1.3.1 理论分析方法类型
早期，由于条件所限，工程师通过晶体管的小信号模型，获得小规模模拟电子电路电压增益、电流增益、输入阻抗、输出阻抗、频率响应特性等。然后，再将它们连接起来构成一个复杂的模拟电子系统。这种方法在模拟电子技术发展早期是非常有效的。但是，随着半导体技术的不断发展，这种通过人工计算的方法就显得效率很低。
随着计算机性能的不断提高，电子设计自动化 （Electronic Design Automation，EDA） 工具成为电子系统设计和分析强有力的助手，用于取代传统的手工计算方法，显著地提高了系统设计和分析的效率。
以集成电路为重点的仿真程序 （Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis，SPICE），它是为了执行日益庞大而复杂的集成电路仿真工业而发展起来的，它是一个通用的、开源的模拟电子电路仿真工具。SPICE是一个程序，它用于集成电路芯片和电子系统设计，并且可以用于检查电路设计的完整性，以及预测电路的行为。
SPICE最早由加州大学伯克利分校开发，1975 年改进成为SPICE2 的标准，它使用FOR-TRAN语言开发。在1989年，Thomas Quarles开发出SPICE3，它使用C语言编写，并增加了X窗口系统绘图功能。
在目前广泛使用的NI公司的Mutisim软件、Altium公司的Altium Designer软件和Cadence公司的OrCAD软件中都嵌入了SPICE仿真工具。
在SPICE仿真工具中，包含下面的模块：（1） 电路原理图输入程序；（2） 激励源编辑程序；（3） 电路仿真程序；（4） 输出结果绘图程序；（5） 模型参数提取程序；（6） 元器件模型参数库。
SPICE的基本分析功能包含3大类：直流分析、交流分析和时域分析。特别要注意的是这些理论分析方法和实际的测试仪器之间有着一一对应的关系，这些分析方法也将贯穿在对本书后续内容的讲解中。
1.直流分析
直流分析包括以下内容。
（1） 直流工作点分析：用于测量在电路中包含电感短路和电容开路的直流工作点。这说明了进行直流工作点分析的先决条件。
（2） 直流扫描分析：测量直流转移特性。当输入信号在一定范围内变化时，输出一个曲线轨迹。通过执行一系列的直流工作点分析，设计者可以修改所选定信号源的电压，从而得到一个直流传输曲线。
（3） 传递函数分析：也称为小信号分析，它将计算每个电压节点上的直流输入电阻、直流输入电阻、直流输出电阻和直流增益值。
下面对直流和小信号规范进行说明，以帮助读者准确理解前面所介绍的分析方法。
交流和小信号规范包含直流电源电压VCC、直流偏置电流 （用于启动晶体管以及工作） 和功耗PD （直流电源提供的功率）。通常需要指定电压增益，即VO和VI的比值。两者之间是线性的，如图1.8 （a） 所示，且电路工作在静态点Q，电压增益由下式给出：
AV称为 “大信号电压增益”。对于后面介绍的晶体管来说，它的特性图通常是非线性的，如图1.8 （b） 所示，电路工作在静态工作点Q点。使输入信号在很小的范围内变化，以便VO～VI 关系是线性的，将电压增益称为小信号增益AV ，表示为：
在模拟电子电路中，特别是在放大器中，通常工作在特性中一个特性的线性范围。
图1.8 大信号和小信号特点
2.交流分析
交流分析是在一定的频率范围内计算电路的响应。如果电路中包含非线性器件或者元件。在计算频率响应之前，就应得到该元器件的交流小信号参数。在进行交流分析前，必须保证电路中至少有一个交流信号源。
理论上，交流分析等效于使用频谱分析仪对电路进行频域分析，如图1.9所示。图中APB表示通带内的电压增益，ZI为输入阻抗，ZO为输出阻抗。
图1.9 典型的频率特性
图1.9 （b） 所示是一个典型的频率响应特性，它描述了电压增益与频率之间的关系，即幅值-频率响应特性。从图中可以看出，当输入信号VI的频率在 [fL，fH] 之间变化时，电压增益保持不变，而当输入信号的频率小于fL或者大于fH时，可以看到电压增益明显减小。在本书后面介绍滤波器的内容时，将滤波器的这种频率特性称为带通特性。当fL =0时，称模拟电子电路 （滤波器） 具有低通特性；当fH=∞时，称模拟电子电路 （滤波器） 具有高通特性。
3.瞬态分析
瞬态分析是指对指定输入信号的响应而产生的输出信号，实际上就是在时域进行分析，理论上，瞬态分析等效于使用示波器对电路进行时域分析。与交流分析不同的是，对于瞬态分析来说，在一个时间段内，输入信号VI的频率是不变的，然后观察输出信号VO 随时间的变化情况。
4.傅里叶分析
傅里叶分析是在瞬态分析的基础上，分析信号中的基波和谐波分量。
5.阻抗特性分析
阻抗特性分析将显示电路中任意端点和源点之间的阻抗特征，它通常作为交流小信号分析的一部分。通过输入电源电压值除以输出电流值，可以得到阻抗测量值。当SPICE进行阻抗特性分析时，执行下面的行为。
（1） 从输入端删除信号源。
（2） 输入电源与地短接。
（3） 删除所有接入电路的负载。
（4） 连接输出两端的电源，即正电源连接到输出端，负端接地。
6.噪声分析
通过利用噪声谱密度，噪声分析测量由电阻和半导体器件引起的噪声影响，通常用V2/Hz表征测量噪声值。电阻和半导体器件均可以产生噪声，噪声电平取决于频率。电阻和半导体器件会产生不同类型的噪声。特别注意的是，在噪声分析中，将电容、电感和受控源看作无噪声元器件。
对交流分析的每一个频率，计算电路中每一个噪声源 （电阻或晶体管） 的噪声电平，通过将各均方根值相加，得到它们对输出节点的贡献。
7.零极点分析
在单输入/输出的线性系统中，利用电路的小信号交流传输函数，通过计算极点/零点，用零点-极点 （Pole-Zero） 分析稳定性。将电路的直流工作点线性化，然后对所有非线性器件匹配小信号模型。传输函数可以是电压增益 （输出与输入电压之比） 或阻抗 （输出电压与输入电流之比） 中的任意一个。
8.蒙特卡洛分析
蒙特卡洛分析是一种统计模拟方法，它是在给定电路元器件参数容差为统计分布规律的情况下，用一组伪随机数求得元器件参数的随机抽样序列，然后对这些随机抽样的电路进行直流扫描、直流工作点、传递函数、噪声、交流小信号和瞬态分析，并通过多次分析结果估算出电路性能的统计分布规律。
在蒙特卡洛分析的基础上，可以执行最坏情况分析。
9.温度扫描
温度扫描是指在一定的温度范围内计算电路参数，用来确定电路温度漂移等性能指标。
10参数扫描
参数扫描可以与直流、交流或瞬态分析等配合使用，为研究电路参数变化对电路性能的影响提供了便利。在分析功能上与蒙特卡洛分析和温度分析类似，它按扫描变量对电路的所有分析参数进行扫描。分析结果将产生一个数据列表或一组曲线图。