第3 章 电子 电路 设计 与 仿真
本章将使用 AD 软件实现对模拟电路的仿真，其内容主要包括直流工作点分析、直流扫描分析、交流小信号分析、瞬态分析、参数扫描分析、傅里叶分析、噪声分析、温度分析和蒙特卡洛分析。
3.1 直流工作点分析
本节将构建用于直流分析的电路，并执行直流工作点分析，主要内容包括构建直流分析电路、设置分析参数和分析仿真结果。
3.1.1 建立新的直流工作点分析工程
下面首先给出建立直流分析电路工程的步骤。其步骤主要包括：
（1）在 Windows 10 操作系统主界面的左下角选择【开始】→ Altium Designer，打开 AD 软件。
（2）在 AD 主界面主菜单下选择 New→Project→PCB Project，创建一个名为 PCB_Project1. PrjPCB 的新工程，添加名为 Sheet1. SchDoc 的原理图文件。
3.1.2 添加新的仿真库
下面添加仿真所需要用到的一些仿真库。其步骤主要包括：
（1）在当前 AD 主界面工具栏下单击 ☐ 按钮，打开如图 3-1 所示的元器件库浏览界面（若没有，可在 Design 中找到）。
（2）在图3-1所示的界面内，单击Libraries按钮，打开如图3-2所示的
Available Libraries(可利用的库)界面，选择 Installed 标签。
（3）单击图3-2界面下方的Install按钮。
（4）如图3-3所示，打开所要添加库的对话框。
① 将路径指向 C:\users\Public\Documents\Altium\AD18\Library\Simulation。
②选择 Simulation Sources，并单击“打开”按钮。
（5）如图3-4所示，看到新添加的Simulation Sources. IntLib仿真库。
（6）单击图3-4界面内的 Close 按钮，退出该界面。
3.1.3 构建直流分析电路
下面构建直流分析电路。其步骤主要包括：
（1）从 Miscellaneous Devices. IntLib 库中分别找到名为 Res1 的电阻元器件和名为 Cap Semi 的电容元器件，并将其按照图 3-5 所示的位置进行放置。
（2）从 Simulation Sources. IntLib 库中找到名为 VSRC 的元器件，并按照图 3-5 所示的位置进行放置。
（3）单击 AD 主界面下工具栏内的 ☐ 按钮，将 GND 按照图 3-5 所示的位置进行放置。
（4）单击 AD 主界面下的工具栏内的连线按钮，将这些元器件和直流源按照图 3-6 所示的方式进行连接。
（5）按照前面所介绍的为元器件分配标识符的方法，为电路中的元器件和直流源分配唯一的标号，图3-6给出分配完标识符后的原理图界面。
（6）修改 V1、R1 和 C1 的参数设置。下面以修改 V1 的参数为例：
① 双击图 3-6 内的 V1 信号源图标。
② 打开如图 3-7 所示的界面，在 Parameters 下，找到 Value 行，在右侧输入 5V。
③ 单击 OK 按钮，关闭该界面。如图 3-8 所示，修改剩下的电路元器件参数，以满足仿真条件。
（7）为了便于分析仿真结果，如图 3-9 所示，按照前面的方法，为电路某些节点指定网络标号。
（8）保存设计文件，将其保存在 dc_analysis 目录下（读者可以自己建立一个子目录）。
3.1.4 设置直流工作点分析参数
下面介绍设置直流工作点分析参数的方法。其步骤主要包括：
（1）在 AD 主界面主菜单下选择 Design→Simulate→Mixed Sim。
如果 Simulate 那一栏是空的，则是因为安装软件时没安装仿真模块。可以通过选择 Help $ \rightarrow $ About $ \rightarrow $ Extension & Updates 在 installed 选项卡中单击 Configure 按钮勾选 Platform Extension 中没选中的选项，再单击 Apply 按钮重启一下就好。
（2）打开如图 3-10 所示的 Analyses Setup（分析设置）界面。按下面参数设置：
① 在 General Setup(通用设置)项内设置：
• Collect Data For: Active Signals/Probes（搜集数据用于：活动信号/探针）。
在 Available Signals（可用的信号）中选择 1 和 2，将其分别添加到 Active Signals（活动信号）栏中。
② 选中 Operating Point Analysis（操作点分析）。
③单击 OK 按钮，退出分析设置界面，开始执行仿真。
建议添加 v1 # branch 到右侧 ActiveSignal，因为后面要查看它。如果 V(1)、V(2)无法查看，请使用后面的 AddWave 的方式查看。
3.1.5 直流工作点仿真结果分析
下面对直流工作点仿真的结果进行分析。其步骤主要包括：
（1）弹出如图3-11所示的消息窗口，该消息窗口给出了对Spice电路的分析过程。
电路设计、仿真与PCB设计
（2）关闭消息窗口。
（3）自动打开 PCB_Project1.sdf 文件，图 3-12 给出了对应于两个节点电压的分析结果。
（4）下面进一步通过软件计算得到流经 R1 和 R2 电阻的电流值。按下面步骤进行操作：
① 在图 3-12 所示的界面上，单击鼠标右键，出现快捷菜单，选择 Add Wave。
② 出现图 3-13 所示的界面，在 Expression 右侧输入 v1# branch。
3.2 直流扫描分析
本节将使用前面设计的电路，实现直流扫描分析，主要内容包括打开前面的分析电路、设置直流扫描参数和分析直流扫描的仿真结果。
3.2.1 打开前面的设计
打开前面设计的步骤主要包括：
（1）新建一个 dc_sweep_analysis 文件夹，把 dc_analysis 文件夹下的所有文件复制到 dc_sweep_analysis 文件夹下。
(2) 在 AD 软件中，打开 dc_sweep_analysis 文件夹下的工程文件。
3.2.2 设置直流扫描分析参数
下面介绍设置直流扫描分析参数的方法。其步骤主要包括：
（1）在 AD 主界面主菜单下选择 Design→Simulate→Mixed Sim。
（2）打开如图3-16所示的 Analyses Setup（分析设置）界面，按下面参数设置：
选中 DC Sweep Analysis 复选框。
（3）打开 DC Sweep Analysis Setup(DC 扫描分析设置)界面，按下面参数设置：
① Primary Source: V1.
② Primary Start: 0.000.
③ Primary Stop: 10.00.
④ Primary Step: 1.000.
⑤ 其余参数按默认设置。
（4）单击 OK 按钮，退出分析设置界面，开始执行仿真。
3.2.3 直流扫描仿真结果分析
下面介绍通过图形观察直流扫描仿真结果的方法。其步骤主要包括：
（1）运行 Spice 仿真后，弹出消息对话框，关闭该对话框。
（2）自动打开 PCB_Project1.sdf 文件。如图 3-17 所示，在该文件下有两个标签：一个是 Operating Point（操作点）；另一个是 DC Sweep（DC 扫描）。单击 DC
Sweep 标签。
（3）在出现的 PCB_Project1.sdf 空白界面中单击鼠标右键，出现快捷菜单，选择 Add Plot。
（4）出现图 3-18 所示的 Plot Wizard-Plot Title（图形向导-图形标题，即三个步骤中的第一个步骤）。在 What title should this plot have（这个图形的标题是什么）中，根据自己的习惯给该图形命名，在此给出的名称是 V2，单击 Next 按钮。
（5）出现如图 3-19 所示的界面。该界面用来选择需要显示的条项，不需要修改任何参数，单击 Next 按钮。
（6）出现如图3-20所示的界面。在该界面中，添加需要查看的波形，单击Add按钮。
（7）出现图3-21所示的界面。在 Wave Setup下面选择 V（2）条目，并双击该选项，可以看到在 Expression 右侧出现了 V（2）。
（8）单击 Create 按钮。
（9）在图3-20所示的界面中，添加名为V(2)的波形。在该界面中单击Next按钮。
（10）出现 Plot Wizard-Finish 界面。
（11）单击 Finish 按钮。
（12）出现如图3-22所示的 V(2)波形。
电路设计、仿真与PCB设计
（13）保存设计工程，并关闭该设计工程。
3.3 交流小信号分析
本节将构建用于交流小信号分析的电路，并执行交流小信号分析，主要内容包括构建交流小信号电路、设置交流小信号分析参数和分析交流小信号的仿真结果。
3.3.1 建立新的交流小信号分析工程
下面首先给出建立交流小信号分析电路工程的步骤。其步骤主要包括：
（1）在 Windows 10 操作系统主界面的左下角选择【开始】→Altium Designer，打开 AD 软件。
（2）在 AD 主界面主菜单下选择 New→Project→PCB Project，创建一个名为 PCB_Project1.PrjPCB 的新工程。
（3）按照前面所介绍的添加原理图的方法，添加名字为 Sheet1.SchDoc 的原理图文件。
3.3.2 构建交流小信号分析电路
下面构建交流小信号分析电路。其步骤主要包括：
（1）从 Miscellaneous Devices. IntLib 库中分别找到名字为 Res1 的电阻元器件、名字为 Cap 的电容元器件、名字为 1N4001 的二极管（必须选择 Model Type 为 Simulation 的元器件），并将这些元器件按照图 3-23 所示的位置进行放置。
（2）从 Simulation Sources. IntLib 库中找到名字为 VSRC 和 VSIN 的元器件，并按照图 3-23 所示的位置进行放置。
（3）单击 AD 主界面下工具栏内的 ☐ 按钮，将 GND 按照图 3-23 所示的位置进行放置。
（4）单击 AD 主界面下的工具栏内的连线按钮，将这些元器件和信号源按照图 3-24 所示的方式进行连接。
（5）按照为元器件分配标识符的方法，为电路中的元器件和信号源分配唯一的标识符。图3-25给出了分配完标识符后的原理图界面。
（6）按照图3-26所示，修改电路中元器件和信号源的参数设置。为了便于后面对激励源信号的参数修改，下面给出修改V2的参数设置步骤。
① 双击 V2 交流信号源符号，打开其配置界面。
② 单击其配置界面 General 选项卡下方的 Models 选项的 ☐ 按钮对 VSIN 进行编辑，打开图 3-27 所示的信号源参数对话框。在该对话框中有下面三个标签：
• Model Kind(模型种类)。
• Parameters(参数)。
• Port Map(端口映射)。
③从图形中可以看出，当前选择的是 Sinusoidal，单击 Parameters 标签栏，可以看到
正弦信号的参数，在该界面下可以对该信号源的参数进行修改，如图 3-28 所示。在右侧 Component parameter（元器件参数）中选中相应的参数，就可以在原理图界面中看到该参数。
（7）为了分析方便，按图3-29所示为电路的一些节点指定网络标识符。
（8）保存设计文件，将其保存到 ac_analysis 目录下（可根据情况确定保存路径）。
3.3.3 设置交流小信号分析参数
下面介绍设置交流小信号分析参数的方法。其步骤主要包括：
（1）在 AD 主界面主菜单下选择 Design→Simulate→Mixed Sim。
（2）打开如图3-30所示的 Analyses Setup（分析设置）界面，按下面参数设置。
① 在 General Setup(通用设置)项内设置：
• Collect Data For: Active Signals/Probes(搜集数据用于：活动信号/探针)。
在 Available Signals（可用的信号）中选择 MID 和 OUT，将其添加到 Active Signals（活动信号），如图 3-30 所示。
② 选中 AC Small Signal Analysis（AC 小信号分析），出现 AC Small Signal Analysis Setup（AC 小信号分析设置）界面，按图 3-31 界面设置参数。
• Start Frequency(起始频率): 10.00。
• Stop Frequency(结束频率): 100.0 meg.
Sweep Type(扫描类型): Decade.
电路设计、仿真与PCB设计
Test Points(测试点): 11.
③ 单击 OK 按钮，退出分析设置界面，开始运行仿真。
3.3.4 交流小信号仿真结果分析
下面介绍通过图形观察交流小信号仿真结果的方法。对交流小信号仿真结果分析的步骤主要包括：
（1）运行 Spice 仿真后，弹出消息对话框，关闭该对话框。
（2）自动打开 PCB_Project1.sdf 文件，如图 3-32 所示，在该文件下有两个标签，其中一个是 Operating Point，另一个是 AC Analysis，单击 AC Analysis 标签。
（3）如图3-33所示，可以看到MID和OUT两个网络节
点的交流小信号分析的结果。
下面将在图 3-33 中增加 Y 轴，其单位改成 dB。实现该过程的步骤主要包括：
（1）在图3-33所示的界面的上面mid波形图内单击鼠标右键，出现快捷菜单，选择Add Wave To Plot选项，出现图3-34所示的界面。在该界面内按如下设置：
① 在 Waveforms 窗口下选择 mid。
② 在 Complex Functions 下选择 Magnitude(dB)。
③ 选中 Add to new Y axis(添加新的 Y 轴)选项。
（2）单击 Create 按钮。
（3）在图3-35所示界面的mid图形中添加了Y轴。
电路设计、仿真与PCB设计
（4）按照前面的方法，为 out 添加波形。图3-36给出了out添加的新波形。
（5）保存设计工程和相关文件，将其保存到 ac_analysis 目录下。
（6）关闭该设计工程。
3.4 瞬态分析
本节将构建用于瞬态分析的电路，并执行瞬态分析，主要内容包括构建瞬态分析电路、设置瞬态分析参数和分析瞬态仿真的结果。
3.4.1 建立新的瞬态分析工程
下面首先给出建立瞬态分析电路工程的步骤。其步骤主要包括：
（1）在 Windows 10 操作系统主界面的左下角选择【开始】→Altium Designer，打开 AD 软件。
（2）在 AD 主界面主菜单下选择 New→Project→PCB Project，创建一个名为 PCB_Project1.PrjPCB 的新工程。
（3）按照前面所介绍的添加原理图的方法，添加名字为 Sheet1.SchDoc 的原理图文件。
3.4.2 构建瞬态分析电路
下面构建用于瞬态分析的电路，并执行瞬态分析。其步骤主要包括：
（1）从 Miscellaneous Devices. IntLib 库中分别找到名为 Res1 的电阻元器件、名为 Cap 的电容元器件、名为 Op Amp 的运算放大器（必须选择 Model Type 为 Simulation 的元器件），并将其按照图 3-37 所示的位置分别进行放置。
（2）从 Simulation Sources. IntLib 库中找到名为 VSRC 和 VPULSE 的元器件，并按照图 3-37 所示的位置进行放置。
（3）单击 AD 主界面下工具栏内的 ☐ 按钮，将 GND 按照图 3-37 所示的位置进行放置。
（4）单击 AD 主界面下工具栏内的连线按钮，将这些元器件和信号源按照图 3-38 所示的方式进行连接。
（5）按照前面所介绍的为元器件分配标识符的方法，为电路中的元器件和信号源分配唯一的标识符。图3-39给出分配完标识符后的原理图界面。
（6）在如图3-40所示的电路中，按照前面的方法，将V1和V3的直流电源设置为+15V。
（7）为了后面分析仿真结果的方便，按图3-40所示的电路，在放大器的输入和输出端分别放置名字为IN和OUT的网络标号。
（8）保存文件，将其保存到 transient_analysis 目录下。
3.4.3 设置瞬态分析参数
下面介绍设置瞬态分析参数的方法。其步骤主要包括：
（1）在 AD 主界面主菜单下选择 Design→Simulate→Mixed Sim。
（2）出现如图3-41所示的 Analyses Setup（分析设置）界面，按下面参数设置：
① 选中 Operating Point Analysis 和 Transient Analysis 选项，执行直流工作点和瞬态分析功能。
② 将 Collect Data For 设置为 Active Signals/Probes。
③ 将 IN 和 OUT 添加到 Active Signals 栏中。
（3）选择 Transient Analysis 选项，出现如图 3-41 和图 3-42 所示的 Transient Analysis Setup（瞬态分析设置）界面。按下面参数设置：
① 不选择 Use Transient Defaults(使用瞬态默认)选项，表示设计者定制瞬时分析参数。
② 在 Transient Stop Time(瞬时停止时间)后面输入 30.00u。
③ 其他按默认参数设置。
（4）单击 OK 按钮，退出分析设置界面，运行仿真。
3.4.4 瞬态仿真结果分析
下面介绍通过图形观察瞬态仿真的结果的方法。其步骤主要包括：
（1）运行 Spice 仿真后，弹出消息对话框，关闭该对话框。
（2）自动打开 PCB_Project1.sdf 文件。如图 3-43 所示，在该文件下有两个标签，其中一个是 Operating Point，另一个是 Transient Analysis，单击 Transient Analysis 标签。
（3）如果不显示图3-44所示的图形，则按照前面的方法添加in和out波形。
（4）保存工程文件，将其保存到 transient_analysis 目录下，并退出该工程。
3.5 参数扫描分析
本节将构建用于参数扫描分析的电路，并执行参数扫描分析，主要内容包括修改前面的设计、设置参数扫描参数和分析参数扫描的仿真结果。
3.5.1 打开前面的设计
打开前面设计的步骤主要包括：
（1）新建一个 parametric_analysis 文件夹，把 transient_analysis 文件夹下的所有文件复制到 parametric_analysis 文件夹下。
（2）在 AD 软件中，打开 parametric_analysis 文件夹下的工程文件。
3.5.2 设置参数扫描分析参数
下面介绍设置参数扫描分析参数的方法。其步骤主要包括：
（1）在 AD 主界面主菜单下选择 Design→Simulate→Mixed Sim。
（2）打开如图 3-45 所示的 Analyses Setup（分析设置）界面。按下面参数设置：
① 选中 Operating Point Analysis、Transient Analysis 和 Parameter Sweep 选项，执行直流工作点、瞬态分析和参数扫描功能。
② 将 Collect Data For 设置为 Active Signals/Probes。
③ 将 IN 和 OUT 添加到 Active Signals 栏中。
（3）选择 Parameter Sweep 选项，出现如图 3-46 所示的 Parameter Sweep Setup（参数扫描设置）界面。按下面参数设置：
电路设计、仿真与PCB设计
① Primary Sweep Variable: R1[resistance]。
② Primary Start Value: 1.000k.
③ Primary Stop Value: 10.000k.
④ Primary Step Value: 1.000k.
⑤ Primary Sweep Type: Absolute Values.
⑥ 其他按默认参数设置。
（4）单击 OK 按钮，退出分析设置界面，运行仿真。
3.5.3 参数扫描结果分析
下面对参数扫描的结果进行分析。其步骤主要包括：
（1）运行 Spice 仿真后，弹出消息对话框，关闭该对话框。
（2）自动打开 PCB_Project1.sdf 文件。在该文件下有两个标签。其中一个是 Operating Point，另一个是 Transient Analysis。单击 Transient Analysis 标签。
（3）如果没有波形出现，则在该文件的图形界面内单击鼠标右键，出现快捷菜单，选择 Add Wave To Plot。
（4）出现图3-47所示的选择添加波形对话框。依次选择in、out、out_p01、out_p02、out_p03、out_p04、out_p05、out_p06、out_p07、out_p08、out_p09、out_p10，并依次单击Create按钮，直到将所有波形添加到波形图界面中。
其中，out_pxx 表示在 R1 从 1kΩ 到 10kΩ 变化的过程中输出的变化情况。
（5）添加完成后，如图3-48所示，可以看出输出的变化情况。
（6）保存工程文件，并退出设计工程。
3.6 傅里叶分析
本节将构建单个 NPN 晶体管放大电路，并在瞬态分析的基础上执行傅里叶分析。主要内容包括构建傅里叶分析电路、设置傅里叶分析参数和分析傅里叶仿真结果。
3.6.1 建立新的傅里叶分析工程
下面首先给出建立新的傅里叶分析电路工程的步骤。其步骤主要包括：
（1）在 Windows 10 操作系统主界面的左下角选择【开始】→Altium Designer，打开 AD 软件。
（2）在 AD 主界面主菜单下选择 New→Project→PCB Project，创建一个名字为 PCB_Project1.PrjPCB 的新工程。
（3）按照前面所介绍的添加原理图的方法，添加名字为 Sheet1.SchDoc 的原理图文件。
3.6.2 构建傅里叶分析电路
下面构建傅里叶分析电路。其步骤主要包括：
（1）从 Miscellaneous Devices. IntLib 库中分别找到名字为 Res1 的电阻元器件、名字为 Cap 的电容元器件、名字为 NPN 的晶体管（必须选择 Model Type 为 Simulation 的元器件），并将其按照图 3-49 所示的位置进行放置。
(2) 从 Simulation Sources. IntLib 库中找到名字为 VSRC 和 VSIN 的元器件，并按
照图 3-49 所示的位置进行放置。
（3）单击 AD 主界面下工具栏内的 ☐ 按钮，将 GND 按照图 3-49 所示的位置进行放置。
（4）单击 AD 主界面下工具栏内的连线按钮，将这些元器件和信号源按照图 3-50 所示的方式进行连接。
（5）按照前面所介绍的为元器件分配标识符的方法，为电路中的元器件和信号源分配唯一的标识符。图3-51给出分配完标识符后的原理图界面。
（6）在如图3-51所示的电路中，按照前面的方法，将V1直流电源设置为+12V。按图3-52所示，设置V2信号源，其参数设置为：
① Amplitude: 0.1，并选中右侧的复选框。
② Frequency: $ 10\mathrm{k\Omega} $，并选中右侧的复选框。
（7）按照图3-53所示，将电阻和电容值改成相应的值。
（8）为了观察方便，如图3-53所示，在放大器的输入和输出端分别放置名字为IN和OUT的网络标号。
（9）保存设计，将其保存到 fourier_analysis 目录。
3.6.3 设置傅里叶分析参数
下面介绍设置傅里叶分析参数的方法。其步骤主要包括：
（1）在 AD 主界面主菜单下选择 Design→Simulate→Mixed Sim。
（2）打开如图3-54所示的 Analyses Setup（分析设置）界面，按下面参数设置：
① 选中 Operating Point Analysis 和 Transient Analysis 选项，执行直流工作点和瞬态分析功能。
② 将 Collect Data For 设置为 Active Signals/Probes。
③ 将 IN 和 OUT 添加到 Active Signals 栏中。
（3）选择 Transient Analysis 选项，出现如图 3-55 所示的 Transient Analysis Setup（瞬态分析设置）对话框。按下面参数设置：
① 选中 Use Transient Defaults。
② 选中 Enable Fourier。
③ 其他按默认参数设置。
（4）单击 OK 按钮，退出分析设置界面，运行仿真。
3.6.4 傅里叶仿真结果分析
下面对傅里叶仿真结果进行分析。其步骤主要包括：
（1）运行 Spice 仿真后，弹出消息对话框，关闭该对话框。
（2）自动打开 PCB_Project1.sdf 文件，如图 3-56 所示，在该文件下有三个标签：Operating Point、Transient Analysis 和 Fourier Analysis，单击 Fourier Analysis 标签。
（3）看到如图3-57所示的傅里叶分析的结果。
（4）单击 Transient Analysis 标签，打开时序分析结果。如果没有出现波形，则按照前面的方法手工将 IN 和 OUT 信号波形添加到该界面中。图 3-58 给出了瞬态分析结果。
3.6.5 修改电路参数重新执行傅里叶分析
下面修改电路参数并重新执行傅里叶分析。其步骤主要包括：
（1）将图3-53中的R4的值改成56K，重新执行傅里叶分析。
（2）看到如图3-59所示的傅里叶分析的结果，很明显发生失真。
电路设计、仿真与PCB设计
（3）图3-60给出了瞬态分析结果。
（4）如图3-61所示，单击PCB_Project1.sim标签，打开PCB_Project1.sim文件。
该文件给出了所对应的 IN 和 OUT 节点基波和 10 次谐波的幅度和相位的大小，以及所得到的总谐波失真 THD 的详细信息，如图 3-62 所示。
（5）保存工程文件，将其保存到 fourier_analysis 目录下（根据情况保存到其他目录下），并且退出该设计工程。
3.7 噪声分析
本节将构建用于噪声分析的电路，并执行噪声分析，主要内容包括构建噪声分析电路、设置噪声分析参数和分析噪声仿真结果。首先对噪声分析中的一些理论知识进行介绍。
输入和输出噪声的定义如下：
1 ）输出噪声
输出噪声是指与指定输出网络相关的所有噪声设备噪声的 RMS 值。
2 ）输入噪声
输入噪声是一个等效噪声，是指在一个无噪声的理想电路中，在输入源所施加的噪声，用于等效在指定输出网络计算所得到的噪声。表3-1给出了不同元器件所产生的噪声列表。
| 器件类型 | 噪声类型 $ V^{2}/Hz $ | 含义 |
| --- | --- | --- |
| B(GaAsFET) | FID | 闪烁噪声 |
| RD | 与RD相关的热噪声 | |
| RG | 与RG相关的热噪声 | |
| RS | 与RS相关的热噪声 | |
| SID | 散粒噪声 | |
| TOT | 总噪声 | |
| D(二极管) | FID | 闪烁噪声 |
| RS | 与RS相关的热噪声 | |
| SID | 散粒噪声 | |
| TOT | 总噪声 | |
| 数字输入 | RHI | 与RHI相关的热噪声 |
| RLO | 与RLO相关的热噪声 | |
| TOT | 总噪声 | |
| 数字输出 | TOT | 总噪声 |
| J(JFET) | FID | 闪烁噪声 |
| RD | 与RD相关的热噪声 | |
| RG | 与RG相关的热噪声 | |
| RS | 与RS相关的热噪声 | |
| SID | 散粒噪声 | |
| TOT | 总噪声 | |
| M(MOSFET) | FID | 闪烁噪声 |
| RB | 与RB相关的热噪声 | |
| RD | 与RD相关的热噪声 | |
| RG | 与RG相关的热噪声 | |
| RS | 与RS相关的热噪声 | |
| SID | 散粒噪声 | |
| TOT | 总噪声 | |
续表
| 器件类型 | 噪声类型 $ V^{2}/Hz $ | 含义 |
| --- | --- | --- |
| Q(BJT) | FIB | 闪烁噪声 |
| RB | 与RB相关的热噪声 | |
| RC | 与RC相关的热噪声 | |
| RE | 与RE相关的热噪声 | |
| SIB | 和基极电流相关的散粒噪声 | |
| SIC | 和集电极电流相关的散粒噪声 | |
| TOT | 总噪声 | |
| R(电阻) | TOT | 总噪声 |
| Iswitch | TOT | 总噪声 |
| Vswitch | TOT | 总噪声 |
注：
① 闪烁噪声和 $ K_{\mathrm{f}} \cdot (I^{af}/f^{b}) $ 成正比。
② 散射噪声：对于 BJT，和 2qI 成正比；对于 GaAsFET、JFET 和 MOSFET 来说，和 $ 4kT \cdot (dI/dV) \cdot 2/3 $ 成正比。
③ 热噪声：和 $ 4kT/R $ 成正比。
④ 器件总噪声：是器件内所有噪声的总和。
⑤ NTOT(ONOISE)：电路的总输出噪声。
⑥ V(ONOISE)：电路总输出噪声的 RMS。
⑦ V(INOISE)：等效输入噪声，由 V(ONOISE)/增益得到。
3.7.1 建立新的噪声分析工程
下面首先给出建立新的噪声分析电路工程的步骤。其步骤主要包括：
（1）在 Windows 10 操作系统主界面的左下角选择【开始】→Altium Designer，打开 AD 软件。
（2）在 AD 主界面主菜单下选择 New→Project→PCB Project，创建一个名为 PCB_Project1.PrjPCB 的新工程。
（3）按照前面所介绍的添加原理图的方法，添加名为 Sheet1.SchDoc 的原理图文件。
3.7.2 构建噪声分析电路
下面构建噪声分析电路。其步骤主要包括：
（1）从 Miscellaneous Devices. IntLib 库中分别找到名字为 Res1 的电阻元器件、名字为 Cap 的电容元器件、名字为 QNPN 的晶体管（必须选择 Model Type 为 Simulation 的元器件），并将其按照图 3-63 所示的位置进行放置。
这里放置多个对称的晶体管，可以镜像放置。方法是：
① 双击需要镜像放置的晶体管，打开其配置界面。
②如图3-64所示，在该界面下选中 Mirrored 复选框，则可以镜像放置晶体管。
（2）从 Simulation Sources. IntLib 库中找到名字为 VSRC 和 VSIN 的元器件，并按照图 3-63 所示的位置进行放置。
（3）单击 AD 主界面下工具栏内的 ☐ 按钮，将 GND 按照图 3-63 所示的位置进行放置。
（4）单击 AD 主界面下工具栏内的连线按钮，将这些元器件和信号源按照图 3-65 所示的方式进行连接。
（5）按照前面所介绍的为元器件分配标识符的方法，为电路中的元器件和信号源分配唯一的标识符。图3-66给出分配完标识符后的原理图界面。
（6）如图3-67所示，将V1和V3分别设置为+12V和-12V。其他元器件参数按图3-67所示进行设置。
（7）为了方便对仿真结果的分析，如图3-67所示，在电容C1的两端分别放置名字为OUT1和OUT2的网络标号。
3.7.3 设置噪声分析参数
下面介绍设置噪声分析参数的方法。其步骤主要包括：
（1）在 AD 主界面主菜单下选择 Design→Simulate→Mixed Sim。
（2）打开如图3-68所示的 Analyses Setup（分析设置）界面，按下面参数设置：
① 选中 Operating Point Analysis 和 Noise Analysis 选项，执行直流工作点和噪声分析功能。
② 将 Collect Data For 设置为 Active Signals/Probes。
③ 将 OUT1 和 OUT2 添加到 Active Signals 栏中。
（3）选择 Noise Analysis 选项，出现如图 3-69 所示 Noise Analysis Setup（噪声分析设置）界面。按下面参数设置：
电路设计、仿真与PCB设计
① Noise Source(噪声源)：V2。
② Start Frequency(起始频率): 100.0k。
③ Stop Frequency(截止频率): 10.00g。
④ Sweep Type(扫描类型): Decade。
⑤ Output Node(输出节点): OUT2。
⑥ 其他按默认参数设置。
（4）单击 OK 按钮，退出分析设置界面，运行仿真。
3.7.4 噪声仿真结果分析
下面对噪声仿真结果进行分析。其步骤主要包括：
（1）运行 Spice 仿真后，弹出消息对话框，关闭该对话框。
（2）自动打开 PCB_Project1.sdf 文件。如图 3-70 所示，在该文件下有两个标签，一个是 Operating Point，另一个是 Noise Spectral Density（噪声谱密度），单击 Noise Spectral Density 标签。
（3）可以看到如图3-71所示的噪声谱密度分布图。
（4）保存工程文件，将其保存到 noise_analysis 目录下（根据情况保存到其他目录下），退出该设计工程。
3.8 温度分析
本节将构建温度分析电路，并执行温度分析，主要内容包括构建温度分析电路、设置温度分析参数和分析温度仿真结果。带有温度系数的器件包括 GaAsFET、电容、二极
管、JFET、电感、MOSFET、BJT、电阻和电压开关（只用于噪声计算）。
3.8.1 建立新的温度分析工程
下面首先给出建立新的温度分析电路工程的步骤。其步骤主要包括：
（1）在 Windows 10 操作系统主界面的左下角下，选择【开始】→Altium Designer，打开 AD 软件。
（2）在 AD 主界面主菜单下选择 New→Project→PCB Project，创建一个名字为 PCB_Project1.PrjPCB 的新工程。
（3）按照前面所介绍的添加原理图的方法，添加名字为 Sheet1.SchDoc 的原理图文件。
3.8.2 构建温度分析电路
下面构建温度分析电路。其步骤主要包括：
（1）从 Miscellaneous Devices. IntLib 库中分别找到名字为 Res1 的电阻元器件、名字为 Res Tap 的可变电阻、名字为 Diode 1N4148 的二极管、名字为 Diode 18TQ045 的二极管、名字为 Op Amp 的运算放大器（必须选择 Model Type 为 Simulation 的元器件），并将其按照图 3-72 所示的位置进行放置。
（2）从 Simulation Sources. IntLib 库中找到名字为 VSRC 的元器件，并按照图 3-72 所示的位置进行放置。
（3）单击 AD 主界面下工具栏内的 ☐ 按钮，将 GND 按照图 3-72 所示的位置进行放置。
（4）单击 AD 主界面下工具栏内的连线按钮，将这些元器件和信号源按照图 3-73 所示的方式进行连接。
（5）按照前面所介绍的为元器件分配标识符的方法，为电路中的元器件和信号源分配唯一的标识符。图3-74给出分配完标识符后的原理图界面。
（6）如图3-75所示，将V1和V2设置为+15V，其他元器件参数按图中设置。
（7）为了方便对仿真结果的分析，如图 3-75 所示，在放大器的输出端放置名字为 OUT 的网络标号。
（8）保存设计文件，将其保存到 temperature_analysis 目录下。
3.8.3 设置温度分析参数
下面介绍设置温度分析参数的方法。其步骤主要包括：
（1）在 AD 主界面主菜单下选择 Design→Simulate→Mixed Sim。
（2）打开如图3-76所示的 Analyses Setup（分析设置）界面，按下面参数设置：
① 选中 Transient Analysis 和 Temperature Sweep 选项，执行暂态分析和温度扫描分析功能。
② 将 Collect Data For 设置为 Active Signals/Probes。
③ 将 OUT 添加到 Active Signals 栏中。
（3）选择 Temperature Sweep，出现如图 3-77 所示的 Temperature Sweep Setup（温度扫描设置）界面。按下面参数设置：
① Start Temperature(起始温度): 0.000。
② Stop Temperature(终止温度): 100.0。
③ Step Temperature(步长温度)：10.00。
④ 其他按默认参数设置。
（4）单击 OK 按钮，退出设置界面，运行仿真。
3.8.4 温度仿真结果分析
下面对温度仿真结果进行分析。其步骤主要包括：
（1）运行 Spice 仿真后，弹出消息对话框，关闭该对话框。
（2）自动打开 PCB_Project1.sdf 文件。在该文件下有一个 Transient Analysis 标签。单击该标签。
（3）如图3-78所示，给出了温度扫描的结果。
（4）保存工程文件，将其保存到 temperature_analysis 目录下，退出设计工程。
3.9 蒙特卡洛分析
本节将构建蒙特卡洛分析电路，并执行蒙特卡洛分析，主要内容包括构建蒙特卡洛分析电路、设置蒙特卡洛分析参数和分析蒙特卡洛仿真结果。
3.9.1 建立新的蒙特卡洛分析工程
下面首先给出建立新的蒙特卡洛分析电路工程的步骤。其步骤主要包括：
（1）在 Windows 10 操作系统主界面的左下角下，选择【开始】→Altium Designer，打开 AD 软件。
（2）在 AD 主界面主菜单下选择 New→Project→PCB Project，创建一个名字为 PCB_Project1.PrjPCB 的新工程。
（3）按照前面所介绍的添加原理图的方法，添加名字为 Sheet1.SchDoc 的原理图文件。
3.9.2 构建蒙特卡洛分析电路
下面构建用于蒙特卡洛分析的单个 BJT 放大电路，并执行蒙特卡洛分析。其步骤主要包括：
（1）从 Miscellaneous Devices. IntLib 库中分别找到名字为 Res1 的电阻元器件、名字为 Cap 的电容元器件、名字为 2N3904 的晶体管（必须选择 Model Type 为 Simulation 的元器件），并将其按照图 3-79 所示的位置进行放置。
（2）从 Simulation Sources. IntLib 库中找到名字为 VSRC 和 VSIN 的元器件，并按照图 3-79 所示的位置进行放置。
（3）单击 AD 主界面下工具栏内的 ☐ 按钮，将 GND 按照图 3-79 所示的位置进行放置。
（4）单击 AD 主界面下工具栏内的连线按钮，将这些元器件和信号源按照图 3-80 所示的方式进行连接。
（5）按照前面所介绍的为元器件分配标识符的方法，为电路中的元器件和信号源分配唯一的标识符。图3-81给出分配完标识符后的原理图界面。
（6）如图3-82所示，将元器件参数按图中设置。
（7）为了方便对仿真结果的分析，按图3-82所示的电路，在电容 $ C_{c} $的输出端放置名
字为 OUT 的网络标号。
3.9.3 设置蒙特卡洛分析参数
下面介绍设置蒙特卡洛分析参数的方法。其步骤主要包括：
（1）在 AD 主界面主菜单下选择 Design→Simulate→Mixed Sim。
（2）打开如图 3-83 所示的 Analyses Setup（分析设置）界面。按下面参数设置：
① 选中 Operating Point Analysis、Transient Analysis 和 Monte Carlo Analysis 选项，分别执行直流工作点、瞬态分析和蒙特卡洛功能。
② 将 Collect Data For 设置为 Active Signals/Probes。
③ 将 OUT 添加到 Active Signals 栏中。
（3）选择 Transient Analysis 选项，出现如图 3-84 所示的 Transient Analysis Setup（瞬态分析设置）界面，接受默认设置参数。
（4）选择 Monte Carlo Analysis 选项，出现如图 3-85 所示的 Monte Carlo Analysis Setup（蒙特卡洛分析设置）界面。按下面参数设置：
① Seed(种子)：32767。
② Distribution(分布): Uniform.
③ Number of Runs(运行次数)：30。
④ 将所有的 Tolerance(容差)设置为 10%。
（5）单击 OK 按钮，退出分析设置界面，运行仿真。
3.9.4 蒙特卡洛仿真结果分析
下面对蒙特卡洛仿真结果进行分析。其步骤主要包括：
（1）运行 Spice 仿真后，弹出消息对话框。关闭该对话框。
（2）自动打开 PCB_Project1.sdf 文件。在该文件下有一个 Transient Analysis 标签，单击该标签。
（3）如图3-86所示，给出了蒙特卡洛分析的结果。
（4）保存工程文件，将其保存到 montecarlo_analysis 目录下，退出设计工程。
在进行射频微波电路设计时，节点电路理论已不再适用，需要采用分布参数电路的分析方法。这时可以采用复杂的场分析法，但更多的时候是采用微波网络法来分析电路。在射频电路仿真中除了前面常用的基本电路仿真方法之外，还需要用到S参数仿真、谐波平衡法仿真、电路包络仿真等方法，本章以ADS2017仿真软件为例，对上述仿真方面进行描述，并给出几种射频电路的仿真实例。