PSpice 21周仿真培训 I 第4周：直流扫描分析

直流扫描分析是交流分析时确定小信号线性模型参数和瞬态分析时确定初始值所需的分析。直流扫描分析中自变量可以是电压源、电流源、温度、全局参数或模型参数。直流扫描分析还可以进行二次扫描，可以指定一个参变量，并确定取值范围，每设定一个参变量的值，均计算输出变量随自变量的变化特性。

本期以分析MOS场效应管的特性曲线作为实例解析直流扫描分析。

图4.1 本期实例电路

选定Sweep Variable扫描变量为电压源。Name为扫描电压源的名称，对于上述实例，若准备绘制MOSFET的转移特性曲线，需要分析漏极电流随栅源电压的变化关系，即：

电压源名称应为Vgs。扫描类型为线性扫描，起始为0V，结束为4V，步长为0.01V，注意步长越小，绘制的曲线越平滑。如果不是按等步长增加，可以选择Value list列表的方式输入电压值，可以以逗号或空格输入数值。

图4.2 仿真参数设置

仿真参数设置确定后，可以运行仿真，也可以调用探针设置输出量。探针可以对节点电压值或者流过元件的电流值进行详细的记录，利用仿真数据，可以在图形显示窗口对其进行波形显示。

通过菜单选项 PSpice > Markers可以添加探针，也可以在工具栏的探针图标中选择放入。17.4版本的探针图标如下：

图4.3 探针引入

电压探针放置在导线上就能测该节点对地的电压数据，电流探针需要放置在元件的引脚上才能采集流过该元件的电流数据，差分探针、互导增益探针、电压增益探针等则需要按要求放置两处，而功率探针必须放置在元件体上。

实例中放置电流探针放置在MOSFET的漏极处，运行仿真后得到如下波形。

图4.4 仿真结果示意图

仿真参数设置对话框中有Model Parameter的扫描变量，需要如何使用呢？上面给出了MOSFET的转移特性曲线，图中选用的MOSFET是BREAKOUT库中理想的NMOS场效应管，可以通过设置不同的开启电压，看转移特性曲线的变化，具体可以在参数设置对话框中选择Secondary Sweep，设置参变量为Model Parameter。

实例中的MOSFET是NMOS，模型类型选择NMOS，模型名称就是该器件在原理图中显示的全称，Parameter Name需要查询该模型的内部参数的名称（关于模型参数会在后期建模部分详细介绍），开启电压在模型中名称为VTO，这里设置开启电压从1V变化到3V，步长为1V，共取三个值。

图4.5 模型参数设置

运行仿真后，得到三条转移特性曲线，如下图所示。

图4.6 仿真结果示意图

MOSFET输出特性是指在栅源电压vGS一定的情况下，漏极电流iD随漏源电压vDS之间的关系，即：

图4.1的实例电路中电压源Vgs是自变量，是特性曲线的横坐标；电压源Vds是参变量，在二次扫描中设置；场效应管漏极电流是输出变量，是特性曲线的纵坐标。分析清楚后，按照如下表格进行参数设置。

图4.7 参数设置表

运行直流扫描分析，同样在MOS场效应管的漏极引脚处添加一个电流探针，在PSpice中显示如下仿真结果：

图片4. 8 仿真结果示意图

根据用户的需要，还可以增加负载线，比如增加50kΩ电阻的负载线。选择菜单 Trace > Add Trace，或是点击工具栏中图标，得到如下添加轨迹线对话框，设置输出表达式（5-V_Vds）/50k。

图4.9 工具栏图标

图4.10 设置输出表达式

确定后得到如下波形：

图4.11 仿真波形图

前面添加轨迹线的对话框中输出变量列表里列出了仿真电路中出现的电压变量、电流变量以及功率变量等。为了让大家随心所欲显示所需波形，接下来解析这诸多变量表示的含义。

对于直流扫描分析，输出电压一般由以下语句表示：

V（）：表示节点node对地的电压

V(,) ： 表示节点node1到节点node2之间的电压

Vx()：表示元器件的x端电压（name是元器件名）

V()：表示双端元器件两端的电压（某些版本没有这种表示）

Vz()：表示传输线z端口的电压

图4.12 PSpice变量及意义

可以看出有一些变量其实是代表同个含义，比如V1(R)和V(R:1)都是代表R端口1的电压。如何知道一个元器件的端口值呢？可以用鼠标点击元器件的管脚，会显示一个浮动的窗口，显示该端口值。

图4.13 显示端口值

PSpice的输出电流可以由以下语句表示：

I(<name>) 流经元器件的电流

I(<name:x>) 流入元器件x端的电流

Iz(<name>) 流经传输线z端口的电流

图4.14 PSpice变量及意义

在后期要介绍的交流分析中，输出量还会有振幅、相位和群延时等，因此电压和电流的变量中还会增加如下的后缀。

图4.15 变量后缀及意义

输出变量中还有功率损耗值，主要形式是：W()，表示某元器件的瞬时功率损耗。比如：W(Vds)表示电压源的输出功率值。了解了这些变量的含义，配合数学运算函数，就可以显示各种输出啦。

直流扫描分析的操作很简单，但因为它的显示结果中横坐标可以是多种形式，这就使得它除了分析特性曲线之外，可以分析传输特性、分析电路传递函数等。下图可以作为课后小练习，使用直流扫描分析练习绘制施密特触发器的传输特性曲线。

图4.16 练习示意图

大家的仿真结果是否和下图一致呢？下图是两次仿真结果的组合，使用菜单下 File >  Append Waveform 追加波形的功能，可以自行探索一下。

图4.17 仿真结果