什么是电子设计中的SPICE仿真？

电子产品资深人士可能对SPICE仿真已经相当了解，但即便是一些老派的电子工程师在设计电路时，仍然依靠他们的直觉和经验。它们可能是在电子设计中使用最广泛的仿真工具，无论是用于PCB设计、集成电路设计，还是设计其他电气系统。但在更深层次上，什么是SPICE图，SPICE软件仿真是如何工作的，以及使用SPICE仿真器有哪些最佳实践呢？

如果你是SPICE仿真的新手，而且作为一名电子PCB设计师从未使用过仿真器，那么不用担心。你不需要成为电气仿真的专家，但知道如何使用SPICE仿真器以及如何解释结果，将帮助你准确地为许多应用设计。继续阅读，了解什么是SPICE软件仿真以及如何在设计中使用它们。

什么是SPICE仿真？

电路设计软件SPICE是一个首字母缩略词，代表带有集成电路重点的仿真程序，尽管这个仿真框架不仅仅可以用于集成电子电路设计。最初的伯克利应用程序被发布为开源，它构成了今天的SPICE仿真应用程序的基础。SPICE电子应用程序可以用来模拟许多模拟或混合信号电路的电气行为。许多数字仿真任务可以在基本的SPICE仿真应用程序中执行，更专业的SPICE程序模拟器可以运行数字电路的逻辑仿真。

在典型的SPICE仿真应用程序中可以执行一些基本分析。这些任务包括：

• 直流扫描：这是一种基本的时间独立仿真，其中电路中的直流电流作为直流输入电压的函数计算。输入电压被扫描，结果显示在图表上。
• 瞬态分析：这是模拟交流电路的基本应用，包括具有非线性组件和任意波形的电路。结果显示在时间域中。
• 频率扫描：频率扫描是瞬态分析的共轭模拟。这涉及到计算频率域中的电路响应，就像你可能会对滤波器或阻抗匹配网络进行的那样。
• 参数扫描：电路中的一个参数可以在另一种模拟中通过一些值进行扫描。这通常用于实验不同的组件值，并观察它们如何影响电气行为。

除了这些基本分析之外，不同的商业SPICE电子模拟器应用程序包括不同的功能、用户界面和命令。在商业应用程序中或作为在线开源程序找到的各种SPICE模拟器将有它们自己的前缀或后缀（例如，HSpice、LTSpice等）。尽管这些程序本身在用户体验和功能方面可能有很大不同，但它们都依赖于相同的基本算法来解决电路分析问题。

SPICE电子解决方案算法

在创建SPICE电路模拟器图时使用的主要解决技术是节点分析。节点分析技术返回一个线性方程组（以矩阵形式书写），并使用矩阵运算来解这个系统。虽然这个算法可以手动实现简单电路，但在大型电路中，这个问题很快就变得难以处理。想象一个拥有100多个组件和类似数量的网络的电路；你将不得不解决一个巨大的矩阵方程，以确定这样一个电路中的电压和电流。

在为给定电路推导矩阵方程时，节点分析需要在电路图中定义节点，并为每个组件的电压降导出一组线性方程。在下面的图片中，我们有3个节点（标记为A、B和C）和GND作为参考节点。在节点分析中，“参考节点”意味着在节点处测量的电压是相对于GND测量的。实际上，你可以有多个参考节点，这相当于在不同电位上有多个电气隔离的地面。

矩阵方程

在上述电路中，矩阵方程具有一般形式，这是相邻节点之间电压降的函数。换句话说，我们可以写出一个方程，这个方程是节点之间电压差异的函数（假设使用GND作为参考节点）和一组输入电压：

在这个矩阵方程中需要计算的电压（V）可以在频域中，或者它们可以是时间依赖的。通过对不同时间和频率迭代这个方程，可以计算每个节点的电压和电流。再次强调，你可以手动完成这个过程，但是一个集成的SPICE模拟器可以自动化这个繁琐的过程。

一旦你得到了这种形式的矩阵方程，通常使用一种称为高斯-约旦法的技术来简化这些方程，以便可以迭代求解。如果你想自己编码，可以在线查找这种方法的详细信息。然而，SPICE模拟器可以非常高效地进行高斯-约旦法中的重复计算。

通过集成SPICE模拟器保持高效

如果您是一名PCB设计师，您可能更多地关注布线而不是仿真。然而，当今的PCB布局设计师还需要扮演电气工程师的角色，这意味着他们可能会花时间设计电路，并且需要对其电路进行仿真以确保其正常功能。如今的设计师甚至需要执行其他任务，如固件开发、制造准备、采购和机械设计。

最佳的PCB设计应用程序将集成您的SPICE仿真工具、PCB布局功能以及您所需的所有其他内容到一个单一的电子应用程序中。一旦您了解了什么是SPICE仿真，您就可以使用Altium Designer®中的完整设计工具集来设计和模拟您的SPICE电子仿真器图表的所有方面。然后，您可以将您的组件导入到一个空白的PCB布局中，而无需使用外部的原理图捕获工具。使用Altium Designer中业界最佳的设计工具，掌控您PCB的所有方面。

当您完成设计并想要分享您的项目时，Altium 365平台让与其他设计师协作变得简单。我们只是初步探索了使用Altium Designer在Altium 365上所能做的事情。

您可以查看产品页面，以获取更深入的SPICE电子和SPICE模拟器功能描述，或者观看其中一个按需网络研讨会。