Section 1 : OrCAD PSpice 簡介

1. Section 1 : OrCAD PSpice 簡介

2. Outline • Introduction • SPICE的緣起 • OrCAD PSpice的特點 • PSpice可執行的模擬分析

3. Introduction • 電子產品必需要經過設計初步驗證製造品管等步驟。 • 設計工程師掌握設計和初步驗證這二個步驟無錯誤，才能將電路設計圖往下移至印刷電路板設計或是製造部門來做更進一步的處理。 • 早期的驗證方法是將設計完成的電路圖接成麵包板、萬用板或PC板，然後使用電源供應器、信號產生器、示波器、電表等電子儀器來加以驗證 • 缺點。首先，接電路板的過程是既耗時、費力又損失材料的工作；況且在接板完成後的驗證結果如果有錯誤，這時就得先花費相當的時間釐清是設計有誤亦或是接板有誤。 • 現今積體電路動輒數十萬個電晶體，接板驗證的方式已不可行。 • 電腦發展神速，只要有合適而精確的電路模型，電腦便可為我們依據已知的電路理論執行大量的計算，而模擬出近乎真實的電路結果。 • 軟體驗證的作法，可克服前面的缺點，可以事先排除大部份設計階段所造成的失誤，使得工程師們可以更直接地將精力集中在設計層次方面。使用軟體方式驗證電路的做法更可以使整體設計的時程大幅縮短。

4. SPICE的緣起 • SPICE程式的全名為Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis。它是為了執行日益龐大而複雜的積體電路（Integrated Circuit：IC）之模擬工作而發展出來的。 • 美國加州大學柏克萊分校發展出雛型。 • 在個人電腦上使用的商用電路模擬軟體中，以PSpice A／D系列最受大眾歡迎。它是1984年MicroSim公司依SPICE2標準所發展出來，可在IBM及其相容電腦上執行的SPICE程式。 • 在1998年時，EDA（Electronic Design Automation）界的領導廠家OrCAD相中了PSpice A／D高超的電路模擬能力而加以併購，因此這套程式就正式更名為OrCAD PSpice A／D了。 • 2000年時，在IC EDA設計領域享有盛譽的Cadence公司購併了OrCAD公司，至此OrCAD PSpice A／D成為Cadence EDA團隊的一員。

5. OrCAD PSpice在整個OrCAD設計環境

6. OrCAD PSpice在整個OrCAD設計環境(cont) • OrCAD Capture負責電路圖的繪製、模擬參數的設定以及產生網路表（Netlist）等報告檔案 • OrCAD PSpice負責軟體驗證的工作。在OrCAD Capture的眼中，OrCAD PSpice就像是一塊軟體的電路麵包板。我們可以在上面放入電源與觸發信號後，再依需求來測試設計的電路是否合乎規格，然後予以必要的調整。等到模擬結果順利通過檢測，就可以轉移流程到實際接觸硬體層次的過程了（PCB或PLD設計）。 • 一旦繪製的電路圖可以通過驗證，就可以轉檔進入後續的Layout Plus程式進行印刷電路板（PCB）設計 • 或是進入Express程式進行可程式邏輯元件（PLD）的設計。

7. OrCAD PSpice的特點 • 整合性高。 在 OrCAD 的整合環境內，從呼叫電路繪製程式Capture完成電路圖的製作及分析設定，到呼叫電路模擬程式 PSpice 完成模擬與觀測結果，使用者不需要四處切換工作環境，可以省卻不少麻煩。 • 完整的Probe觀測功能。 • 在觀測模擬結果方面，OrCAD PSpice提供了一個Probe程式來協助使用者快速而精準地觀察電路特性，另外它也提供了軟體量測的功能，可以量測出各式各樣基本與衍生的電路特性數據。 • 使用者可以讓PSpice顯示出一些由紀錄資料所衍生出來的波形資料，譬如波得 圖、相位邊限、磁滯圖、上升時間等等。 • 無論是游標功能、分割畫面以顯示多個輸出波形、放大或縮小顯示的波形、切 換X軸和Y軸的變數、標上文字等等功能，PSpice均能完成如曲線循跡儀 Curve Tracer）、示波器（Oscilloscope）、網路分析儀（Network Analyzer）、頻譜分析儀（Spectrum Analyzer）、邏輯分析儀（Logic Analyzer）等儀器般的分析功能。這些功能均支援滑鼠操作，十分方便。

8. OrCAD PSpice的特點(cont) • 各種完整的進階模擬功能。 • 基本的偏壓點分析（Bias Point Detail） • 直流掃描分析（DC Sweep） • 交流掃描分析（AC Sweep） • 暫態分析（Transient Analysis） • 有溫度分析（Temperature Analysis）、 • 參數分析（Parametric Analysis） • 富力葉分析（Fourier Analysis） • 蒙地卡羅分析（Monte Carlo Analysis） • 最差情況分析（Worst Case Analysis） • 雜訊分析（Noise Analysis） • 性能分析（Performance Analysis）。

9. OrCAD PSpice的特點(cont) • 模組化和階層化設計。隨著電路日益複雜，電路設計的方法也趨向於模組化和階層化。也就是說，先將整體電路依其特性及複雜度切割成合適的子電路，然後先個別繪製及模擬每一個子電路，待相關的子電路一一完成後，再將它們組合起來繼續模擬，最後完成整體電路。OrCAD PSpice完全提供協助模組化和階層化設計所需的功能。 • 類比行為模型。提供了一個簡便的方式去模擬一塊尚未完成或是極複雜的子電路。可大幅精簡模擬的時間及複雜度。 • 具有類比和數位模擬能力。除了傳統的類比信號模擬之外，OrCAD PSpice A／D也整合了數位信號模擬的功能。 • 元件庫擴充功能。儘管OrCAD PSpice A／D已經內建了很多常見的電子元件符號及其對應模型（大約11300個類比元件與1600個數位元件），但是隨著製程技術的進步和新的電子元件不斷地問世，又或者內建的元件庫內恰好沒有合宜的元件，這時我們就可以用元件編輯程式新建或修改現有元件的特性以作出合於我們要求的新元件。

10. PSpice可執行的模擬分析-基本分析 • 基本分析包含有三大類項目：直流分析、交流分析與時域信號分析。 • 直流分析主要驗證電路在直流電源（直流電壓源與直流電流源）下的工作狀態，包含有偏壓點分析（Bias Point Detail）、直流掃描分析（DC Sweep）、直流敏感度分析（DC Sensitivity）以及小信號直流增益分析（Small-Signal DC Gain）。 • 偏壓點分析主要在使用者給定了直流電源的情況下，求出電路上各節點電壓與分支電流的數值。在執行其他任何分析之前，PSpice均會自動執行一0次偏壓點分析。 • 直流掃描分析主要是將一個或二個直流電源、模型參數或是溫度作為輸出波形圖的橫軸變數，掃描過一定範圍的數值，取出穩態電壓或電流數值作為輸出波形圖的縱軸變數。 • 直流敏感度分析主要是計算在某一元件參數產生變化時，某個節點電壓數值的變化程度。 • 小信號直流增益轉移分析主要是計算出在偏壓點下，小信號直流增益、輸入阻抗與輸出阻抗的數值。

11. PSpice可執行的模擬分析-基本分析(cont) • 交流分析主要驗證電路在小信號交流電源下的工作狀態。包含有交流掃描分析（AC Sweep）與雜訊分析（Noise），相當於實驗室內頻譜分析儀的地位。 • 交流掃描分析主要是將一個或二個交流電源掃描過一定範圍的頻率，將電路在偏壓點附近線性化，然後求出小信號電壓或電流的振幅與相位頻率響應。 • 雜訊分析主要在求出在交流掃描分析中所指定的頻率中，輸出信號中屬於各個電路雜訊源的比例、輸出信號的雜訊RMS總合以及等效的輸入雜訊源。 • 時域信號分析主要驗證驗電路在時域信號下的工作情況。包含有暫態分析（Transient）與富立葉分析（Fourier）。 • 暫態分析主要在求出各個時間點上電路的節點電壓、分支電流或是數位狀態，相當於實驗室內示波器與邏輯分析儀的地位。 • 富立葉分析主要求出暫態分析結果中某個輸出信號的直流與其富立葉成分的比例。

12. PSpice可執行的模擬分析-進階分析 • 進階分析包含有以下這幾類可多次執行（multi-run）的分析項目：溫度分析（Temperature）、參數分析（Parametric）、蒙地卡羅分析（MonteCarlo）敏感度／最差情況分析（Sensitivity／Worst-case）。 • 所謂多次執行指的就是這些分析通常會對某一些指定的輸出信號產生一系列輸出結果。另外這些進階分析都必須伴隨在直流掃描分析、交流掃描分析或是暫態分析之後才能執行。 • 執行溫度分析時，PSpice A/D會依使用者的設定逐步更改工作溫度值，依此調整各元件的值，然後在每個溫度數值的狀態下紀錄一次輸出結果。 • 執行參數分析時，PSpice會依使用者的設定逐步更改某個電路特性值，然後在每個電路特性值的狀態下紀錄一次輸出結果。可更改的電路特性值有廣域參數、模型參數、元件值、直流電源與工作溫度。 • 蒙地卡羅分析與敏感度／最差情況分析是有統計性質的分析類型。PSpice A／D根據元件的誤差範圍每改變一次元件值就執行一次要求的基本分析，再將結果紀錄下來。