SPICE Simulation trong Thiết kế Điện tử là gì?

Các chuyên gia điện tử có lẽ đã biết khá nhiều về mô phỏng SPICE, nhưng ngay cả một số kỹ sư điện tử lâu năm vẫn dựa vào trực giác và kinh nghiệm của họ khi thiết kế mạch. Đây có lẽ là công cụ mô phỏng nổi tiếng nhất được sử dụng trong thiết kế điện tử, cho dù đó là thiết kế PCB, thiết kế mạch tích hợp, hay thiết kế các hệ thống điện khác. Nhưng ở một cấp độ sâu hơn, sơ đồ SPICE là gì, mô phỏng phần mềm SPICE hoạt động như thế nào, và một số phương pháp tốt nhất khi sử dụng các bộ mô phỏng SPICE là gì?

Nếu bạn mới làm quen với mô phỏng SPICE và bạn chưa bao giờ sử dụng một bộ mô phỏng trong thiết kế PCB điện tử, thì đừng lo lắng. Bạn không cần phải là một chuyên gia về mô phỏng điện, nhưng biết cách sử dụng một bộ mô phỏng SPICE và cách giải thích kết quả giúp bạn thiết kế chính xác cho nhiều ứng dụng. Hãy tiếp tục đọc để tìm hiểu về mô phỏng phần mềm SPICE là gì và cách sử dụng chúng trong thiết kế của bạn.

Mô phỏng SPICE là gì?

Phần mềm thiết kế mạch điện tử SPICE là từ viết tắt của Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis, mặc dù khung mô phỏng này có thể được sử dụng cho nhiều mục đích hơn là chỉ thiết kế mạch điện tử tích hợp. Ứng dụng gốc của Berkeley đã được phát hành dưới dạng mã nguồn mở, và nó tạo nên cơ sở của các ứng dụng mô phỏng SPICE ngày nay. Một ứng dụng điện tử SPICE có thể được sử dụng để mô phỏng hành vi điện của nhiều mạch tương tự hoặc mạch tín hiệu hỗn hợp. Nhiều nhiệm vụ mô phỏng số có thể được thực hiện trong các ứng dụng mô phỏng SPICE cơ bản, và các bộ mô phỏng chương trình SPICE chuyên biệt hơn có thể chạy mô phỏng logic cho các mạch số.

Có một số phân tích cơ bản có thể được thực hiện trong các ứng dụng mô phỏng SPICE tiêu biểu. Những nhiệm vụ này bao gồm:

• Quét DC: Đây là một mô phỏng độc lập với thời gian cơ bản, nơi dòng điện DC trong một mạch được tính toán như một hàm của điện áp đầu vào DC. Điện áp đầu vào được quét và kết quả được hiển thị trên một biểu đồ.
• Phân tích chuyển tiếp: Đây là một ứng dụng cơ bản cho mô phỏng mạch AC, bao gồm các mạch với các thành phần phi tuyến và dạng sóng tùy ý. Kết quả được hiển thị trong miền thời gian.
• Quét tần số: Quét tần số là mô phỏng đối ngẫu với phân tích chuyển tiếp. Điều này bao gồm việc tính toán phản ứng mạch trong miền tần số, như bạn có thể làm với một bộ lọc hoặc mạng ghép nối trở kháng.
• Quét tham số: Một tham số trong mạch có thể được quét qua một số giá trị như một phần của mô phỏng khác. Điều này thường được sử dụng để thử nghiệm với các giá trị linh kiện khác nhau và xem chúng ảnh hưởng như thế nào đến hành vi điện.

Ngoài những phân tích cơ bản này, các ứng dụng mô phỏng điện tử SPICE thương mại khác nhau bao gồm các tính năng, giao diện người dùng và lệnh khác nhau. Các mô phỏng SPICE được tìm thấy trong các ứng dụng thương mại hoặc dưới dạng chương trình mã nguồn mở trực tuyến sẽ có tiền tố hoặc hậu tố riêng của chúng (ví dụ: HSpice, LTSpice, v.v.). Mặc dù chính các chương trình có thể rất khác biệt về trải nghiệm người dùng và tính năng, nhưng tất cả đều dựa vào cùng một thuật toán cơ bản để giải quyết các vấn đề phân tích mạch.

Thuật toán Giải pháp Điện tử SPICE

Kỹ thuật giải pháp chính được sử dụng khi tạo sơ đồ mô phỏng mạch SPICE là phân tích nút. Kỹ thuật phân tích nút trả về một hệ thống phương trình tuyến tính (viết dưới dạng ma trận) và giải hệ này bằng cách sử dụng phép toán ma trận. Mặc dù thuật toán này có thể được thực hiện bằng tay cho các mạch đơn giản, nó nhanh chóng trở thành một vấn đề không thể giải quyết được trong các mạch lớn. Hãy tưởng tượng một mạch với hơn 100 thành phần và số lượng nets tương tự; bạn sẽ phải giải một phương trình ma trận khổng lồ để xác định điện áp và dòng điện trong mạch như vậy.

Trong việc suy ra phương trình ma trận cho một mạch nhất định, phân tích nút yêu cầu xác định các nút trong sơ đồ mạch, và một tập hợp các phương trình tuyến tính được suy ra cho sự giảm điện áp qua mỗi thành phần. Trong hình dưới đây, chúng ta có 3 nút (được gán nhãn A, B, và C) và GND là nút tham chiếu. Bằng “nút tham chiếu” trong phân tích nút, chúng ta có nghĩa là điện áp đo “tại một nút” được đo so với GND. Thực tế, bạn có thể có nhiều nút tham chiếu, tương đương với việc có nhiều mặt đất cách ly galvanic ở các tiềm năng khác nhau.

Phương Trình Ma Trận

Trong mạch trên, phương trình ma trận có một dạng tổng quát là một hàm của sự chênh lệch điện áp giữa các nút liền kề. Nói cách khác, chúng ta có thể viết một phương trình là hàm của sự chênh lệch điện áp giữa các nút (giả sử GND được sử dụng làm nút tham chiếu) và tập hợp các điện áp đầu vào:

Điện áp (V) cần được tính toán trong phương trình ma trận này có thể ở miền tần số, hoặc chúng có thể phụ thuộc vào thời gian. Bằng cách lặp lại phương trình này cho các thời điểm và tần số khác nhau, điện áp và dòng điện tại mỗi nút có thể được tính toán. Một lần nữa, bạn có thể làm điều này bằng tay, nhưng một bộ mô phỏng SPICE tích hợp tự động hóa quá trình mệt mỏi này.

Một khi bạn đã có một phương trình ma trận theo dạng này, một kỹ thuật được biết đến là phương pháp Gauss-Jordan thường được sử dụng để giảm các phương trình này đến điểm mà chúng có thể được giải quyết lặp lại. Bạn có thể tìm kiếm trực tuyến để biết chi tiết về phương pháp này nếu bạn muốn tự lập trình nó. Tuy nhiên, một bộ mô phỏng SPICE có thể thực hiện các tính toán lặp đi lặp lại trong phương pháp Gauss-Jordan một cách hiệu quả.

Giữ Hiệu Suất Làm Việc Với Bộ Mô Phỏng SPICE Tích Hợp

Nếu bạn là một nhà thiết kế PCB, có lẽ bạn đã tập trung nhiều hơn vào việc định tuyến hơn là mô phỏng. Tuy nhiên, những nhà thiết kế bố cục PCB ngày nay cũng cần đóng vai trò của kỹ sư điện, nghĩa là họ có khả năng sẽ dành thời gian để thiết kế mạch, và họ sẽ cần thực hiện mô phỏng các mạch của mình để đảm bảo chức năng hoạt động đúng cách. Các nhà thiết kế ngày nay thậm chí cần thực hiện các nhiệm vụ khác như phát triển firmware, chuẩn bị sản xuất, tìm nguồn cung, và thiết kế cơ khí.

Ứng dụng thiết kế PCB tốt nhất sẽ tích hợp công cụ mô phỏng SPICE của bạn, các tính năng bố cục PCB, và tất cả những gì bạn cần vào một ứng dụng điện tử duy nhất. Một khi bạn biết mô phỏng SPICE là gì, bạn có thể sử dụng bộ công cụ thiết kế đầy đủ trong Altium Designer® để thiết kế và mô phỏng tất cả các khía cạnh của sơ đồ mô phỏng điện tử SPICE của bạn. Bạn có thể sau đó nhập các thành phần của mình vào một bố cục PCB trống mà không cần sử dụng tiện ích chụp sơ đồ bên ngoài. Kiểm soát tất cả các khía cạnh của PCB của bạn với bộ công cụ thiết kế tốt nhất trong ngành của Altium Designer.

Khi bạn đã hoàn thành thiết kế của mình và muốn chia sẻ dự án, nền tảng Altium 365™ giúp việc hợp tác với các nhà thiết kế khác trở nên dễ dàng. Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365.

Bạn có thể kiểm tra trang sản phẩm để biết thêm mô tả chi tiết về các tính năng của điện tử SPICE và các bộ mô phỏng SPICE hoặc một trong những Webinar Theo Yêu Cầu.