第08章-电路仿真与分析

第八章：电路仿真与分析

8.1 SPICE仿真概述

8.1.1 什么是SPICE仿真

SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）是电子电路仿真的工业标准。KiCad集成了ngspice仿真引擎，允许设计者在制造PCB之前验证电路行为。

SPICE仿真的优势：

• 在设计早期发现问题
• 节省原型制作成本
• 优化电路参数
• 理解电路行为

8.1.2 KiCad仿真功能

支持的分析类型：
├── 直流工作点分析（OP）
├── 直流扫描分析（DC）
├── 交流小信号分析（AC）
├── 瞬态分析（TRAN）
├── 噪声分析（NOISE）
└── 傅里叶分析（FFT）

8.2 仿真准备

8.2.1 添加SPICE模型

为元器件分配SPICE模型：

1. 在原理图中双击元器件
2. 点击"Simulation Model"标签
3. 选择模型类型：
   - Built-in model（内置模型）
   - Model from file（文件模型）
   - SPICE model from library（库模型）

内置模型类型：

R - 电阻
C - 电容
L - 电感
D - 二极管
Q - 双极型晶体管
M - MOSFET
V - 电压源
I - 电流源

8.2.2 配置仿真电源

添加电压源：

1. 添加VSOURCE符号
2. 设置电源属性：
   - DC值：直流电压
   - AC值：交流分析幅度
   - 波形：脉冲、正弦等

电压源波形参数：

直流源（DC）：
  dc value

正弦源（SIN）：
  sin(vo va freq td theta phi)
  vo: 直流偏置
  va: 幅度
  freq: 频率
  
脉冲源（PULSE）：
  pulse(v1 v2 td tr tf pw per)
  v1: 低电平
  v2: 高电平
  td: 延迟
  tr: 上升时间
  tf: 下降时间
  pw: 脉冲宽度
  per: 周期

8.2.3 设置仿真参数

打开仿真器：
  菜单：Inspect → Simulator
  或快捷键：Alt+Shift+S

8.3 直流分析

8.3.1 直流工作点分析（OP）

分析电路在直流稳态下的工作点。

设置：
1. 在Simulator中选择"Operating Point"
2. 点击"Run Simulation"

结果：
- 所有节点电压
- 所有支路电流
- 功率消耗

8.3.2 直流扫描分析（DC）

扫描输入参数观察输出变化。

设置：
1. 选择"DC Transfer"分析
2. 设置扫描源
3. 设置扫描范围：
   - Start: 起始值
   - Stop: 终止值
   - Increment: 步进值

示例：
扫描V1从0V到5V，步进0.1V

8.4 交流分析

8.4.1 交流小信号分析（AC）

分析电路的频率响应。

设置：
1. 选择"AC Analysis"
2. 设置频率范围：
   - Start Frequency: 起始频率
   - Stop Frequency: 终止频率
   - Number of Points: 点数
   - Scale: 线性/对数

示例设置：
  Start: 1 Hz
  Stop: 10 MHz
  Points: 100
  Scale: Decade（十倍频）

8.4.2 绘制波特图

运行AC分析后：
1. 添加信号到绘图
2. 右键 → Add Cursor
3. 测量增益和相位

常见测量：
- 3dB带宽
- 增益裕度
- 相位裕度
- 截止频率

8.5 瞬态分析

8.5.1 瞬态分析设置（TRAN）

分析电路随时间的响应。

设置：
1. 选择"Transient"分析
2. 设置时间参数：
   - Time Step: 仿真步长
   - Final Time: 总仿真时间
   - Maximum Step: 最大步长

示例：
  Time Step: 1us
  Final Time: 10ms

8.5.2 观察波形

添加波形到绘图：
1. 点击信号节点
2. 或在信号列表中双击
3. 支持多个波形叠加显示

测量功能：
- 使用光标测量
- 测量上升时间
- 测量频率
- 测量峰峰值

8.6 仿真示例

8.6.1 RC低通滤波器仿真

电路：
  Vin → R(1kΩ) → Vout
                 │
                 C(100nF)
                 │
                GND

仿真步骤：
1. 绘制电路
2. 添加VSOURCE作为Vin
3. 设置AC幅度为1V
4. 运行AC分析（1Hz到1MHz）
5. 观察Vout的频率响应

预期结果：
  截止频率 = 1/(2π×R×C) ≈ 1.59kHz
  -3dB点在截止频率处

8.6.2 运放放大器仿真

电路：反相放大器
  增益 = -Rf/Rin

仿真：
1. 绘制运放电路
2. 使用通用运放模型或具体型号
3. 运行DC分析验证增益
4. 运行AC分析查看带宽
5. 运行TRAN分析观察响应

8.6.3 555定时器仿真

仿真无稳态多谐振荡器：
1. 绘制555电路
2. 使用NE555 SPICE模型
3. 运行瞬态分析
4. 观察输出方波
5. 测量频率和占空比

验证公式：
  频率 = 1.44 / ((R1+2R2)×C)

8.7 高级仿真技术

8.7.1 参数扫描

扫描元器件值：
  .step param Rval 1k 10k 1k
  R1 1 2 {Rval}

观察不同参数值下的电路行为

8.7.2 蒙特卡洛分析

分析元器件容差影响：
  使用.mc指令
  设置容差百分比
  运行多次仿真
  统计分析结果

8.7.3 温度分析

分析温度对电路的影响：
  .temp 25 50 75 100
  观察不同温度下的特性变化

8.8 仿真技巧

8.8.1 收敛问题处理

常见收敛问题解决方法：

1. 调整仿真选项
   .options reltol=0.01
   .options abstol=1e-9

2. 添加初始条件
   .ic V(node)=value

3. 简化电路模型

4. 检查电路拓扑

8.8.2 模型获取

SPICE模型来源：
- 制造商网站
- 模型库网站
- KiCad内置模型
- 自己提取参数

模型格式：
.model name type(parameters)
.subckt name nodes
...
.ends

8.9 本章小结

本章介绍了KiCad的电路仿真功能：

1. SPICE概述：了解了仿真的基本概念和KiCad的仿真能力。

2. 仿真准备：学会了配置SPICE模型和电源。

3. 直流分析：掌握了工作点和直流扫描分析。

4. 交流分析：学会了频率响应分析和波特图绘制。

5. 瞬态分析：了解了时域仿真方法。

6. 实例应用：通过具体电路实践了仿真技术。

7. 高级技术：了解了参数扫描和蒙特卡洛分析。

通过本章学习，读者可以使用KiCad仿真功能验证电路设计。

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