PSpice的參數(shù)掃描對電路的優(yōu)化分析

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

　　圖3 參數(shù)掃描分析后Io 的頻率特性曲線。

　　2. 2 電路優(yōu)化設(shè)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(chǔ)上， 最大程度地提高所設(shè)計電路的性能及可靠性。靈敏度分析是電路優(yōu)化設(shè)計的第一步， 往往需要將分析結(jié)果傳給優(yōu)化設(shè)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供PSpice A/ A 使用的“advance”文件夾， 并采用變量表設(shè)置元件參數(shù);

　　( 2) 執(zhí)行PSpice 分析， 確定電路的性能指標(biāo);

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

　　由運行結(jié)果可知， 對電路指標(biāo)最敏感的元件是R1和C1?？梢哉{(diào)用PSpice A/ A 中的優(yōu)化設(shè)計Opt imizer模塊對電路中最敏感的元件參數(shù)進行調(diào)整。

　　電路的優(yōu)化設(shè)計實際上是一個約束優(yōu)化問題， 是在電路特定拓撲和元器件參數(shù)范圍的約束下， 通過調(diào)整元器件的值來使電路特定性能指標(biāo)達到最優(yōu)。優(yōu)化設(shè)計的步驟如下：

　　( 1) 啟動優(yōu)化器Opt imizer;

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

　　( 3) 選擇需要優(yōu)化的元件;

　　( 4) 設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)， 還需設(shè)定性能指標(biāo)的變化范圍， 即在MIN 框中指定目標(biāo)函數(shù)的最小值， 在MAX框中指定最大值， 在Weig ht 框中指定權(quán)重;

　　( 5) 執(zhí)行優(yōu)化分析設(shè)計。優(yōu)化后的電路元件參數(shù)約為： R1= R2 = 65 kΩ , C1= 10 pF, C2 = 10F, 優(yōu)化后的特性曲線如圖4 所示。

　　圖4 優(yōu)化后低通濾波器的特性曲線

　　調(diào)用OrCAD/ PSpice 的函數(shù)功能可以從圖4 所示的特性曲線中得到濾波器電路的各項特性參數(shù)。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(shù)可以看出， 優(yōu)化后的電路性能基本上( qudiao) 符合設(shè)計指標(biāo)的要求， 同時還有一定的裕度。

　　2. 3 溫度掃描分析

　　在實際電路中， 電阻阻值以及晶體管的許多模型參數(shù)值都與溫度的關(guān)系非常密切， 溫度變化必然通過這些元器件參數(shù)值的變化引起電路特性的變化。通過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(shè)置元件的溫度系數(shù)，Pspice 提供了一個專門的元件庫breakout . olb, 庫中元件的名稱為其關(guān)鍵字后加“break”, 可用該元件庫中的元件修改線路圖， 選中需設(shè)置溫度系數(shù)的元件， 再選擇菜單Edit PSpice mo del, 程序?qū)棾鯬spice Model Editor 模型編輯器， 這樣就可以在Pspice model 窗口中設(shè)置相應(yīng)的溫度系數(shù)。一般將其模型參數(shù)設(shè)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， 必須與電路圖中的電阻標(biāo)識一致， 否則就會出錯; RES 是電阻模型的關(guān)鍵字; R 為電阻的倍乘系數(shù); T C1 和T C2 分別為電阻的一階、二階溫度系數(shù)。在通常的電路特性分析時， Pspice 的內(nèi)定溫度為27℃ 。圖5 給出了經(jīng)過上述優(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。

　　2. 4 Mo nte??Carlo 分析通過優(yōu)化設(shè)計確定電路中每一個元器件的參數(shù)值，通常稱為標(biāo)稱值。在實際生產(chǎn)中， 按照標(biāo)稱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，實際組裝的電路特性就不可能與標(biāo)稱值模擬的結(jié)果完全相同。用PSpice 提供的MonteCar lo 分析能夠模擬實際生產(chǎn)中因元器件值的分散性所引起電路特性的分散性。

　　圖5 溫度掃描時濾波器的特性曲線

　　在進行MonteCarlo 分析之前， 還需要對元器件進行容差設(shè)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”語句定義的容差， 用“DEV” 表示; 批容差指同時變大或變小的容差， 用“LOT”表示; 組合容差指將器件容差與批容差組合起來使用的容差方式。容差設(shè)置的方法與溫度系數(shù)的設(shè)置方法類似。

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

　　因此， 調(diào)用breakout . olb 中相應(yīng)的元件即可修改電路圖， 打開模型編輯器則可設(shè)置元件模型參數(shù)， 圖1 中的電阻參數(shù)設(shè)置為： . model Rbr eak RES ( R= 1 DEV =5% ); 電容參數(shù)設(shè)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(shù)設(shè)為20, 選擇AC Sweep/ N oise 分析， 同時設(shè)置好其分析參數(shù)， 最后進行蒙托卡諾分析， 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。