3-1 电路模拟原理

3-1-1 电路分析的 CAD 基本方法

人工分析 -> 实验分析 -> CAD 分析

  1. 人工分析
  2. 实验分析
  3. CAD 分析:把方程转为计算机可解的形式
    1. 建立电路元器件的模型
    2. 电路拓扑的描述
    3. 建立电路方程
    4. 编写计算机程序
    5. 显示计算结果

3-1-2 集成电路的 CAD 分析

电路功能分析:

直流分析、交流稳态分析、瞬态分析、灵敏度分析、容差分析和噪声分析以及温度影响分析等

  • 欧姆定理

  • 基尔霍夫定理

  • KCL 电流定律

  • KVL 电压定律

  • 节点电压法(方程数少,常用于 CAD)

  • 支路电流法

节点电压法运用 VCR(元件的伏安关系) 和 KCL,对GND、参考节点以外的 N-2 个节点列方程

3-2 基本电路分析

3-2-1 线性电路的直流分析

直流分析也称为直流稳态分析,做直流分析时,电路中的电容视为开路,电感视为短路。 网络的节点和支路必须编号。

节点电压法不能处理独立源支路,阻抗为0支路和流控元件。

电路矩阵的一般形式为:YV=I 或 YnVn=In

其中,Y 为导纳矩阵,V 为电压,I 为电流

  • Y矩阵的主对角线上的元素为电路中相应节点上的自导纳,总为正;
  • 非主对角线元素为电路节点的互导纳,总为负

自导纳:与该节点相连的导纳之和

互导纳:该节点与相邻节点的连接支路上的导纳之和

3-2-2 线性电路的交流分析

直流分析和交流稳态分析的主要差别是: 在交流分析中Y和所有数都是复数,即系数矩阵Y,电流向量I和电压向量V都会是复数矩阵和复数向量,所需求解的方程是一个复数方程。 此外,通常要考虑求解频带内的一系列的频率点,对每个频率点都要进行完整的分析。

3-2-3 非线性电路的直流分析

非线性电路难以有解析式,常用数值方法求解,譬如用 牛顿-拉夫森迭代

参见 如何通俗易懂地讲解牛顿迭代法?

电路原型:

物理模型:

数学模型:

3-2-4 非线性电路的交流分析

在每个频率下分别分析

3-2-5 瞬态分析

计算电路遇到一个瞬时的激励时的瞬态过程

电容:

电感:

方法:用基尔霍夫电流定律列出节点方程,是一个微分方程组,用数值积分来求解。

欧拉法:用差商代替导数,即用代替

隐式欧拉法:用代替

用积分梯度近似可得:

  • 电容的伴随模型:

    • h 为时间步长
  • 电感的伴随模型:(电流不能突变

  • 各类元件都可以用诺顿等效模型:电导和电流源并联

3-3 基本电路元器件模型

3-3-2 三极管的 H 参数模型

  • 输入电压函数:
  • 输出电流函数:

对以上二式采用全微分法,可得到 的微变增益一般表达式,即

可见 为交流分量, 用

得到方程组:

  • 输入电压方程 ;BE 间可以等效成一个电阻与一个受控电压源串联
  • 输出电流方程 ;CE 间可以等效为一个受控电流源与一个电阻并联

i: input, o: output, r: reverse, f: forward

中的四个元素量纲不同,故称混合参数(H 参数)

晶体管的H参数模型:

在放大区,输入端等效为一个动态输入电阻,输出端等效为一个电流控制的电流源

三极晶体管放大区H参数等效模型:

3-3-3 三极管的 SPICE 模型

从工艺到电气模型都包含在内