 路系统的时间响应、瞬态响应、频率响应、灵敏度、噪声等有关参量进行分析，并对其进行优化。 (3) OrCAD/Layout： 这是一个印刷电路版图设计软件， 它可以将 Capture 生成的
10、电路原理图，通 过 自动布线 或 手动布线 的 方式，转 为 可用于制 版 的印刷电 路 版图（ PCB， Printed Circuit Board） 。在 PCB 设计中，可以进行多层布线（最多达 30 层） ， 布线分辨率可达 1 微米。 (4) OrCAD/Express： 这 是一个逻辑仿真软件，它可对由 Capture 生成的 数字电路进行从门级模拟，一直到 VHDL 综合和仿 真。用它可进行 10 万门以上的 CPLD、 FPGA、 ASIC设计，软件中提供了 Xilinx、 Altera、 Lattice、 Lucent、 Actel、 Philips、 Vantis 等公司的
11、器 件库。 作为计算机辅助设计的入门介绍，我们在这里只涉及 OrCAD/Capture 和 OrCAD/Pspice这两种软件的最基本用法，其它功能及另外两种软件的介绍可见参考文献 1-3。 OrCAD/Capture 是一种能以人机交互图形编辑方式在屏幕上绘制电路原理图的电路图设计软件， Capture 不但可 以与 PSpice A/D 配套使用，同时也是 PLD 设计和 PCB 设计 的基础。图 5.2.1 所示为 Capture 与其它配套软件的关系。 图 5.2.1 Capture 与其它配套软件的关系 OrCAD/Pspice A/D 是一种模、数混合电路的仿真软件 , 它具有下列
12、功能： null 直流、交流和瞬态分析。可以针对不同输入信号的输出结果进行测试。 null 元器件参量、 蒙特卡罗、 灵敏度及最坏情况分析。 可以分析元器件值改变时，电路的状态有何不同。 null 数字最坏定时状态分析（ Digital worst-case timing analysis） 。 可用于分析慢信号和快信号混合传输时的“ 定时问题” 。 OrCAD/Pspice A/D 软件提供了丰富的元器件库，其中模拟元器件多达 11300 个，数字元器件多达 1600 个，厂家主要源于北美、日本和欧洲。另外，PSpice A/D 还提供了修改现有元器件模型参数的功能，以及利用数学表达式和参数
13、描述来建立一个新的元器件模型的功能。以上两种功能便于用户在设计过程中利用现有或最新的元器件。 以下对我们实验中所要用到的 PSpice A/D 的分析功能进行简要介绍： 一、直流分析（DC Analysis ） 直流分析包括电路的静态工作点分析；直流小信号传递函数值分析；直流扫描分析；直流灵敏度分析。 （1 ）静态工作点分析(Bias point detail) 在进行静态工作点分析时，电路中的电容全部开路，电感全部短路，分析结果包括电路中每个节点的电压值（相对参考点）和电流值，以及在此工作点下有元器件的模型参数。 （2 ）直流传输特性分析（TF: Transfer Function） 分析电
14、路在直流小信号输入条件下，输出变量与输入变量的比值，输入阻抗和输出阻抗也作为直流分析的一部分被计算出来。进行此项分析时电路中不能有隔直电容。 （3 ）直流扫描分析（DC Sweep） 直流扫描分析可以做出各种直流特性转移曲线。输出变量可以是电路中某节点电压或电流，输入变量可以是独立电压源、独立电流源、温度、元器件模型参数或通用参数（用户可以自己定义）。 （4 ）直流灵敏度（DC Sensitivity ） 在直流小信号输入条件下，定量分析和比较电路特性对每个电路元器件参数的敏感程度。灵敏度分析结果以归一化的灵敏度值和相对灵敏度形式给出。 二、交流分析（AC Analysis ） 包括交流扫描和
15、噪声分析。在交流分析中，程序首先计算电路的静态工作点，确定电路中所有非线性器件的交流小信号模型参量，然后根据用户所指定的频率范围对电路进行仿真分析。 （1 ）交流扫描（AC Sweep） 在工作点确定条件下，对电路在一定频率范围内作小信号分析，获得传递函数（例如电压增益、幅频和相频曲线等）。 （2 ）噪声分析（Noise ） 由此可以分析每个确定频率点的以下结果： (i) 每一噪声源对输出噪声的影响； (ii) 输出端噪声的均方值； (iii) 等效输入噪声。 三、瞬态和傅里叶分析 (1) 瞬态分析(Transient) 瞬态分析属于时域分析，利用它可以分析电路中的电压、电流或数字状态随时间的
16、变化。 (2)傅里叶分析（Fourier ） 傅里叶分析属于频域分析。在输入正弦信号条件下，得出系统输出信号中的直流分量、各次谐波分量、以及非线性谐波失真系数等。 另外还有元器件参量分析、温度分析以及蒙特卡罗分析和最坏情况分析等，不作本实验课的要求，因此不在这里介绍。要想进一步了解这方面的内容，可以参看参考文献1-3 。 1.3 利用Capture软件输入电路原理图 Capture 是 OrCAD 软件中的电路输入软件， 利用它可以通过电路图和 HDL 语言二种方式输入所需设计的电路原理图， 这里主要介绍电路图输入方式。 下面介绍 Capture 软件的使用方法。 在 Window XX 的管
17、理栏中选择 “程序 （ Program） ”， 在程序栏中选择 “OrCAD Release XX”（或 “OrCAD Demo”） ， 就会弹出一个程序窗口，用鼠标选中其中的 “Capture”程序， 并双击鼠标左键运行该程序，此时在屏幕上会显示出一个 Capture 的图文窗口，如图 5.3.1 所示。 图 5.3.1 Capture 窗口 在 Capture 图文窗口中主要有四个部分： （ 1） 主菜单 （ 2） 工具栏 （ 3） 原理图显示区 （ 4） 记录区 (Session Log) 在设计开始时，首先激活主菜单中的 File 菜单，菜单中显示出下列功能： New（建立：开始新的工
18、作） Open（打开：打开原有的文件） Save（存贮） Save As（另存） Print Preview（打印预览） Print（打印） Print Setup（打印设置） Import Design（设计输入） Export Design（设计输出） Exit（退出） 选择 “New”， 再选中 “Project”，就会弹 出一个 “New Project”对话 窗口，如图 5.3.2 所示。在这个对话窗口中需进行三项设置： （ 1）项目名称设定：在 Name 栏中输入项目文件名 （ 2）设计类型选择： Analog or Mixed Signal Circuit（可用 PSpice 软
19、件对此电路进行仿真） PC Board Wizard（可将所画电路生成印刷板图） Programmable Logic Wizard（所画电路用于 CPLD 或 FPGA 设计） Schematic（仅绘制一般的电路图） （ 3）设置项目文件的路径名： 在 Location 栏中输入项目文件的路径， 也可以用 Browse 浏 览器选择所要存放项目文件的路径。在选择了 Browse 后，会弹出一个对话窗口， Drives 栏用于选择驱动器，在 Drives 栏 上方的方窗口中显示该驱动器下的目录层次关系供用户选择。用鼠标左键双击某个子目录名，即将其选为存放设计项目的子目录，选择 “OK”，就完
20、成所需的路径选项。 图 5.3.2 New Project 对话窗口 图 5.3.3 元器件库符号设置对话 窗口 在完成了 “New Project”设 置后， 选择 “OK”键， 会弹出一个元器件符号库设置对话窗口，如图 5.3.3 所 示 。 选择对话窗口左边文件库中的某个库名， 用 “add”键将 其加入到右边设计中所用的文件库中，调用完毕后点击 “完成 ”，则进入设计状态。这时图 5.3.1 中 Capture 图文窗口变成图 5.3.4 所示的图文窗口。 图 5.3.4 所示的 Capture 图文窗口主要包括五个部分： （ 1） 主菜单 （ 2） 工具栏 （ 3） 绘图专用工具栏
21、（ 4） PSpice 工具栏 （ 5） 原理图绘制和显示区 另外，还有二个缩小的图文窗口： （ 1） 执行记录窗（ Session Log） （ 2） 项目管理器 (Project Manager) 其中 Session log 窗口 （ 图 5.3.4） 记录了 PSpice 执行 过程的信息， 包括出错信息。 Project Manager 窗口中显示了各项目文件的路径。它包括三大类： （ 1） 设计资源（ Design Resource） （ 2） 输出文件（ Outputs） （ 3） PSpice 资源（ PSpice Resource） 图 5.3.4 Capture 图文窗口及
22、电路原理图例（文件名 Clipper） 设计资源中包括：电路图文件（生成的电路图存放在扩展名为 .DSN 的 文件中，每张电路图对应一页 PAGE，图 5.3.4 中的 电路图文件名为 Clipper, 它只有一页 图纸 PAGE1，激活PAGE1 就可打开 Clipper 电路设计图） 、电路图专用设计库（ Design Cache） 、当前配置的 元器件符号库（ Library） 。 在图 5.3.4 所示的原理图显示区有一张设计图纸，其上端文件名栏中出现 “Schematic1: PAGE1”。 它的工具栏下面或右边有一个电路图绘制专用工具栏 (tool palette)， 利用这 些专
23、用绘图工具， 就可以在设计图纸中绘出所示电路原理图。 在绘制电路原理图的过程中， 利用工具栏进行编辑或利用绘图工具栏中的专用工具进行绘图是很方便的， 因此可以将工具栏和绘图专用工具栏激活并拖拉， 或水平放置于电路图上方或竖直放置于电路图右方， 也可以放置于其它地方。 它们的开启和关闭控制在主菜单中 “View”的菜单选项中。 打开 “View”栏， 激活“Tool Palette”和 “toolbar”， 二者就打开， 并出现于屏幕上； 如果关闭 “Tool Palette”和 “Tool bar”，二者就从屏幕上消失。 下面我们对工具栏 (tool bar)和绘图专用工具栏 (tool pa
24、lette)的名 称及功能逐一加以说明： 工具栏： 符号 英文名 功能 New 生成一个新文件 Open 打开一个原有的 project文件或 library 文件 Save 存贮文件 Print 打印文件 Cut 剪除被选择的对象， 把它存放在剪贴板上 Copy 拷贝所选择的对象， 把它存放在剪贴板上 Paste 把剪贴板 上 的内容粘贴到光标处 Undo 取消上次命令， 恢复到命令前的状态 Redo 恢复到上 次 命令后的状态 Zoom In 放大视图 Zoom Out 缩小视图 Zoom Area 将指定的部分视图放大 Zoom All 观看全部视图 *Annotate 对元器件进行编号
25、 *Back Annotate 反向标注， 例如： 对 PCB图上的元器 件标号进行 修改后， 对原理图上的相应元器件标号也做修改。 *Design Rules Check 设计规则检查 *Create Netlist 产生连接网络表 *Cross Reference 交互参考报表 *Bill of Materials 元器件统计报表 *Snap-to-Grid使光标在 栅 格或格点上移动的切换 Project Manager 转向项目管理器 Help Topics 实时帮助 绘图专用工具栏（ Tool Palette） ： 符号 英文名 功能 Select 选择作用对象 Part 从元器 件
26、库 中选择 元器件，并放置于指定位置 Wire 连线（一 般 为水平线 或 垂直连线， 同时按 Shift 键， 可 使其与水平或 垂直方向成 一定角度） Net Alias 在不相连 的 线或总线 上 加“标号 ”，使 其 通 过 “标号 ”相连。*Bus 总线（一 般 为水平或 垂 直总线， 同时按 Shift 键， 可使总线与水平或 垂直方向成 一定角度） Junction 添加一个连接点 *Bus Entry 总线入端 Power 加入电源 Ground 加入地线 *Hierarchical Block 分层电路中的框图单元 *Hierarchical Port 分层电路 中 的框图的
27、 端 口连接符 *Hierarchical Pin 分层电路 中 的框图的 内 部连接符 *Off-Page Connector 多页连接端口 *No Connect 不连接标识符 Line 画线段 Polyline 画连线（ 水 平或垂直 ， 同时按 Shift 键， 可得任意角度的连线） Rectangle 画正方形或长方形 Ellipse 画圆或椭圆 Arc 画弧线 Text 写文字 注： 带 *的功能初学者可略去。 另外还有一个 PSpice 专用工具栏 (Tool Bar)，它们的符号和功能分别是： 符号 英文名 功能 New Simulation Profile 新仿真文件名设定
28、Edit Simulation Settings 仿真参量设定 Run 运行 PSpice View Simulation Results 显示仿真结果 Voltage Level 设置电压测量点 Current Into Pin 设置电流测量点 *Voltage Differential 设置电压差测量点 为了使读者熟悉 OrCAD Capture 的使 用方法， 我们以图 5.3.4 中 二极管削波电路 （ Diode Clipper Circuit）为例，介绍电路图的基本输入步骤。 （ 1）放置电阻 激活绘图工具栏中的 “Place Part ” 键， 弹击 Place Part对话窗口
29、， 如图 5.3.5 所示 ， 在libraries栏中 选择元器件库 “ANALOG”，并在 Part栏中选电阻 “R”，点击 “OK”键，将电阻 R拖曳至 R1位置处， 击鼠标左 键放置 R1， 接 着将第二个电阻拖至 R2 处， 击鼠标右 键， 选择 “Rotate”，将电阻变成垂直方向，击左键，放置 R2处。类 似地放置 R3、 R4，放置 完毕，击鼠标右键，选 “End Mode”，结束电阻放置。 （ 2）放置电容 用上述同样的方法放置电容 C1。 （ 3）放置二极管 激活绘图工具栏中的 “Place Part” 键，弹出 Place Part对话窗口，如图 5.3.5 所 示，在l
30、ibraries栏中 选择元器件库 DIODE（以 OrCAD 9.0 Demo为例） ，在 Part栏中选择 “DIN3940”，选择 “OK”， 击鼠标右键， 光标选择 “Rotate”， 将二极 管变成垂直方向， 击鼠标左键放于 D1处。用同样方法将第二支二极管放于 D2处。 （ 4）放置电源 激活绘图工具栏中的 “Place Part” 键，弹出 Place Part对话窗口，如图 5.3.5 所 示，在Libraries栏中 选择元器件库 “Source”，在 Part栏中选择信号源 “VSIN”，击 “OK”， 将其放于 Vin处， 击鼠标右键弹出图 5.3.6 所示菜单 ， 选
31、“End Mode”结束信号 源 “VSIN”的 放置。 再重复上述操作，在 Part栏中选择直流电压源 “VDC”，击 “OK”，将其放于 V1处。 （ 5）放置地线 激活绘图工具栏中的 “Place Ground“ 键， 弹出对话窗口， 在 Libraries中选择 “Source”，在 “Symbol”栏中选择 O/SOURCE，点击 “OK”，将其分别放置于 R4处、 V1处、 Vin处。 （ 6）连线 激活绘图工具栏中的 “Place Wire” 键 ，分别将各元器件按图 5.3.4 连接。 图 5.3.5 Place part 对话窗口 图 5.3.6 元器件放置方式选择菜单 （
32、7）放置连接 端口符号 激活绘图工具栏中的 “Place-off-page connector” 键 ， 在 Libraries中选 择 “CAPSYM”，在 Symbol栏中 选择 “OFFPAGELEFT-R”，选 择 “OK”， 双 击 鼠标右 键， 利用 “Rotate”功能 分 别将此连接符号放于 In、 Vcc、 Out和 V1、 Vin处。 （ 8）给各元器件赋值 (a)电阻和电容的赋值 激活 R2，出 现如图 5.3.7 所示的元 器件参数 编 辑窗口。 在 Value栏中键入 “3.3K”，点击“Apply”键更新设置，关闭编辑窗口，完成 R2的赋值。以此类推，分别对 R3、
33、 R4， C1赋值。 (b) 直流电压源 V1的赋值 激活直流 电 源 V1，出现 元器件特 性 参数编辑 窗 口，在 DC栏 中键入 “5V”，点击 “Apply”键更新设置，然后关闭编辑窗口。 (c)连接端口符号 “图 5.6.5 出现饱和失真时的输出电压及流入晶体管 E 极电流的波形 4) 分析幅频和相频特性 。 在图 5.6.1 中 放大器输入为 V(in),输出为 V(out)。 可分析频率范围 0.1Hz 到 100MegHz内该放大器幅频特性和相频特性。图 5.6.6 为相 位频率特性曲线和幅度频率特性曲线。通过测量得到 f=30KHZ 处的放大倍数 Av=21.35。该放大器的
34、 3dB 通频带 BW=3.9258Mhz。 注意 VA C 扫描功能下支持频率特性测量。幅频特性可以在 pspice 波形窗 口用 add trace功能加 V(out)或者 V(OUT)/v(in)得到。 相频特性测量用 VP(out)或者 P(V(OUT)/v(in)得到 。也可在原理图 capture 窗口 取 pspice 菜单中 marker-advanced 子 菜单的电压测试探针和电压相位测试探针， 接着在原理图中 out 测 试点上放置， 最后仿真完可在波形窗口可以得到所需波形。 注意在 pspice 波形显示窗 口可进行曲线观察和测量。 曲线运算可采用 Edit 菜单 modify objects 功能 ，比如可以用电压电流算出阻抗曲线。可采用 cursor 进行手工曲线测量，比如可以测试最大最小值， 带宽等。 也可用 Eval Goal Functions 进 行自动测量曲线指标， 比如 3dB带宽，最大值等。也可以采用 Performance analysis 观察参数扫描对电路性能的影响，比如本节后面通过反馈电阻值扫描分析负反馈性能。
