3.7 瞬态仿真（.tran）

Spice时域仿真即瞬态仿真用于观察电路的时域波形，是电路仿真中最常用的仿真类型。.tran语句可以设置瞬态仿真的起始时间、终止时间、仿真步长、波形显示起始时间等参数，需要与瞬态信号源配合。做好瞬态仿真首先要掌握瞬态信号源的格式，并根据电路的功能选取合适的瞬态信号源。下面先介绍一下Spice的瞬态信号源格式，然后再介绍.tran语句的语法格式，最后给出用Cadence ADE对CS_stage进行瞬态仿真的具体流程。

Spice有4种常用瞬态信号源，即正弦（sin）信号源、周期方波脉冲（pulse）信号源、分段线性（pwl）信号源和指数（exp）信号源。sin信号源产生正弦信号，pulse信号源产生周期方波信号，pwl信号源可以用线段画波形，而exp顾名思义，用来描述指数信号。下面对它们的语法格式进行具体介绍。

1）sin信号源：在电路仿真中sin信号源最常用，其Spice语法格式为

例如，sin（1 0.7 1 0 0 0）表示偏置（中心值）为1、幅度为0.7、频率为1、延时为0、阻尼因子为0和相位为0的正弦波，其波形如图3.26所示。如果theta大于0，则生成衰减的正弦波，模拟阻尼振荡。v0可以理解为正弦波的直流偏置，信号以偏置为中心上下波动，大部分电路仿真都可以用v0作为偏置电压，不用单独添加一个直流偏置电压。

2）pulse信号源：pulse信号源产生高低变化的周期性波形，其Spice语法格式为

例如，pulse（0 5 0 0.1 0.1 0.6 1）表示初始值为0、脉动值（幅度）为5、延时为0、上升时间为0.1、下降时间为0.1、脉宽（占空比）为0.6和周期为1的脉冲波形，其波形如图3.27所示，从图中可以看出，当把tr或tf设置为0时，可以模拟理想方波信号，在逻辑电路仿真中可以模拟高低逻辑电平，在放大器或滤波器电路仿真中可以测试电路的转换速度。

3）pwl信号源：pwl信号源主要用于生成任意波形，给出时间点和所对应的数值，相邻时间点之间用直线连接，表现出分段线性的特点，其Spice语法格式为

例如，pwl（0 1 1 0.5 2 0.5 3 1 4 0）的波形如图3.28所示。

4）exp信号源：exp信号源主要用于产生类似于充放电的指数波形，需要给出充放电初始值和稳态值，以及充放电起始时刻和时间常数，其Spice语法格式为

例如，exp（0 1 0.2 0.5 2 1）的波形如图3.29所示。

为方便查阅和比较，表3.4归纳了上述4种瞬态信号源Spice语法格式和波形举例。

Cadence工具提供的理想元件库（analogLib）中也有这4种瞬态信号源，在原理图中例化这些瞬态信号源也会自动弹出参数设置对话窗口，在窗口中正确填入相关的参数，就可以生成预期的瞬态信号。如果需要产生表3.4中的4个瞬态电压信号波形，可调用analogLib中电压瞬态信号源vsin、vpulse、vpwl和vexp，参数设置对话框如图3.30～图3.33所示，仿真输出的波形如图3.34所示。

图3.34的瞬态信号源波形出自图3.35中的电路图，图中例化了analogLib中的vsin、vpulse、vpwl和vexp瞬态信号源，按前面图中的方法设置了每个信号源的参数，在Check and Save后打开ADE窗口。通过Analyses菜单打开Choosing Analyses对话框，由于使用的都是理想器件，所以不用加仿真库，设置仿真类型为tran，在Stop Time栏中填写6，表示仿真时间为6s，设置如图3.36所示。将各个瞬态信号源的输出加入到输出显示列表中，设置完成的ADE窗口如图3.37所示，保存状态后单击红绿灯图标开始仿真，即可得到仿真结果。

本节介绍的瞬态信号源仿真只设置了信号源的重要参数，它们能够满足大多数的应用需求，在图形界面中还有很多参数空着，仿真器会采用它们的默认值，如果默认值不能满足仿真要求，还是需要自己设置。如果对窗口中某个参数的含义不太肯定，可以先按照自己的理解填写，然后通过仿真去观察它的实际波形，在调整中不断改进，直到激励波形满足预期要求为止，必要时再参考手册等。

总之，在进行电路瞬态仿真时要保证激励信号正确，在观察瞬态仿真结果时首先要检查激励波形是否正确，不要一发现仿真结果不正确就慌了手脚，而要先冷静下来，从激励信号源开始，逐步检查与分析，直到仿真结果正确为止。

瞬态信号源设置要与仿真时间设置协调一致，如果瞬态信号是周期性信号，例如sin或者pulse，且电路没有过渡状态，则设置几个信号周期的仿真时间就可以了。经常会有读者把仿真时间设置得过长，仿真时间长度包括了成千上万个信号周期，不仅浪费了大量的仿真时间，而且观察波形也很慢，甚至有时候计算机还会因内存不足而卡住。

有了前面的基础，对CS_stage的瞬态仿真就非常简单了。打开CS_stage_sim的原理图，把电压源V1换成vsin，具体方法是先选中V1，然后按Q键弹出如图3.38所示的Edit Object Properties对话框，把Cell Name栏中的vdc改为vsin，然后随便单击一下别的栏，这样就可以更新对话框，并出现与vsin相关的参数设置栏。为了保持NMOS管栅极的1V偏置电压，首先在DC voltage栏中填写1V，然后在Amplitude栏中填写1mV，在Frequency栏中填写1kHz，单击OK按钮。由于原理图经过了修改，所以需要Check and Save。

需要提醒注意的是，当单击红绿灯图标进行仿真后出现错误而无法进行时，大部分情况都是因为修改了电路但却没有保存造成的，Cadence对这种错误只是报告而不提示，所以很容易被误认为电路出现了很严重的错误，惊出一身冷汗！

打开ADE窗口，单击Session→Load State...，调出3.5节中进行直流扫描时保存的state_dc，这时ADE的设置恢复到了直流扫描仿真时的状态，模型库已经自动添加。通过Analyses菜单打开Choosing Analyses对话框，仿真类型选择tran，由于正弦波频率为1kHz，所以周期为1ms，因此在Stop Time栏中填写10m，可以得到10个正弦波周期波形，设置结果如图3.39所示。单击OK按钮，ADE窗口Analyses栏多了一行瞬态仿真，如图3.40所示。单击Session→Save State...，将状态保存为state_tran，然后单击红绿灯图标开始仿真，仿真结果如图3.41所示。

从图3.41所示的仿真结果中可以看出，直流扫描仿真结果与原来的仿真结果完全相同，并没有因为把V1从vdc换成vsin而发生变化，其主要原因是vsin的中心值被设置成了1V。另外，经过放大的正弦波峰峰值为80mV左右，所以其幅度值为40mV，与输入信号的1mV相比，可以大致估算CS_stage的低频放大倍数为40左右。