Research on Analogue Circuit Experiment Teaching Based on PSPICE

YANG Weiming, GAN Yiming, HUANG Hanhua, ZHONG Zhifeng

The School of Physics & Electronic Technology, Hubei University, Wuhan, China

Abstract PSPICE is a current circuit simulation tool. How this tool applied to analogue circuit experiment teaching is researched in this paper. The teaching method and contents selection are studied. As an example, the main simulated performances of the CMOS single-stage amplifier are analyzed and discussed. Teaching experiment show that good teaching result can be obtained when PSPICE is introduced to the analogue circuit experiment teaching. But it should be noted that the actual experiment cannot be replaced by the virtual experiment. These two kind of experiment teaching must be combined together.

Keywords: PSPICE；analogue circuit；experiment teaching

基于 PSPICE 仿真的模拟电路实验教学研究

杨维明, 甘义明, 黄汉华, 钟志峰 湖北大学物理学与电子技术学院，武汉, 中国，430062

摘 要: Pspice 是模拟电路通用仿真工具,论文研究了如何将这一工具应用于模拟电路实验教学.

论文从实验教学方法与实验内容选择等方面进行研究，并以 CMOS 单级放大电路为例进行了仿真分

析和讨论，教学实践表明：将 PSPICE 用于模拟电路实验教学可收到良好的教学效果,但也不能因

此试图替代传统实验或削弱实际实验的作用,虚拟仿真实验必须与实际实验有机组合。

关键字: PSPICE；模拟电路；实验教学

1 引言

Pspice 是国内外公认的模拟电路通用仿真工具。

它采用数学模型和仿真算法，利用计算机的计算、存

储和图形处理的高速和高效率，以电路理论为依据，

无需任何实际元器件，用事先设计出的各种功能的应

用程序，取代大量的仪器仪表。用户可以通过逼真的

特性曲线更全面地理解书本上很抽象的概念，使学习

电子线路收到事半功倍的效果。在电路设计时，可以

通过这些应用程序对电路进行各种分析、计算和效

验。它就相当于一个现代化的电子线路实验室，可以

对电子系统及 VLSI 的整个设计过程进行逼真的模

拟。这不仅使设计达到高质量、高可靠性，而且降低

了成本，缩短了开发周期。本文主要对 PSPICE 在模

拟电路实验教学中的教学方法与实验内容选择等方面

进行研究，并以 CMOS 单级放大电路为例进行分析讨

论。

2 实验教学方法

2.1 从 PSPICE 组成着手，引入电路模拟程序的

一般构成

在模拟电路课程学习阶段，绝大多数学生末接触

过工程软件，对工程软件如何应用于电子线路分析没

有概念。因此，教师要耐心地向学生传授工程软件工

作的特点，解题过程。同时通过软件仿真使学生对电

子线路分析建立整体概念。其程序框图如图 1 所示。

PSPICE程序采用改进节点法建立电路方程，用牛顿-

莱普生方法的改进算法进行非线性分析，用变节步长

的隐式积分法进行瞬态分析，在求解线性代数方程组

时，采用了稀疏矩阵技术。由图看出，工程数学，计

算机编程与电路理论是进行模拟电路PSPICE仿真的基

础。我们要引导学生在加强实践动手能力培养的同时

，不要忽视基础理论课的学习，要注重理论与实践的

结合。

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Figure 1. the structure diagram of circuit simulation program

图 1. 电路模拟程序构成框图

2.2 实验内容的选取

针对模拟电路课程及 PSpice 的特点 ,将模拟电子

技术基础与 PSp ice 紧密融合。在组织实验内容时注意

在三个方面进行选材:

（1）以电路的主要性能指标为核心，选择不同分

析类型进行求解

围绕模拟电路分析特点,利用 Ps p ice的不同分析

类型,求解电路的有关性能指标。例如,通过共射放大电

路仿真分析实验，熟悉 PSPICE 软件的使用方法,加深

对共射放大电路放大特性的理解;在差分放大电路仿真

分析实验中,仿真分析静态工作点和电压传输特性，分

析共模电压放大倍数和共模输入电阻，求输出波形,并

进行傅里叶分析,求出非线性谐波失真系数. 在有源积

分电路实验中,通过改变输入信号的波形、幅度和频

率，观察输出电压的波形。 加深对运算放大器基本理

论的认识，加深积分运算对正弦波三角波与方波信号

影响的理解。

（2）将 PSpice 的参数扫描方法贯穿仿真实验中。

使学生能从动态的过程中加深对实验的理解,弥补手动

操作实验的不足。例如在如图(2)所示的“CMOS 单级放

大电路”实验中, 设计利用小信号交流分析配合参数扫

描分析的方法,求解得到不同信号源内阻 RS 对放大器

低频增益值及上限截止频率 fH 的影响；取 RS=200、

1K 和 100K 时的电压增益 AVS=υO/υS 的幅频特性

曲线，如图（3）所示。

表明信号源内阻 RS 的大小不影响低频增益，但会

明显影响高频响应特性，RS越大，上限截止频率 fH越

低，这是由于M1的栅极对地存在寄生电容，该电容与

RS 一起构成了低通网络的原因，可见，在实际应用

时，信号源内阻 RS 不宜过大[1]。

（3）图形与文本两种仿真方式相结合。

PSPICE 有文本与图形两种输入及运行方式，在实

Figure 2. the CMOS single-stage amplifier circuit

图 2. CMOS 单级放大电路原理图

Figure 3. The voltage gain versus frequency

图 3. 电压增益的幅频特性

验过程中，发现多数同学喜欢用图形输入方式，不习惯

用文本输入方式，仿真过程出错时，系统以文本网单形

式给出错误原因，多数同学难以读懂出错提示信息；另

一方面，一些集成电路设计软件如 HSPICE 是要求以文

本方式输入的。为了让学生适应 IC 设计的需要，我们

在实验教学时，指定一些实验内容用文本方式输入仿

真。如图（2）所示的电路中，我们要求学生用文本方

式求解电路的直流传输特性，加深对 MOS 管三个工作

区域的认识以及如何选择静态工作点；设 RS=200Ω，

对电路进行直流扫描分析，得传输特性曲线如图（4）

所示。

2.3 采取“老师帮助学生学习”和“启发式教

学”相结合的教学形式

PSpice 是一个参数众多、定义非常精细,操做性很

强的面向对象的工程软件 ,没有教师指导着学生在机房

实际进行操作，仅凭书本上的介绍 ,在短时间内,很难

学会此类软件的使用。另外,如果采用按部就班 ,面面

俱到式的教学方法 ,学生不仅学得枯燥 ,而且需要占用

大量的实验课时间。在有限的实验学时中 ,这种常规的

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教学方法不可取。我们的做法是单独设置一门“模拟电

路 PSPICE 仿真”实验课程,将工程软件的学习完全搬到

计算机房中。PSp ice 的所有教学内容都放在仿真实验

课内完成。利用学生对 WINDOWS 工作环境非常熟悉

的优势, 采取以图形方式为主,文本方式为辅,根据模拟

电路课程的特点, 本着学以致用的原则 ,先抓主要问题,

教师讲解, 学生操作。由教师帮助学生学习，使学生在

短的时间内学会软件的用法。

Figure 4. The DC transmission characteristics.

图 4. 直流传输特

使 υ0 的幅度 大，输出电压的静态值应处于上述

线性放大区的中央，约为 4.4V，此时对应的偏置电压

VGG=1.997V。

PSpice 文本方式不能直接求解电路的输出电阻

R0。教师可以引导学生回忆模拟电路中输出电阻的定

义, 在输出端串联一个电容，在电容得另一端串接一个

交流信号源到地，并将原来的输入信号源短路，可实

现输出电阻的求解,这对于巩固理论教学效果也是有帮

助的。同时通过文本网单形式定义 MOS 管的模型参

数，可加深对 MOS 器件物理模型和等效电路模型的认

识，使学生懂得器件模型对电路分析仿真的重要性[1]。

对于 PSpice 不能直接求解的问题，可采取启发式

教学,鼓励学生大胆尝试, 灵活应用。例如，在图（2）

所示电路中，如何通过电路元件参数的修改，获得更

高的低频增益呢？不少学生不知从何下手，这时老师

可提示学生先分析图（2）所示电路的电压增益：

AVS=υO/υS =-gM1（rdS1// rdS2），其中 M1，M2 两管

输出电阻 rdS1, rdS2与静态工作电流 IDQ有关，IDQ越

小，其阻值越大。M1 管的跨导 gM1 与它的 W/L 成正

比。因此，适当地减小工作电流 IDQ1=IDQ2，加大

M1 管的 W/L 可以提高电压增益。如取 M4 的

W/L=8/100，M1 的 W/L=60/4，VGG=1.570V，其它参

数不变，对电路进行交流小信号分析，发现电路的低

频电压增益提高到 67 倍[2]，符合要求。加深学生对

MOS 管的 W/L、带宽等概念的理解。对于该实验题，

还可以进一步向学生提问：能否通过修改器件模型参

数的途径提高增益呢？通过试探，有的学生通过减小

MOS 管的沟道长度调制系数，也使电压增益大大提

高；加深了学生对 MOS 管的沟道长度调制系数等参数

概念的理解[2]。

3 引入 PSPICE 进行实验教学的优缺点

在模拟电路实验教学中引入 PSPICE 软件辅助教

学，笔者认为有以下优点:（1）可大大节省实验室建设

成本，缓解实验室建设经费紧张的矛盾，减少由于学

生误操作造成实验仪器损坏,不需要传统实验室的维修

与校准,具有较高的经济性。（2）模拟传统实验方法不

便完成的内容，如温度特性、灵敏度分析;具有破坏性

故障现象的模拟或各种极限情况模拟;（3）使学生了解

并掌握集成电路和电子系统计算机辅助分析与设计工

具的功能，淡化硬件设计和软件设计的界线,优化知识

结构,掌握现代电子技术设计的方法,拓宽思路,开阔视野,

不断提高实践技能和创新能力；（4）更深入地学习和

理解模拟电路课程中各章节内容的原理、特点及应

用，提高分析问题和解决问题的能力，扩展知识面，

为今后从事集成电路和系统设计时，能正确使用和设

计模拟集成电路，更快地进入电子设计自动化领域，

打下良好的基础。

不过 PSPICE 也存在以下不足:（1）与实际电路存

在差异。实际电路中的元器件参数与仿真用器件模型

参数有差异，因此仿真分析所获得的电路性能曲线与

实际情况也有出入。（2）不利于学生良好实验习惯的

培养。实际电路调试中,加电前都要必须仔细检查。但

是,使用 PSPICE 软件不会损坏器件和仪器,故许多学生

连接完电路,立即运行电路仿真, 甚至所加信号源或电

源的幅度值超过了器件的 大允许范围，即使出错也

只是去查看软件提示。3)对实际器件、电路缺乏感性

认识。如部分学生已多次使用三极管仿真,但在实际实

验中却不知如何判断管脚；对器件封装形式也可能一

无所知，如部分学生已多次做过集成运算放大器应用

仿真实验 ,但在实际实验中却不知运放的腿脚排列。对

于实际电路中的元器件布局布线以及接地带来的干扰

问题,结构设计与安装引起的接触不良等,均无法反映[3]。

4 结束语

本文主要探讨了 PSPICE 在低频模拟电路实验教学

中的应用情况。在电路理论,数字电路和高频电路等电

子技术基础课程中,都可引入 PSPICE 程序进行仿真实

验。随着教学改革的深入发展，PSpice 仿真分析软件

在电子技术基础课程实验教学中必将发挥更大的作

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用。但不能因此试图替代传统实验或削弱实际实验的

作用。虚拟仿真实验必须与实际实验有机组合, 取长补

短, 才能真正提高学生实际动手能力以及分析问题和解

决问题的能力[3]。

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