PSpice建模：從電阻模型談起

很多在校的同學(xué)在使用仿真軟件時(shí)對(duì)器件模型并沒(méi)有什么認(rèn)識(shí)，覺(jué)得器件直接從器件庫(kù)中拉出來(lái)，畫出電路圖，就可以仿真了。

當(dāng)然如果我們只是單純?yōu)榱恕?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/1053/" target="_blank">EDA設(shè)計(jì)”課程寫份實(shí)驗(yàn)報(bào)告而進(jìn)行電路仿真，那么的確不需要過(guò)多了解模型，因?yàn)槲覀儾⒉魂P(guān)心實(shí)際電路的技術(shù)指標(biāo)，而只關(guān)注仿真的結(jié)果。但仿真真正的目的一定是為了指導(dǎo)硬件，為了能在生產(chǎn)前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷、調(diào)試其技術(shù)指標(biāo)，以及獲得電壓和功耗數(shù)據(jù)，提高設(shè)計(jì)的安全邊界等，這些都要求電路仿真有著足夠的精度和準(zhǔn)確度。而決定仿真精度和準(zhǔn)確度的決定因素是各元器件模型的準(zhǔn)確性和正確性，可以說(shuō)元器件模型是原理圖仿真的根基。

因此，對(duì)于仿真軟件中自帶的器件庫(kù)，我們不僅要會(huì)調(diào)用，還應(yīng)該了解它的模型，必要時(shí)進(jìn)行修改和調(diào)整。

另外，在設(shè)計(jì)實(shí)際電路中，還常常會(huì)遇到軟件自帶的器件庫(kù)中沒(méi)有找到需要型號(hào)的器件，那就需要到其官網(wǎng)上尋找它的SPICE模型，或是考慮自己構(gòu)建SPICE模型，當(dāng)然元器件建模是件最為艱難復(fù)雜而又艱難的過(guò)程。不過(guò)我們可以慢慢來(lái)，不是馬上就想要自己構(gòu)建一個(gè)復(fù)雜芯片的模型，而是從簡(jiǎn)單的器件入手。比如我們先聊聊電阻吧~~~

定值電阻

PSpice中的定值電阻模型主要包括3種，分別是Analog庫(kù)中的R、BreakOut庫(kù)中的Rbreak和PSPICE_ELEM庫(kù)中的Resisitor。外觀上并沒(méi)有什么區(qū)別，一般我們都是選擇Analog庫(kù)中的R，用于簡(jiǎn)單直流、交流和瞬態(tài)仿真等；Rbreak是這三個(gè)中唯一可以通過(guò)右鍵菜單“Edit PSpice Model”進(jìn)行模型文本編輯的，一般進(jìn)行蒙特卡洛分析時(shí)會(huì)使用這種；Resisitor主要用于高級(jí)仿真分析(如靈敏度分析、電應(yīng)力分析等)。

接下來(lái)，我們分別看一下這三種電阻的差別。

認(rèn)識(shí)電阻模型

jiexialai

雙擊 analog 庫(kù)中的 R，得到下圖所示的屬性項(xiàng)，以及各屬性項(xiàng)的含義

如果某一電阻的規(guī)格如下圖所示，該電阻的阻值我們假設(shè)是10k歐姆

那么可以對(duì)于上圖 標(biāo)注的參數(shù)在屬性項(xiàng)中進(jìn)行如下設(shè)置：

如果這時(shí)去看電路網(wǎng)表，可以看到電阻模型的語(yǔ)句為：

這就是電阻模型的SPICE格式：R N+ N- RMOD VALUE其中是電阻名，N+和N-分別是這個(gè)電阻兩端的節(jié)點(diǎn)，N+表示正節(jié)點(diǎn)，N-是負(fù)節(jié)點(diǎn)，電流是從N+流入到N-的，RMOD是定義電阻參數(shù)的模型名，后面.model語(yǔ)句就是對(duì)這個(gè)模型的定義。VALUE是電阻的阻值。 在PSpice中，用.Model定義元件參數(shù)模型，在同一電路中，相同的模型允許被一個(gè)或多個(gè)器件引用。比如一個(gè)電路中多個(gè)電阻都是同樣參數(shù)，那么就可以取相同的RMOD，并共用一個(gè).Model語(yǔ)句。模型定義的一般格式為： .modelMNameTypeP1=V1 P2=V2…… 其中MName是模型名，它必須以字母開(kāi)頭，Type表示元件模型類型（RES表示電阻，CAP表示電容，IND表示電感，NPN表示NPN晶體管，NJF表示N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管等）；P1、P2…表示元件參數(shù)；V1、V2…表示元件參數(shù)的值。

在電阻R屬性項(xiàng)中設(shè)置了“Tolerance”，這個(gè)就是定義了器件容差DEV，如果需要設(shè)置器件的批容差LOT，那就需要調(diào)用BREKOUT庫(kù)中的Rbreak.

點(diǎn)擊Rbreak元件，右鍵可以看到這個(gè)器件是可以編輯模型的，其他電阻右鍵中的“EditPSpiceModel”項(xiàng)是灰色的（不信你可以試試(????)）

點(diǎn)擊編輯模型后會(huì)調(diào)用cadence軟件中編輯模型的工具model Editor

上述語(yǔ)句表明電阻模型名稱為RBREAK，元件容差DEV為5%，按照高斯分布進(jìn)行變化；批容差LOT為5%，按照平均分布進(jìn)行變化，線性溫度系數(shù)為100u，二次溫度系數(shù)TC2沒(méi)有設(shè)置，為默認(rèn)的0。

這里的DEV和LOT在蒙特卡洛分析時(shí)起作用，TC在溫度分析時(shí)起作用。

從這你可以看出，不能直接編輯的Analog庫(kù)中的R是通過(guò)軟件內(nèi)置的屬性編輯表格設(shè)置參數(shù)，而Rbreak是通過(guò)直接輸出SPICE語(yǔ)句的方式設(shè)置參數(shù)。對(duì)于軟件底層來(lái)說(shuō)是一樣的，最后都是轉(zhuǎn)換成了SPICE語(yǔ)句。

如果需要進(jìn)行電應(yīng)力分析、靈敏度分析等PSpice AA（Advance Analysis）模塊的分析時(shí)，一般會(huì)選擇advanls文件下的PSPICE_ELEM庫(kù)中的Resisitor：

雙擊該電阻，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它的屬性設(shè)置項(xiàng)更豐富，包含了高級(jí)分析中涉及到的各種參數(shù)，比如容差參數(shù)還可以設(shè)置正負(fù)容差不相同的情況。

從上面三種定值電阻的選擇和設(shè)置可以看出，仿真原理圖中的每個(gè)元件背后其實(shí)是一個(gè)個(gè)SPICE模型文件

仿真軟件已經(jīng)提供了豐富的仿真器件，可以根據(jù)需求選擇最合適的元器件。電阻是這樣，其他元件也是同樣。如果需要將器件模型更趨于實(shí)際，可以通過(guò)設(shè)置模型參數(shù)或編輯模型，直接修改模型文件。

PSpice自帶庫(kù)中約含有五萬(wàn)個(gè)帶仿真模型的元件，在17.4版本中，還增加訪問(wèn)TI模型庫(kù)入口，可以輕松調(diào)用五千多個(gè)TI模擬集成電路（IC）模型。但在這電子技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代，新器件、國(guó)產(chǎn)器件…還是大概率找不到模型，還有一些特殊功能的元件，甚至沒(méi)有什么型號(hào)，如果想要仿真都是需要自己建模的。

自己建模的方法：

一般我們有兩種選擇：

1、通過(guò)直接使用SPICE語(yǔ)言編寫lib文件建立模型

2、通過(guò)分立元件搭建電路生成器件模型文件

前者對(duì)于大多數(shù)工程師有極大難度，因?yàn)槎紱](méi)有系統(tǒng)學(xué)習(xí)過(guò)SPICE語(yǔ)言，后者相對(duì)比較容易掌握。

通過(guò)分立元件搭建電路生成模型，也有兩種方式：

1、 采用繪制完整的內(nèi)部子電路的方式建模

2、采用模擬行為模型(Analog Behavioral Modeling即ABM)的方式進(jìn)行建模

如果對(duì)于IC芯片內(nèi)部電路比較了解可以采用第一種方式，但是很多時(shí)候芯片內(nèi)部電路是非常復(fù)雜的，如果不是IC廠商根本無(wú)法知道芯片內(nèi)部電路，而且即使是芯片廠商，也不愿意采用公開(kāi)內(nèi)部詳細(xì)電路的方式建模。所有絕大多數(shù)還是選擇采用模擬行為模型ABM、布爾邏輯、IF語(yǔ)言和無(wú)源元件電阻、電容、電感等搭建電路的方式建模。

下面我們使用模擬行為模型的方式構(gòu)建

一個(gè)壓控電阻的SPICE模型

壓控電阻的建模

壓控電阻就是電阻阻值隨著控制電壓的變化規(guī)律改變。

以構(gòu)建一個(gè)基準(zhǔn)值為50歐姆的壓控電阻的模型為例，說(shuō)明如何創(chuàng)建一個(gè)可以用于PSpice仿真的模型。

步驟一

繪制子電路

在Capture的繪圖區(qū)中繪制圖1所示的電路圖，其中GVALUE為ABM（analog Behavioral Modeling模擬行為模型）器件，G器件是輸入是電壓信號(hào)，輸出是電流信號(hào)。GVALUE器件的表達(dá)式就是傳遞函數(shù)，圖1中GVALUE的傳遞函數(shù)是：V(1,2)/(Rref*V(Ctrl))，也就是輸出電流Io=V(1,2)/(Rref*V(Ctrl))，這就實(shí)現(xiàn)了電路1、2節(jié)點(diǎn)之間的電阻值為Rref*V(Ctrl)，阻值隨著控制端電壓線性變化。圖中R1和R2主要是仿真中為防止懸空而放置的。

圖1 壓控電阻的子電路

步驟二

通過(guò)子電路創(chuàng)建lib文件

電路圖在軟件底層就是網(wǎng)表，在Capture界面下，選擇工程管理窗口，如圖2所示，點(diǎn)擊需要生成網(wǎng)表的那頁(yè)電路圖，如圖中的Rval,然后選擇菜單：Tool→Create Netlist。

圖2 創(chuàng)建電路網(wǎng)表

打開(kāi)圖3的對(duì)話框，在PSpice標(biāo)簽頁(yè)上點(diǎn)擊確定，創(chuàng)建Rval.lib。

圖3 創(chuàng)建lib文件

通過(guò)給定的路徑，我們可以在文件夾下找到剛剛生成的.lib的文件。

步驟三

用Model Editor生成olb文件

使用PSpice中的模型編輯器Model Editor打開(kāi)剛剛生成的.lib文件，或者直接在文件夾內(nèi)雙擊剛剛生成的.lib文件，執(zhí)行File→Export to capture part library，如圖4所示，設(shè)置完畢后點(diǎn)擊OK。

圖4 輸出olb文件

步驟四

為新器件選擇合適的外觀

繼續(xù)執(zhí)行File→Model Import Wizard，為該模型選擇合適的外形。如圖5所示，系統(tǒng)會(huì)提供默認(rèn)的外觀，也可以通過(guò)“Replace Symbol”從元件庫(kù)中找到可以兼容的外觀直接應(yīng)用。這里選擇使用默認(rèn)外觀。

圖5 編輯新建模型符號(hào)

按完成按鈕之后，在工程文件夾下就可以看到下面兩個(gè)文件：

如果對(duì)于默認(rèn)的外觀不滿意，可以通過(guò)Capture打開(kāi)olb文件進(jìn)行修改

步驟五

模型應(yīng)用在工程

經(jīng)過(guò)步驟三和步驟四，就生成了仿真模型必備的.lib和.olb文件。接著在需要調(diào)用新模型的工程下，執(zhí)行PSpice→Edit Simulation Profile→Configuration File→Library，按照?qǐng)D6的步驟，將新建的庫(kù)文件添加到工程中。

圖6 在工程中添加庫(kù)文件

之后就可以像調(diào)用自帶庫(kù)的元件一樣，將構(gòu)建好的壓控電阻應(yīng)用于圖7所示測(cè)試電路中。

圖7 測(cè)試電路

運(yùn)行結(jié)果可以看出電阻的確隨著控制電壓的規(guī)律而變化。

說(shuō)明建模成功，

這一期以最常見(jiàn)的電阻作為引子，讓大家看到了藏在直觀電路圖背后的模型文件，其實(shí)揭開(kāi)這層面紗之后，大家反而更敢于去面對(duì)了。

審核編輯 ：李倩