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电子仿真 SPICE 课程：横坐标与时间不同的图形
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2025年02月15日 12:58 18
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通常，当使用.TRAN指令执行瞬态分析时，SPICE语言将结果显示为时间的函数。事实上，该图是在时域中的。 X轴代表时间变量，图表显示各种电量如何随时间变化。例如，考虑图 1 所示的电路，其中包括一个限流电阻和一个电解电容器。在这种情况下，通过指令在瞬态时域中进行分析：
.TRAN 1
.直流V1 0 4 10m
图 2：使用 .DC 指令进行的直流域仿真显示横坐标上发电机的电压不断增加。
自定义 X 轴
SPICE 的一个非常有趣且强大的方面是能够显示图形，其中 X 轴代表时间或电压以外的量，例如温度、电流、电阻等。为此，您可以组合 .OP 和 .STEP 指令。 .OP 指令对电路的工作点进行分析。该分析返回电路中电压和电流的静态值，不随时间变化，但不直接生成图表。另一方面，.STEP 指令允许您执行参数模拟；也就是说，在改变温度、电阻、电压或电流等参数的同时执行电路分析。通过组合.STEP和.OP，您可以更改参数并观察相关图形的变化。图 3 中的示例显示了一个电路，其图形显示在晶体管 R1 基极电阻值的域中。事实上，横坐标的值是相对于 R1 的，并且介于 100 kΩ 和 1 MΩ 之间。这是一个简单的电路，使用 BJT NPN 晶体管并用作放大器。该仿真旨在展示仅通过改变晶体管基极电阻值即可如何改变集电极电流和线性区中的工作点。 .STEP 指令定义了一个电阻，其值范围在 100K 到 1,000K Ω 之间。它确保执行多次模拟，每次模拟都使用不同的 R1 电阻值。 .OP 指令针对 R1 的每个值返回电路中电压和电流的固定值，使您可以了解 R1 电阻如何影响晶体管的操作。使用以下指令在基极电阻域中执行分析：
.OP
.步进参数 R1 100K 1000K 10K
图 3：电阻域中的模拟，X 轴上为相对值
本文的最后一个示例是与 MOSFET 功耗图相关的示例，其中 X 轴为温度。图 4 中的电气图显示了在参数模拟中使用 MOSFET 的电路，其中温度变化范围为 –10°C 至 180°C。由于以下指令，分析是在温度域中进行的：
.OP
.阶跃温度 -10 180 1
.OP指令计算电路中每个温度值的稳态电流和电压值。 .STEP TEMP指令（这次不需要添加PARAM关键字）允许用户分析MOSFET的特性如何随着温度的变化而变化。在较高温度下，MOSFET 的行为与较低温度下的行为不同，仿真将显示这些变化如何影响电路的整体运行。该图显示了 MOSFET 功耗随温度变化的趋势，X 轴显示了工作温度。请记住，一般来说，MOSFET 功耗的计算公式如下：
PD MOSFET = ( V漏极× I漏极) + ( V栅极× I栅极)
栅极电流通常被认为为零，因为其幅度极低。温度变化会影响组件的功耗，官方数据表也证实了这一点。在温度域中观察图表的能力也非常有用，因为它建立了正确的工作温度范围以使电路安全可靠。
温度域模拟，横坐标为相对值。
图 4：温度域仿真，横坐标为相对值
在 SPICE 中，.OP 和 .STEP 指令的组合使用为设计人员提供了很大的灵活性，可以探索时间或电压变量（例如温度、电阻、电流或功率）之外的电路行为。这种方法允许在各种工作条件下研究电路，从而更深入地了解整体性能和各个组件之间的变化。 .OP指令对电路进行静态分析，计算每个节点的电压和电流的工作点或稳态。它不考虑时间变化，而是在假设条件恒定的情况下计算给定时间的电路状态。 .STEP 指令允许通过在指定范围内修改一个或多个参数来运行多个模拟，从而为分析添加动态维度。它不是简单地执行单一静态分析，而是允许设计人员查看电压、电流和其他量如何随着变量的变化而变化。通常，从 SPICE 仿真得出的图表在 X 轴上使用时间（在瞬态分析中）或电压（在直流扫描分析中）来显示数量如何随时间变化或作为输入电压的函数变化。但是，同时使用 .OP 和 .STEP 可以制作 X 轴代表其他量（例如温度和电阻）的图表。此功能允许用户检查电子电路在各种场景中的行为，例如热设计、确定最佳值的组件尺寸等。这种额外的分析功能对于准确和自信的电路设计至关重要，因为它允许用户测试电路本身如何响应温度或电阻等关键参数的变化，并针对不同的工作条件进行优化。
.TRAN 1
通过向电路提供电流，电容器根据 RC 时间常数进行充电。在该电路中，有一个直流电压源，带有一个 100Ω 电阻器和一个容量为 2,200μF 的电容器。指令.IC v(out)=0 设置“out”节点的初始条件；换句话说，电容器最初放电，两端电压为 0 V。模拟持续一秒，感兴趣的节点是“out”，位于电阻器和电容器之间。电压开始通过电阻器对电容器充电，电路的行为将是典型的 RC 电路（电阻器和电容器串联），其中电容器开始遵循指数曲线充电。电阻限制了电容器的充电速度，“输出”节点的电压逐渐增加，直到达到 15V。
在图中，横坐标表示从仿真开始时的瞬时零到一秒所经过的时间。
类似地，.DC 指令执行直流模拟，改变电压或电流并显示有关可变电压源的相关量的趋势。图2中的示例显示了另一个包含直流电压源、电阻器和二极管的电路，并通过指令在发生器的电压域中进行分析：.直流V1 0 4 10m
仿真开始时，V1 从 0V 开始，逐渐增加至 4V。1K 电阻限制流经电路的电流。 1N4148 二极管的阈值电压约为 0.7 V。这意味着，当“输出”节点处的电压低于约 0.7 V 时，二极管不会导通。当电压超过 0.7V 时，二极管将开始导通，从而允许电流流过二极管。显然，这些值的趋势是模拟的而不是数字的，因此电压的变化是逐渐增加的，而不是突然的变化。当高于 0.7V 时，由于二极管的特性，二极管上的电压将几乎保持在 0.7V 恒定。
图 2：使用 .DC 指令进行的直流域仿真显示横坐标上发电机的电压不断增加。
自定义 X 轴
SPICE 的一个非常有趣且强大的方面是能够显示图形，其中 X 轴代表时间或电压以外的量，例如温度、电流、电阻等。为此，您可以组合 .OP 和 .STEP 指令。 .OP 指令对电路的工作点进行分析。该分析返回电路中电压和电流的静态值，不随时间变化，但不直接生成图表。另一方面，.STEP 指令允许您执行参数模拟；也就是说，在改变温度、电阻、电压或电流等参数的同时执行电路分析。通过组合.STEP和.OP，您可以更改参数并观察相关图形的变化。图 3 中的示例显示了一个电路，其图形显示在晶体管 R1 基极电阻值的域中。事实上，横坐标的值是相对于 R1 的，并且介于 100 kΩ 和 1 MΩ 之间。这是一个简单的电路，使用 BJT NPN 晶体管并用作放大器。该仿真旨在展示仅通过改变晶体管基极电阻值即可如何改变集电极电流和线性区中的工作点。 .STEP 指令定义了一个电阻，其值范围在 100K 到 1,000K Ω 之间。它确保执行多次模拟，每次模拟都使用不同的 R1 电阻值。 .OP 指令针对 R1 的每个值返回电路中电压和电流的固定值，使您可以了解 R1 电阻如何影响晶体管的操作。使用以下指令在基极电阻域中执行分析：
.OP
.步进参数 R1 100K 1000K 10K
这两个图表示电路中晶体管相对于流过基极电阻的电流的行为。上图显示了当基极电流变化时流经电路负载电阻的电流。纵坐标轴（Y轴）代表以毫安为单位的电流，而横坐标轴（X轴）代表电阻R1的值。下图显示集电极电压；再次，随着基极电阻的变化。纵坐标轴（Y 轴）代表该电压（以伏特为单位），而横坐标轴与第一张图的横坐标轴相同，并显示参数 R1。正如您所看到的，集电极电压为 VCC/2 的理想点是当基极电阻值约为 331 kΩ 时，集电极电流为 2.73 mA。在电阻值域中观察图形的能力非常有用，因为它允许用户仔细选择电子元件，而无需运行多次电子模拟。电容器和电感器也是如此。
图 3：电阻域中的模拟，X 轴上为相对值
本文的最后一个示例是与 MOSFET 功耗图相关的示例，其中 X 轴为温度。图 4 中的电气图显示了在参数模拟中使用 MOSFET 的电路，其中温度变化范围为 –10°C 至 180°C。由于以下指令，分析是在温度域中进行的：
.OP
.阶跃温度 -10 180 1
.OP指令计算电路中每个温度值的稳态电流和电压值。 .STEP TEMP指令（这次不需要添加PARAM关键字）允许用户分析MOSFET的特性如何随着温度的变化而变化。在较高温度下，MOSFET 的行为与较低温度下的行为不同，仿真将显示这些变化如何影响电路的整体运行。该图显示了 MOSFET 功耗随温度变化的趋势，X 轴显示了工作温度。请记住，一般来说，MOSFET 功耗的计算公式如下：
PD MOSFET = ( V漏极× I漏极) + ( V栅极× I栅极)
栅极电流通常被认为为零，因为其幅度极低。温度变化会影响组件的功耗，官方数据表也证实了这一点。在温度域中观察图表的能力也非常有用，因为它建立了正确的工作温度范围以使电路安全可靠。
温度域模拟，横坐标为相对值。
图 4：温度域仿真，横坐标为相对值
在 SPICE 中，.OP 和 .STEP 指令的组合使用为设计人员提供了很大的灵活性，可以探索时间或电压变量（例如温度、电阻、电流或功率）之外的电路行为。这种方法允许在各种工作条件下研究电路，从而更深入地了解整体性能和各个组件之间的变化。 .OP指令对电路进行静态分析，计算每个节点的电压和电流的工作点或稳态。它不考虑时间变化，而是在假设条件恒定的情况下计算给定时间的电路状态。 .STEP 指令允许通过在指定范围内修改一个或多个参数来运行多个模拟，从而为分析添加动态维度。它不是简单地执行单一静态分析，而是允许设计人员查看电压、电流和其他量如何随着变量的变化而变化。通常，从 SPICE 仿真得出的图表在 X 轴上使用时间（在瞬态分析中）或电压（在直流扫描分析中）来显示数量如何随时间变化或作为输入电压的函数变化。但是，同时使用 .OP 和 .STEP 可以制作 X 轴代表其他量（例如温度和电阻）的图表。此功能允许用户检查电子电路在各种场景中的行为，例如热设计、确定最佳值的组件尺寸等。这种额外的分析功能对于准确和自信的电路设计至关重要，因为它允许用户测试电路本身如何响应温度或电阻等关键参数的变化，并针对不同的工作条件进行优化。
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