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
- 人工分析
- 实验分析
- CAD 分析:把方程转为计算机可解的形式
- 建立电路元器件的模型
- 电路拓扑的描述
- 建立电路方程
- 编写计算机程序
- 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
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欧姆定理
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基尔霍夫定理
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KCL 电流定律
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KVL 电压定律
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节点电压法(方程数少,常用于 CAD)
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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
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 和 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