PSpice的參數掃描對電路的優(yōu)化分析

　　對原電路進(jìn)行參數掃描分析時(shí)， 可將基本特性分析類(lèi)型設置為AC Sw eep/ Noise 進(jìn)行分析， 其他參數設置相同， 每次分別將R1 , R2, C1, C2 設置為全局變量進(jìn)行參數掃描分析， 仿真分析結果如圖3所示。此時(shí)， R1 =R2 = 10 kΩ, C1 = 10 pF, C2 = 10F。

　　圖3 參數掃描分析后Io 的頻率特性曲線(xiàn)。

　　2. 2 電路優(yōu)化設計

　　PSpice A/ A是OrCAD 高級版本新增加的高級分析工具， 包含Sensit iv ity , Monte Carlo, Smoke, Optimizer, Paramet ric Plo tter A nalysis 等高級分析功能， 它可在PSpice A/ D 分析的基礎上， 最大程度地提高所設計電路的性能及可靠性。靈敏度分析是電路優(yōu)化設計的第一步， 往往需要將分析結果傳給優(yōu)化設計工具Opt imizer。靈敏度分析的步驟如下：

　　( 1) 繪制電路圖， 繪制電路圖的元件取自專(zhuān)供PSpice A/ A 使用的“advance”文件夾， 并采用變量表設置元件參數;

　　( 2) 執行PSpice 分析， 確定電路的性能指標;

　　( 3) 使用靈敏度工具Sensit iv ity 進(jìn)行靈敏度分析，將程序運行結果傳給Opt imizer。

　　由運行結果可知， 對電路指標最敏感的元件是R1和C1?？梢哉{用PSpice A/ A 中的優(yōu)化設計Opt imizer模塊對電路中最敏感的元件參數進(jìn)行調整。

　　電路的優(yōu)化設計實(shí)際上是一個(gè)約束優(yōu)化問(wèn)題， 是在電路特定拓撲和元器件參數范圍的約束下， 通過(guò)調整元器件的值來(lái)使電路特定性能指標達到最優(yōu)。優(yōu)化設計的步驟如下：

　　( 1) 啟動(dòng)優(yōu)化器Opt imizer;

　　( 2) 設置優(yōu)化變量， 即設置待優(yōu)化的元件參數， 通常選擇相對于該性能指標中靈敏度影響較大的元件參數作為優(yōu)化參數;

　　( 3) 選擇需要優(yōu)化的元件;

　　( 4) 設置優(yōu)化目標函數， 還需設定性能指標的變化范圍， 即在MIN 框中指定目標函數的最小值， 在MAX框中指定最大值， 在Weig ht 框中指定權重;

　　( 5) 執行優(yōu)化分析設計。優(yōu)化后的電路元件參數約為： R1= R2 = 65 kΩ , C1= 10 pF, C2 = 10F, 優(yōu)化后的特性曲線(xiàn)如圖4 所示。

　　圖4 優(yōu)化后低通濾波器的特性曲線(xiàn)

　　調用OrCAD/ PSpice 的函數功能可以從圖4 所示的特性曲線(xiàn)中得到濾波器電路的各項特性參數。其中，3 dB帶寬為250. 642 86 kHz; Q 值為1. 010 09; 中心頻率為106. 025 22 kHz; 3 dB 截止頻率為274. 568 34 kHz。

　　從上述參數可以看出， 優(yōu)化后的電路性能基本上( qudiao) 符合設計指標的要求， 同時(shí)還有一定的裕度。

　　2. 3 溫度掃描分析

　　在實(shí)際電路中， 電阻阻值以及晶體管的許多模型參數值都與溫度的關(guān)系非常密切， 溫度變化必然通過(guò)這些元器件參數值的變化引起電路特性的變化。通過(guò)OrCAD/ Pspice 中的溫度掃描分析能夠模擬電路輸出特性受溫度變化的影響。為了設置元件的溫度系數，Pspice 提供了一個(gè)專(zhuān)門(mén)的元件庫breakout . olb, 庫中元件的名稱(chēng)為其關(guān)鍵字后加“break”, 可用該元件庫中的元件修改線(xiàn)路圖， 選中需設置溫度系數的元件， 再選擇菜單Edit PSpice mo del, 程序將彈出Pspice Model Editor 模型編輯器， 這樣就可以在Pspice model 窗口中設置相應的溫度系數。一般將其模型參數設置為：

　　“ . MODEL Rbreak RES R = 1 TC1 = 0. 004 TC2 =0. 000 5”即可。其中， Rbreak 是電阻的模型名稱(chēng)， 必須與電路圖中的電阻標識一致， 否則就會(huì )出錯; RES 是電阻模型的關(guān)鍵字; R 為電阻的倍乘系數; T C1 和T C2 分別為電阻的一階、二階溫度系數。在通常的電路特性分析時(shí)， Pspice 的內定溫度為27℃ 。圖5 給出了經(jīng)過(guò)上述優(yōu)化后的電路分別在- 20 ℃, - 10℃ , 0 ℃, 10℃ ,20℃ , 50℃ , 80℃ , 100℃ 下的濾波器特性曲線(xiàn)。

　　2. 4 Mo nte??Carlo 分析通過(guò)優(yōu)化設計確定電路中每一個(gè)元器件的參數值，通常稱(chēng)為標稱(chēng)值。在實(shí)際生產(chǎn)中， 按照標稱(chēng)值選用的元器件值不可能完全相同， 而具有一定的離散性。這樣，實(shí)際組裝的電路特性就不可能與標稱(chēng)值模擬的結果完全相同。用PSpice 提供的MonteCar lo 分析能夠模擬實(shí)際生產(chǎn)中因元器件值的分散性所引起電路特性的分散性。

　　圖5 溫度掃描時(shí)濾波器的特性曲線(xiàn)

　　在進(jìn)行MonteCarlo 分析之前， 還需要對元器件進(jìn)行容差設置。元件的容差有器件容差， 批容差和組合容差3 種。其中， 器件容差指可以獨立變化的、由同一“ . model”語(yǔ)句定義的容差， 用“DEV” 表示; 批容差指同時(shí)變大或變小的容差， 用“LOT”表示; 組合容差指將器件容差與批容差組合起來(lái)使用的容差方式。容差設置的方法與溫度系數的設置方法類(lèi)似。

　　Mo nte-Carlo 屬于統計分析中的一種， PSpice 中專(zhuān)門(mén)提供了統計分析用的元器件符合庫breakout . olb。

　　因此， 調用breakout . olb 中相應的元件即可修改電路圖， 打開(kāi)模型編輯器則可設置元件模型參數， 圖1 中的電阻參數設置為： . model Rbr eak RES ( R= 1 DEV =5% ); 電容參數設置為： . mo del Cbr eak CAP ( C = 1DEV= 10%); DEV= 10% 表示獨立隨機變化， 變化范圍為10%。電阻獨立隨機變化服從高斯分布， 容差范圍為5% ; 電容獨立隨機變化也服從高斯分布， 容差范圍為10%, 分析次數設為20, 選擇AC Sweep/ N oise 分析， 同時(shí)設置好其分析參數， 最后進(jìn)行蒙托卡諾分析， 所得到的3 dB 帶寬、中心頻率、Q 值、截止頻率的直方圖分別如圖6~ 圖9 所示。