電路模擬器在電子設計中的角色
1 分鐘
- 什麼是電路模擬?
- 電路模擬的必要性:
- 電路模擬的類型:
- 模擬層級:
- 模擬中的分析類型:
- 電路模擬的優點:
- 熱門模擬軟體:
- 結論:
製作電子與電路可能既耗時又對技術要求高,更不用說成本昂貴。在建立電子電路後,設計師必須測試電路的功能,以確認其正常運作並進行必要的調整。如果我們不必用實際的電路板和元件來製作電路,而是能夠取得該電路的數學描述呢?這正是電路模擬背後的概念。本文將介紹這個主題,並探討各種類型的電路模擬。
毫不意外地,電路模擬在複雜度與能力上的成長,已大幅提升設計生產力。結果不僅是開發速度更快,也由於使用者能快速建立、探測並分析電路,使得設計更加徹底。不論是概念驗證或修訂,電路模擬都為現代 PCB 設計提供了無可爭議的框架。如此一來,即可在電路中替換不同元件並測試與驗證其效能。請查看有哪些電子元件與符號 可供我們執行模擬,以及它們的運作方式。
什麼是電路模擬?
由於每天推出的電器、設備與小工具數量龐大,確保製造流程順暢並符合各種技術標準與規範至關重要。不僅在 PCB 設計中,模擬在工程的每個領域都扮演極其重要的角色。在電子領域,我們建立電路的數學模型,以便在不實際製作(不使用實體元件)的情況下研究電路的性能。這種利用數學方程式對電子與電路設計進行建模與驗證的方法,稱為電路模擬。
相較於邏輯模擬與功能模擬等其他類型的模擬,電路模擬採用詳細的物理模型(以數學方程式的形式)來描述各種電路元件,並求解複雜的代數與微分方程。其結果是精確的模擬,可得到節點電壓與元件電流的精確時間波形。因此,從基本層面來看,模擬器就是在求解數學方程式,並以各種圖形形式呈現結果。
電路模擬的必要性:
顯而易見,透過電路模擬,我們無需實際製作電路即可評估其性能。
- 成本效益: 電路模擬不僅節省成本,也節省時間。我們可以借助軟體快速設計複雜電路,為設計工程師與企業節省大量時間與金錢。
- 易於驗證: 我們能根據模擬結果輕鬆重新設計電路。在設計與模擬的每個階段,工程師都能檢查電路性能,並與理論響應進行比較。
- 易於修改: 電路模擬軟體是新點子或新概念的起點,也能在無需製作 PCB 的情況下修改現有設計。
就像用示波器實際探測並觀察波形一樣,您也可以在電路模擬中執行類似操作。在模擬中,您可以輕鬆探測電路中的不同位置並查看波形。
電路模擬的類型:
現在讓我們看看電路模擬有哪些不同類型。模擬可分為以下三種:
1) 類比電路模擬
2) 數位電路模擬
3) 混合模式電路模擬
1) 類比模擬:
顧名思義,類比模擬通常使用類比元件與訊號。在此類模擬中,數學模型必須極其精確,以便在頻域(AC)、時域(暫態)與非線性靜態(DC)模式下運作。SPICE 與 FastSPICE 是兩款知名的類比模擬器,它們使用極其精確的線性與非線性元件模型來分析電路行為。
2) 數位模擬:
相較於類比模擬器複雜的數學模型,數位模擬器相對簡單。Verilog 與 VHDL 等 HDL 是數位模擬的基礎。不同於類比模擬器需要連續變化的訊號,數位模擬僅使用兩個離散電壓位準。在數位電子領域,我們稱之為邏輯 0 與邏輯 1。這裡不僅進行功能檢查,靜態時序分析(STA)也扮演重要角色,有助於確定建立時間、保持時間與最大傳播延遲。
3) 混合模式模擬:
它是數位與類比模擬的結合。此類模擬對混合電路系統的設計與分析極為有用。透過混合模式模擬,數位與類比部分被視為具有各自儀器與電源的獨立實體。
模擬層級:
上一節我們討論了各種電路模擬類型,這些類型定義了電路的性質以及我們必須遵循的分析步驟。您也可以根據電路的抽象程度與複雜度,指定不同的模擬層級。
區塊層級模擬: 我們將功能部分劃分為不同區塊,並對這些區塊進行統一模擬。這對模組化設計至關重要,並有助於在其他電路中重複使用現有功能區塊。
晶片層級模擬: 顧名思義,在晶片層級模擬中,我們將一顆積體電路(晶片)視為單一單元來建模其功能,這有助於確保晶片按預期方式運作。
模擬中的分析類型:
1. 暫態分析:
此模擬檢視電路隨時間變化的行為,協助工程師了解訊號波動、啟動條件與時間相依行為。輸出結果以時間為橫軸繪製。
2. AC 分析:
AC 分析用於研究頻率響應與穩定性,特別是在放大器與濾波器設計中。輸出結果以頻率掃描為橫軸繪製。
3. DC 分析:
DC 分析有助於評估穩態電壓與電流位準,確保適當的偏壓與功率分配。用於找出電晶體與 MOSFET 的 DC 偏壓條件與工作點。
4. 熱模擬:
熱分析可預測元件的散熱與溫升,對高功率應用的可靠性至關重要。熱分析在設計 IC 內部多個與熱無關的電路時扮演關鍵角色。
電路模擬的優點:
大多數知名的電路模擬軟體(如 SPICE、LTspice 等)均可免費使用。有些工具為專有軟體,但它們皆基於 SPICE 演算法開發。
- 記憶體相關程序測試: 專門設計的類比模擬可分析記憶體相關程序的速度與延遲。
- 更有效率的除錯: 就時間而言,在數位環境中發現並排除故障電路所需的時間,遠少於手動計算數值(如電壓、電流與功率)所需的時間。
- 雜訊與串擾建模: 模擬器也可用於研究更複雜的 RF 與高速設計中的串擾。
除了常規電路外,模擬器還提供工具來測試電源(SMPS)或電源分配網路的設計。數位模擬器會監控邏輯 0 的電壓位準,而使用類比模擬器時,您可以測量邏輯位準之間的轉換時間。
熱門模擬軟體:
市面上有各種電路模擬軟體與工具。SPICE(Simulation Program With Integrated Circuit Emphasis)是知名的電路模擬器,最初由加州大學柏克萊分校的電子研究實驗室為美國政府部門開發。
由於它是開源軟體,因此深受其他設計師歡迎,他們使用 SPICE 演算法開發了自己的模擬器。LTspice 就是這類工具之一。另一款非常受歡迎、基於 SPICE 的電路模擬器是 NI 的 Multisim,然而與 LTspice 不同,它是付費軟體。以下是一些知名的電路模擬器:
- SPICE
- Ngspice
- LTspice(SPICE)
- PSIM
- Multisim(SPICE)
- Cadence Spectre
- Synopsys PrimeSim(SPICE 與 FastSPICE)
結論:
電路模擬是開發電子產品過程中不可或缺的一環。借助模擬器,您能夠建立電子與電路、檢查其運作並分析性能,在進入製造階段前進行必要的調整,為企業節省大量時間與金錢。本文介紹了電路模擬的基礎知識及其優點,也探討了不同類型的電路模擬以及幾款熱門的模擬軟體。
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