3.8 交流仿真（.ac）和常用波形操作技术

交流仿真就是对电路进行频率特性分析，仿真的主要对象是放大器和滤波器。交流仿真必须先求出电路的工作点，即使没有.op语句，Spice仿真器也会先计算工作点，然后基于工作点进行交流小信号分析，如果计算工作点不收敛，交流仿真就无法进行。当电路设计不合理或者电路连接不完整时，比如出现悬空的栅极或者没有直流通路的节点等情况，就很容易出现工作点不收敛的问题。

Spice交流仿真用.ac语句，这条语句的语法比较复杂，下面介绍一种.ac语句最常用的简化语法格式，即

其中，tpye为频程控制关键字，num为频程内的点数，fstart和fstop分别代表交流仿真起始频率和终止频率。type有4种关键字，即dec、oct、lin和poi，其中dec表示10倍频程，num为每10倍频程的扫描点数；oct表示倍频程，num为每倍频程的扫描点数；lin表示按照线性规律扫描，此时num则表示每10倍频程的扫描点数；poi表示按照列表规律变化扫描，后面的参数含义跟前面几种不同，这里不再介绍，如有需要请自行查阅相关手册。

在Spice文件中，.ac需要与.print ac语句配合使用，下面举一个简单的例子。如图3.42所示为一阶RC低通滤波器电路图和交流分析的Spice网表，其中V1是交流小信号源，其连接节点in和地，直流电压为10V，交流电压为1V，这里的1V并不表示实际的幅度，作为交流小信号分析，这个1只是为了方便观察结果，输出是几伏，增益就是几倍。.AC语句是扫描分析控制语句，本例中DEC表示按照10倍频程扫描，每10倍频程扫描10个频点，1K和1MEG表示扫描频率范围为1kHz～1MHz。这里的.PRINT AC语句是设置频率扫描计算完成后需要显示的电压和电流，本例为节点out的电压和电容C1的电流。

前面简单介绍了一下.ac的语法结构，下面再介绍一下在Cadence的ADE环境中如何进行交流仿真。

打开CS_stage_sim的电路图，设置V1的属性，为其添加AC信号，只有添加了AC信号才能进行交流分析。选中V1，然后按Q键，弹出如图3.43所示的Edit Object Properties对话框，在AC magnitude栏中填写1V，表示交流输入为1V。前面介绍过，这个1V是为了方便增益计算，不代表真正的1V，因为仿真输出除以输入为增益，若输入为1，则输出幅度值就可以直接代表增益。单击OK按钮，然后进行Check and Save。

打开ADE窗口，调出之前保存的状态，先单击红绿灯图标进行仿真试试，确定能正常仿真之后先将dc和tran仿真都关闭，方法是在Choosing Analyses对话框中把下面选中的Enabled去掉。然后在Analysis栏中选择ac，在Sweep Variable栏中选择Frequency，在Sweep Range栏中选择Start-Stop，并在Start栏中填写1，在Stop栏中填写1G（要大写），在Sweep Type栏中选择Logarithmic，设置频率为对数坐标，然后选中Points Per Decade，并在该栏中填写10，表示每10倍频程扫描10个频点，设置完成如图3.44所示，单击OK按钮。

设置完成ac仿真的ADE窗口如图3.45所示，将设置保存为state_ac，然后单击红绿灯图标开始仿真，仿真结果如图3.46所示。从仿真结果可以看出，CS_stage在1.557kHz处的输出为40.17V，与1V的交流信号幅度的比值也为40.17，与时域仿真估算的40倍增益基本相同。

为了更好地观察波形，下面向大家介绍一些常用的波形操作技巧。

1）分开显示：图3.46所示其实是两条重合的波形曲线，单击图中圈内的Strip Chart Mode图标，两条波形曲线就可以分开显示，再单击可还原。

2）矩形区域局部放大：按住鼠标的右键画矩形，矩形区域将放大显示，按F（fit）键可以还原。

3）坐标轴向放大：按X键可进入横坐标放大模式，按Y键可进入纵坐标放大模式，也可以用zoom箭头所示的图标操作，按F键可以还原。

4）曲线合并：在分开显示模式下，选中一条曲线，拖动到其他波形曲线上可合并显示。

5）添加marker：将鼠标在波形曲线上移动，按M键，可以得到图3.46中的M0（1.557kHz，40.17V）的marker。

6）dB显示（dB20）：单击图3.46中的Calculator，弹出如图3.47所示的窗口，单击Clear，选择Wave，再单击图3.46中的一条波形曲线，然后在Calculator中选择dB20，再选择New Win，再单击plot按钮，就可以得到如图3.48所示的dB显示。

dB是对功率增益 A _p 取对数再乘以10得到的，即 A _pdB =10lg A _p ，比如40dB对应 A _p =10 ⁴ 。在电学中通常把电压或电流的平方也看作功率。在知道了电压增益或者电流增益后，必须将它们平方后才可以看作功率增益，因此用dB表示电压增益或电流增益需要取对数再乘以20，图3.47中的dB20就是这个含义。

dB是个重要概念，下面介绍几个对特殊dB值的理解，例如增益为1是0dB；功率减少一半相当于减小了3dB；负的dB表示不仅没放大而且还衰减了；只要是正的dB无论多小都表示有放大。使用dB有两点好处，一个是跨度很大的数反应在dB上变化没有那么大，另一个是级联的系统可以直接用dB相加。

7）相位（phase）显示：相位显示与dB20显示基本相同，只要把单击dB20改成phase即可。图3.46中波形曲线的相位如图3.49所示，可以看出由于CS_stage是反相放大器，所以在通频带内相位基本上是180°。

8）波形加减（+/-）：使用Calculator可以对两个波形曲线相加减，方法是在Calculator上先选中wave，然后在波形窗口依次单击两条需要加减运算的波形曲线，再单击+/-号，就可以得到波形曲线加减运算的表达式。如图3.50所示为图3.46两条波形曲线相加的表达式，图3.51为波形曲线相加的结果，增益增加了1倍。

为了便于理解和记忆，对上述操作可以暂时这样理解，Calculator有两个缓存区，即1号缓存区和2号缓存区，第一次单击波形曲线，波形曲线数据就进入1号缓存区，再单击一条波形曲线，数据就进入到2号缓存区，单击+/-号，则可完成1号缓存区和2号缓存区中波形曲线的加减运算，在表达式中1号缓存区的数据总是在+/-号前面。

9）波形取倒数（1/x）：操作方法与dB显示相同，选中波形曲线，单击1/x即可。

10）波形删除：选中一条波形曲线，按Delete键可以删除。

11）打印到文件：波形显示窗口为用户提供了打印到文件的功能，单击波形窗口菜单File→Print...或者直接单击打印机图标，在弹出的打印机设置窗口中勾选Print To File，然后单击Print即可。打印的文件可以直接打开显示，也可以转成PDF，图3.52为图3.51打印到文件的效果图。

CS_stage是一个放大器电路，而放大器的交流仿真主要看它的幅频特性和相频特性，而且幅频特性最好用dB显示。在ac仿真设置中，只能得到如图3.46所示的线性幅频特性曲线，既不是dB显示，也没有相频特性曲线。虽然dB和相位可以通过前面介绍的波形操作方法得到，但是毕竟需要手工操作，在反复仿真优化电路时非常不方便。下面向大家介绍一种可以在仿真后自动显示出幅频特性dB曲线和相频特性曲线的方法。

这种方法的大体思路是把Calculator中的波形表达式看成一个信号，给这个信号取个名字，然后加入到ADE窗口的Outputs列表中。具体方法是先打开Calculator，选中ac和vf，选中ac表示将要对ac仿真的波形结果进行处理，选中vf表示将要处理某个节点的电压增益，在原理图中单击vout_sch，再单击dB20，此时在Calculator上就有了dB20的表达式，如图3.53所示。

单击ADE窗口中的Outputs→Setup...，弹出Setting Outputs对话框，单击对话框中的New Expression按钮，在Name（opt.）栏中随便填写一个信号名称，比如vout_sch_db20，单击Get Expression按钮后，Calculator中的波形表达式就会出现在Expression栏中，如图3.54所示，然后单击OK按钮，vout_sch_db20就会出现在ADE窗口的Outputs列表中。

用相同的办法在Calculator中得到vout_sch相位表达式，并将它命名为vout_sch_phase，把它也列到ADE窗口的Outputs列表中。在ADE窗口Outputs列表中只保留vout_sch_db20和vout_sch_phase，其他的都删除，ADE窗口结果如图3.55所示。保存当前状态为state_ac_db20，然后单击红绿灯图标进行仿真，仿真完成后vout_sch_db20和vout_sch_phase可直接显示出来，如图3.56所示。