一文深入了解模擬行為模型器件

“PSpice仿真——從入門到精通”系列課程共4大主題，21篇圖文教程，結(jié)合實際電路講解最新的SPB 17.4版本PSpice的各種仿真功能以及高級分析方法、介紹仿真模型的建立與使用，并展示PSpice與其他熱門主流工具MATLAB/Simulink的協(xié)同工作。

元器件模型是PSpice仿真的根基，它的準(zhǔn)確性直接決定了電路仿真的精確度。PSpice軟件內(nèi)建了很多常用的電子元器件符號及其對應(yīng)的模型，可以直接調(diào)用進行電路仿真和版圖繪制。同時還附帶強大的元器件建模工具——Model Editor，可以根據(jù)元器件數(shù)據(jù)手冊的參數(shù)進行模型建立，使得PSpice模型大大擴展。尤其在17.4版本中，增加訪問TI模型庫入口，可以輕松調(diào)用5000多個TI模擬集成電路(IC)模型、100多個獨特的模型類型，以及4000多個測試電路。

但是在實際電路設(shè)計中，還是常常遇到元器件庫中恰好沒有合適的元器件，或是自帶庫中的元器件和實際測試結(jié)果存在偏差的情況，這時就需要用戶自行創(chuàng)建新的元器件模型，或是編輯現(xiàn)有的元器件特性。元器件的創(chuàng)建是比較復(fù)雜和艱難的過程。一般我們有兩種選擇：

通過直接使用SPICE語言編寫lib文件建立模型

通過分立元件搭建電路生成器件模型文件

前者對于大多數(shù)工程師有極大難度，因為都沒有系統(tǒng)學(xué)習(xí)過SPICE語言，后者相對比較容易掌握。通過分立元件搭建電路生成模型，也有兩種方式：

采用繪制完整的內(nèi)部電路的方式建模

采用模擬行為模型(Analog Behavioral Modeling，即 ABM)的方式進行建模

如果對于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，也不愿意采用公開內(nèi)部詳細電路的方式建模。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語言和無源元件電阻、電容、電感等搭建電路的方式建模。

因此，在PSpice教程的建模單元的第一期，我們打算先介紹建模核心的模擬行為模型(Analog Behavioral Modeling，即ABM)器件。

本周看點：

認識PSpice提供的各種ABM器件

學(xué)習(xí)IF語句建立邏輯功能器件模型

實操利用ABM器件創(chuàng)建SPICE模型

模擬行為模型器件(以下簡稱 ABM器件)是元器件建模中最為重要的器件，它能夠通過調(diào)用數(shù)學(xué)函數(shù)及查表方式靈活描述電子器件的功能。絕大多數(shù)模擬集成芯片的模型都是通過ABM器件進行建模的。同時ABM器件也用于電路系統(tǒng)功能原理的仿真分析，為電路設(shè)計提供擴展空間。

1 ABM器件

常見的模擬行為模型皆存于ABM.olb庫中。下面我們分別來對該庫中的器件進行依次的介紹。

01 基本器件

表15.1是ABM基本器件列表，實現(xiàn)常數(shù)設(shè)置和基本運算功能，通常情況下不必設(shè)置其屬性值。

表15.1 ABM基本器件列表

基本器件的使用也很簡單，圖15.1所示為ABM基本器件構(gòu)建一個音頻信號與載頻信號混頻后放大10倍的信號。圖15.2是仿真輸出波形圖。

圖15.1 基本器件的仿真電路

圖15.2 運行后的波形

02 表達式器件

表達式器件能夠通過編寫函數(shù)實現(xiàn)多種功能?？梢栽诒磉_式語句中使用所有的標(biāo)準(zhǔn)PSpice運算符，也可以通過使用表達式屬性參量描述網(wǎng)絡(luò)節(jié)點或常量。表15.2給出了PSpice庫中包含表達式的器件。

表15.2 表達式器件列表

這些元器件的設(shè)置都是相同的，主要是對符號下方的表達式進行編輯，方法也很簡單，只要雙擊該表達式就可以。圖15.3所示是建立一個如下表達式的信號：

圖15.3 表達式器件的仿真電路

圖15.3使用了兩個ABM表達式器件，其中第二個中使用了標(biāo)準(zhǔn)PSpice運算符：PWR(x,y)、SDT(x)和Exp(x)，馬上數(shù)學(xué)函數(shù)器件中會介紹。圖15.4是瞬態(tài)分析得到的仿真波形。

圖15.4 表達式器件的仿真結(jié)果

03 數(shù)學(xué)函數(shù)器件

ABM數(shù)學(xué)函數(shù)器件見表15.3，每個器件可以實現(xiàn)輸入和輸出間的數(shù)學(xué)函數(shù)運算，都是包含一個輸入一個輸出。

表15.3 ABM數(shù)學(xué)函數(shù)器件列表

數(shù)學(xué)函數(shù)元器件應(yīng)用比較簡單，因為都是只有一個輸入一個輸出，除了PWR和PWRS需要設(shè)置多少次方，還有積分和微分需要設(shè)置倍數(shù)外，其他的元器件都不需要設(shè)置參數(shù)，只要選擇對元器件就可以了。圖15.5是實現(xiàn)圖15.3中第二個表達式器件的運算：

圖15.5 數(shù)學(xué)函數(shù)器件的仿真電路

圖15.6 數(shù)學(xué)函數(shù)器件的仿真波形

04 切比雪夫濾波器

切比雪夫濾波器通過設(shè)置特性頻率值、通帶最大紋波和最小衰減值對信號進行濾波，濾波器器件適用于設(shè)計低通、高通、帶通、帶阻濾波器。表15.4表示ABM中包含的濾波器。

表15.4 切比雪夫濾波器列表

圖15.7為高通濾波器和帶通濾波器的測試電路。圖15.8是濾波器的頻率特性曲線。

圖15.7 濾波器的測試電路

圖15.8 濾波器電路的頻率特性

05 等效器件

從理論上講，所有的有源器件皆可化成含受控源的等效電路進行分析，受控源分四類：壓控電壓(E)，流控電流(F)，壓控電流(G)和流控電壓(H)。

而ABM中所有的PSpice等效器件能都夠被劃分為E 型或者G型器件。E型器件是輸出電壓信號，G型器件是輸出電流信號。在基本器件中介紹ESUM，GSUM，EMULT，GMULT，表15.5介紹剩余的E和G的器件。

表15.5 ABM等效器件列表

ETABLEGTABLE和EFREQGFREQ中均包含兩個重要的參數(shù)：

EXPR：表示輸入信號的函數(shù)，默認是：輸入V(%IN+, %IN-)

TABLE: 表格由成對數(shù)值組成，每對數(shù)值中前者為輸入，后者為相應(yīng)的輸出，當(dāng)輸入為兩個數(shù)值之間的值時，采用線性內(nèi)插法計算對應(yīng)輸出值。比如圖15.9中ETABLE器件：

輸入(-5，-1)：表示輸入電壓低于-5V時，輸出電壓為-1V;

輸入(5，1)：表示輸入電壓高于5V時，輸出電壓為1V;

當(dāng)輸入電壓在-5和5V之間時，輸出電壓為-1V到1V之間的線性插值。如果圖中ETABLE器件改為GTABLE，則將輸出電壓變?yōu)檩敵鲭娏鳌?/p>

圖15.9 ETABLE器件的使用

圖15.10中的EFREQ器件：

輸入(1k,10,-90)，代表(輸入頻率，幅度，相位)，表示輸入信號的頻率小于1kHz時，輸出信號的幅度為10dB，相位為-90度;

輸入(1Meg，-10，90)，表示輸入信號的頻率大于1MHz時，輸出信號的幅度為-10dB,相位為90度;

輸入信號的頻率在1kHz到1MHz之間時，輸出信號的幅度在10dB到-10dB之間線性插值，相位在-90度到90度之間線性插值。

圖15.10 EFREQ器件的使用

2 IF 語句

IF語句是PSpice模型中最常出現(xiàn)的語句。它的格式是：IF(t,x,y),表示如果條件 t 滿足，則輸出 x,否則輸出y。比如在某一模型文件中有這么一段代碼：E1 4 0 Value={IF(V(1)>1,1m,10)}

這段代碼表示：如果節(jié)點1的電壓大于1V，那么輸出端節(jié)點4和地之間的電壓為1mV;否則節(jié)點4和地之間的電壓為10V。

01 IF語句中的邏輯判別式

SPICE語言中用到的邏輯判別式跟C語言是一樣的。具體見表15.6：

表15.6 邏輯判別式

02 IF 語言中的布爾函數(shù)

在IF的條件判斷中還常常需要表示多個判定條件，這時就需要用到布爾函數(shù)。具體見表15.7：

表15.7 布爾函數(shù)

圖15.11(a)藍色框中是一個雙輸入與門的模型。圖(b)是其測試結(jié)果。

圖15.11雙輸入與門的仿真電路與測試結(jié)果

03 Time時間變量

電路進行瞬態(tài)分析時，利用ABM可以對Time進行提取，然后進行邏輯判斷或其他功能。比如可以利用IF語句選擇不同時間段的輸出波形。如圖15.12，當(dāng)瞬態(tài)分析時時間范圍設(shè)置為0到500us。IF語句表明時間大于250us時，輸出正弦波，小于等于250us，輸出方波。

圖15.12 利用IF語句進行波形選擇輸出

IF語言還可以嵌套，比如：IF(Time<2m,V(1),IF(Time>4m),V(2),V(3)))，表示0到2ms輸出V(1)的波形;2ms到4ms輸出V(2)的波形;4ms之后輸出V(3)的波形。靈活使用IF語句可以解決建模中出現(xiàn)的各種復(fù)雜邏輯關(guān)系。

3 利用ABM器件構(gòu)建SPICE模型

可用于PSpice仿真的器件均需要包含兩個文件：*.lib和*.olb。

自帶庫的.lib文件存儲在安裝目錄下：

.. CadenceSPB_17.4 oolspspicelibrary中;

.olb存儲在安裝目錄下：

..CadenceSPB_17.4 oolscapturelibrary中

因此，如果是用戶自己創(chuàng)建器件模型，也需要同時包含.lib和.olb?，F(xiàn)以構(gòu)建一個基準(zhǔn)值為50歐姆的壓控電阻的模型為例，說明如何創(chuàng)建一個可以用于PSpice仿真的模型。

01 繪制電路圖

在Capture的繪圖區(qū)中繪制如圖15.13所示的電路圖，其中GVALUE為ABM器件，G器件輸出是電流信號。由GVALUE的傳遞函數(shù)表達式，可以看出電路1、2節(jié)點之間的電阻值為Rref*V(Ctrl)，阻值隨著控制端電壓線性變化。

圖15.13 壓控電阻的模型電路

02 創(chuàng)建網(wǎng)表

在Capture界面下，選擇工程管理窗口，如圖15.14所示，點擊需要生成網(wǎng)表的那頁電路圖，如圖中的PAGE1,然后選擇菜單：Tool→Create Netlist。

圖15.14 創(chuàng)建電路網(wǎng)表

打開圖15.15的對話框，在PSpice標(biāo)簽頁上點擊確定，創(chuàng)建Rval.lib。

圖15.15 創(chuàng)建lib文件

通過給定的路徑，我們可以在文件夾下找到剛剛生成的.lib的文件。

03輸出olb文件

使用PSpice中的模型編輯器Model Editor打開剛剛生成的.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15.16所示，設(shè)置完畢后點擊OK。

圖15.16 輸出olb文件

04編輯新建模型符號

繼續(xù)執(zhí)行File→Model Import Wizard，為該模型選擇合適的外形。如圖15.17所示，系統(tǒng)會提供默認的外觀，也可以通過“Replace Symbol”從元件庫中找到可以兼容的外觀直接應(yīng)用。這里選擇使用默認外觀。

圖15.17 編輯新建模型符號

按完成按鈕之后，在工程文件夾下就可以看到下面兩個文件：

05 模型應(yīng)用

通過步驟三和步驟四，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，按照圖15.18的步驟，將新建的庫文件添加到工程中。

圖15.18 在工程中添加庫文件

之后就可以像調(diào)用自帶庫的元件一樣，將構(gòu)建好的壓控電阻應(yīng)用于圖15.19所示的RLC電路中了。

圖15.19 模型測試電路

為了觀察電阻的壓控效果，進行瞬態(tài)分析，并設(shè)置控制電壓V2從0.2V變化至1V，間隔設(shè)為0.2V。得到圖15.20所示的仿真波形。說明建模成功。

圖15.20 測試電路的仿真結(jié)果

這一期我們介紹了建模中最重要的模擬行為模型器件，以及在描述電路邏輯關(guān)系中最常用到的IF語句，并在最后應(yīng)用ABM器件構(gòu)建子電路，生成一個新的器件模型。接下來會分別介紹常用的幾類元器件的模型特點、建模方式，以及典型應(yīng)用。我們下期見。

Comtech科通

科通專注IC分銷領(lǐng)域20多年，與全球100多家頂級廠商合作，是中國本土值得信賴的電子元器件分銷商及增值服務(wù)供應(yīng)商。科通芯城集團旗下品牌包括：Comtech，Cogobuy，IngDan。

原文標(biāo)題：【PSpice 21周仿真培訓(xùn)(實例下載)】第15周：模擬行為模型器件的介紹

文章出處：【微信公眾號：Comtech科通】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

審核編輯：湯梓紅