Altium Designer的电子电路仿真

宋 瑾

（苏州大学电子信息学院，江苏苏州，215000）

Altium Designer的电子电路仿真

宋 瑾

（苏州大学电子信息学院，江苏苏州，215000）

作为Protel的后续新版本，Altium Designer拥有非常强大的电子电路设计功能，不仅能够实现原理图的绘制、印制电路板的设计，还能进行仿真。本文介绍了Atlium Designer的仿真设计流程，并举例通过静态工作点分析、瞬态分析、温度扫描分析、参数扫描分析及交流小信号分析说明软件提高电路设计的能力。

Protel；Altium Designer；仿真

0 引言

现代电子电路的设计已进入了电子设计自动化（EDA）时代，采用仿真手段对电子产品进行前期工作调试，不仅能缩短设计周期，还能节省设计费用，因此，已经成为一种发展的必然趋势。Altium Designer作为Protel软件的最新版本，是一款一体化的电子产品开发系统，在目前的EDA行业中是应用较为广泛的工具之一。本文主要以Altium Designer Summer09版本为例，介绍电子电路设计仿真分析的一般方法。

1 Altium Designer

Altium公司（前身为Protel International公司）由Nick Martin于1985年始创于澳大利亚塔斯马尼亚州的首府霍巴特，致力于开发基于PC的软件，为印制电路板提供辅助的设计。2009年7月，Altium公司推出Altium Designer Summer 09版本，将硬件、软件和可编程硬件集合在一个单一的环境中，其一体化的设计结构令用户可自由地探索新的设计构想。

Altium Designer中的电路仿真是真正的混合模型仿真器，可以用于对模拟和数字器件的电路分析。仿真器采用由其乔治亚技术研究所（GTRI）开发的增强版事件驱动型XSPICE仿真模型。

2 Altium Designer的仿真设计流程

Atlium Designer软件进行仿真设计，首先要编辑仿真电路原理图，原理图中每个元器件必须定义Simulation属性。其次，设置仿真激励源，以便在仿真过程中驱动整个电路。然后在需要绘制仿真数据的节点处添加网络标号，根据具体电路的仿真要求设置合理的仿真方式及仿真参数，最后，分析仿真结果。

Altium Designer支持的仿真分析方式有：静态工作点分析、瞬态特性分析与傅立叶分析、直流传输特性分析、交流小信号分析、噪声分析、零极点分析、传递函数分析、温度扫描分析、参数扫描分析、蒙特卡罗分析共10种类型。

3 Altium Designer的仿真分析举例

3.1 静态工作点分析

静态工作点分析就是将电路中的电感视为短路，电容视为开路，然后计算出电路中各节点对地电压和各支路电流的过程。

以共发射极基本放大电路为例绘制仿真原理图如图1所示，图中元器件三极管、电阻、电容均设置好Simulation属性，添加合适的激励源V1和V2，V1为10mV、1KHz的正弦信号，V2为+12V的直流电压源，放置网络标号Vin、Vb、Vc、Vout。选择仿真方式为静态工作点分析（Operating Point Analysis），分析参数包括VB、VC、Q1[ib]、Q1[ic]、Q1[ie]。运行仿真，马上可以看到结果为q1[ib]=16.24uA，q1[ic]=2.915mA，q1[ie]=-2.931mA，vb=629.7mV，vc=4.13V。其中VB、VC分别为三极管B、C的对地电压，Q1[ib]、Q1[ic]、Q1[ie]分别为三极管B、C、E所在支路的电流。

图1 共发射极基本放大电路

3.2 瞬态分析

瞬态分析属于时域分析，用于获得电路中各节点对地电压、支路电流或元件功率等信号的瞬时值，即被测信号随时间变化的瞬态关系，相当于在示波器上直接观察各节点电压（对地）信号的波形，这是一种最基本、最常用的仿真分析方式。

仿真原理图如图1所示，参数不变，选择仿真方式为瞬态分析（Transient Analysis），分析图1中Vin、Vout两处信号，结果如图2所示。Vin为电路输入信号，如给定激励源为1KHz、10mV的正弦波。Vout为输出信号，同为正弦波，但相位与输入信号相反，幅值为输入信号的150倍。

图2 瞬态分析结果

3.3 温度扫描分析

一般来说，电路中元器件的参数随环境温度的变化而变化，因此温度变化最终会影响电路的性能指标。温度扫描分析就是模拟环境温度变化时电路性能指标的变化情况，因此温度扫描分析也是一种常用的仿真方式。例如三极管是具有负温度系数的，随着温度升高，是下降的。有些电阻也是与温度有关的，正温度系数的电阻随着温度升高，阻值升高；负温度系数的电阻随着温度升高，阻值减小。如果用到这些元件，想知道环境因素变化对电路性能的影响，可以通过温度扫描分析来得到。

仿真原理图如图1所示，基本参数不变，仿真方式选择温度扫描分析（Temperature Sweep）结合静态工作点及瞬态分析，即分析当温度变化时，静态工作点和输出信号的变化。温度扫描分析中设定起始温度、终止温度和步长分别为-20、70和10。仿真结果如图3所示，随着温度从-20变化到70，分析当温度分别为-20、-10、0、10、20、30、40、50、60、70这10个温度时，静态工作点ib、ic、Vc的变化值以及输出信号的变化其中带“_t01”为温度-20℃时，“_t10”为70℃时。可以看出输出电压的幅值随温度的升高而增大，ib和ic都随着温度的升高而升高，vc随着温度升高而降低。

图3 温度扫描分析结果

图1为共发射极基本放大电路电路简单，但当环境温度变化时，容易引起静态工作点的不稳定，严重时将会导致放大电路不能正常工作。因此通常采用改进的分压偏置式共发射极放大电路，可以改善温度变化而导致静态工作点不稳定的现象如图4所示。

图4 分压偏置式共发射极放大电路

3.4 参数扫描分析

参数扫描分析用于研究电路中某一元器件参数变化时对电路性能的影响，常用于确定电路中某些关键元件参数的取值。

仿真原理图如图4所示，仿真方式选择参数扫描分析（Parameter Sweep）结合瞬态分析。参数扫描方式中设定变化参数为Q1[bf]，即三极管的放大倍数。起始值、终止值及步长分别设定为10、200、40，即分别计算Q1放大倍数为10、50、90、 130、170、200时电路的瞬态特性。仿真结果如图5所示，随着放大倍数的增加，输出信号幅值也逐渐增加。

图5 参数扫描分析结果

若其他参数不变时，也可以选择R4为主扫描参数，结合静态工作点分析，从集电极电位Vc的值，即可容易确定R4的最佳参数，因为一般要求Vc的值近似为Vcc的一半。

3.5 交流小信号分析

交流小信号分析用于获得电路的幅频特性、相频特性曲线。一般说来，电路中的器件参数，如分压式偏置共发射极放大电路中三极管放大倍数并不是常数，而是随着工作频率的升高而下降；另一方面，当输入信号频率较高时，三极管间寄生电容，引线电感同样不能忽略，因此在输入信号幅度保持不变的情况下，输出信号的幅度或相位总是随着输入信号频率的变化而变化。

在交流小信号分析中结合参数扫描分析，能非常直观地了解到电路中某一元件参数对电路幅频特性的影响。

图6 交流小信号分析结果

仿真原理图如图4所示，仿真方式选择交流小信号分析（AC Small Signal Analysis）结合参数扫描分析，选择发射极交流旁路电容C3作为主扫描参数，初始值、终止值及步长分别取0.1uF、2uF和0.3uF，并将交流小信号分析参数起始频率、终止频率和测试点分别设定为1Hz、10KHz和1000，即可迅速了解到C3对放大器低频特性的影响，如图6所示。随着电容的逐渐增大，下限频率在逐渐减小。

4 结束语

Altium Designer软件是一款一体化的电子产品开发系统，不仅可以进行原理图设计、印制电路板编辑、信号完整性分析等技术操作，还拥有强大的混合信号仿真器，能够完成电子电路的仿真设计，使工程师在电子产品开发过程中，可以对原理图进行预先仿真，再进行电路板印刷，不仅可以明确系统的各项性能，还能根据仿真结果进行适当调整，以实现最优生产，大大提高了设计的成功率和效率。

[1] 穆秀春、李娜、訾鸿.从Protel到Altium Designer[M].电子工业出版社，2011.

[2] 何丽红、洪海山.基于Altium Designer的电子电路仿真设计[J].计算机与网络.2013(19):62-65.

Simulation of Electronic Circuit Based on Altium Designer

Song Jin
(School of Electronics & Information,Soochow University,Suzhou，215000,China)

As a subsequent version of the Protel,Atlium Designer has a very strong function of the electronic circuit design.This software can drawing schematic,editing PCB and simulating.We introduce the process and methods of simulation design,such as operating point analysis,transient analysis,temperature sweep,parameter sweep and AC small signal analysis,etc.So,this software can enhance the capacity of electronic circuit design.

Protel;Altium Designer; Simulation