原创 【转】从实例中学习OrCAD-PSpice 10.3-AA(第4章灵敏度分析工具)1

2011-2-16 15:17 1862 8 8 分类: PCB

       想要调用PSpice–AA进行电路优化设计,一般是先进行灵敏度(Sensitivity)分析:以便确定电路中对电路特性影响最大的关键元件参数进行优化。OrCAD9.2以前版本的灵敏度分析,由于有大量数据输出问题没有解决,故只局限于作直流灵敏度分析,置于直流工作点分析内。
       直流灵敏度分析:虽然电路特性完全取决于电路中的元器件取值,但是对电路中不同的元器件,即使其变化的幅度(或变化比例)相同,所引起电路特性的变化也不会完全相同。灵敏度分析的作用就是定量分析、比较电路特性对每个电路元器件参数的灵敏程度。PSpice中直流灵敏度分析的作用是分析指定的节点电压对电路中电阻、独立电压源和独立电流源、电压控制开关和电流控制开关、二极管、双极晶体管共5类元器件参数的灵敏度,并将计算结果自动存入.OUT输出文件中。本项分析不涉及PROBE数据文件。需要注意的是对一般规模的电路,灵敏度分析产生的.OUT输出文件中包含的数据量将很大。
        现在用OrCAD10.3版本PSpice–AA中的Sensitivity工具可以对多种电路特性进行直流、交流和瞬态灵敏度分析。本章主要介绍灵敏度分析的基本概念和具体使用方法。

4.1灵敏度的概念
4.1.1灵敏度的概念
    一般情况下电路元件值的微小变化将改变电路某些方面的特性。灵敏度就是用来衡量这个变化的物理量。先举桥形电路为例如图4-1所示,进行说明。
 
    这个电路的转移阻抗(即所谓的电路特性)为
 
 
4.1.2 灵敏度的重要性
    在电路设计中,灵敏度之所以成为一个重要因素,其原因有二:一是在大批生产电路时,元器件值对输出变量如V0的灵敏度特性在确定产品的合格率方面起着关键性作用,所以先优化设计它,清晰可见灵敏度分析是参数优化设计的前提和基础。二是对具有高灵敏度的电路,需要许多价格昂贵的高精度的元器件才能正常工作,而对许多低灵敏度的电路,采用元器件值相对于标称值有较大的偏差的元器件也能正常工作,当然采用价格低廉的元器件,所以说灵敏度分析又是容差分析的基础。

4.1.3灵敏度的定义
 
 
式中,T为电路网络函数(输出变量如Vo),比如输入阻抗、输出阻抗、传输函数和输出电压(或电流)等;X为元件值或影响元件值的某些物理参数,比如温度等。常用的是相对灵敏度有:
 
[1] 请注意此处也可正向变化10%,既有正向、负向变化。
    元件参数单位(UNIT)增量灵敏度由于公式(4-2)定义的灵敏度是在数值上等于变量每增加基本单位值对输出变量的影响。电阻基本单位为1Ω、电容基本单位为1F实际上常用的是电感基本单位为1H实际上常用的是想要都变化1基本单位值来比较,就掩盖了电容、电感变化的影响。故常用公式(4-3)
 
    元件参数百分之一(变化1%)增量 (PERCENT)灵敏度,Pspice10.3-AA程序多使用这种灵敏度,除了用上面用导数(法)求灵敏度外,还有其他方法求灵敏度,在这里从略[1]。
[1]可参考王辅春主编的网络版《电子电路CAD技术基础》

4.1.4最坏情况分析(Worst-Case Analysis)
    最坏情况(Worst Case)是指电路中的元件参数在其容差域边界点上取某种组合时所引起的电路性能的最大偏差。最坏情况分析(Worst Case Analysis也简称WCASE),就是在给定电路元器件参数容差的情况下,估算出电路性能相对标称值时的最大偏差。如存在最大偏差时都能满足设计要求,那当然是最佳方案。WCASE分析是一种统计分析。在PSpice中原单独列为一种分析,现在合并在高级分析中的灵敏度分析里。
    最坏情况分析也是变量一个一个地变化,即每进行一次电路分析,只有一个元器件的一个参数发生变化。这样,可以得出电路的灵敏度特性。
    因此,在最坏情况分析中不需要指定执行次数,执行次数完全由变量个数确定。一般情况下,执行次数为变量个数加2。例如,有10个电阻可以变化,则最坏情况分析先进行标称值的电路模拟,然后10个电阻分别变化后进行10次电路模拟,就可以得到电路灵敏度特性对该变量导数,即
 
式中,V表示任意电路性能函数(如?DC,?AC或?TRAN分析下的函数 )。在得到灵敏度后,最后一次进行最坏情况分析。
如果有n个元器件参数需要变化,则
 
 

4.2灵敏度分析基本流程和步骤
  灵敏度(Sensitivity)分析工作流程如图4-2所示。
 
在灵敏度分析工作流程图中:

  1.      调用Capture绘制电路;
  2.      调用PSpice进行电路特性模拟;
  3.      确定电路特性函数;
  4.      检验电路特性函数模拟结果;
  5.      调用PSpice10.3-AA,调入电路特性参数;
  6.      运行Sensitivity工具进行灵敏度分析;
  7.      电路是否满足设计要求?有3项选择:
  8. 是,将关键元器件参数传送给Optimizer工具;
  9. 否,修改元器件参数或修改电路;
  10. 已满足,转10打印输出、11保存结果

下面以射频放大器电路为例加以说明。

4.3电路原理图设计及电路模拟仿真
    调用Capture10.3进行电路原理图设计,仍以射频放大器为例,其图如4-3所示。在上一章节已经对调入PSpice10.3-AA参数库绘制电路原理图进行过介绍,读者不用作任何修改就可以进行相关模拟分析。
 
    对于电路图中元器件参数设置一般是要自行设计的,其中无源元件电阻R、电容C是最常用的元件。将PSpice10.3-AA参数库的电阻R调出,将其符号连击2次就可以调出它的属性如图4-4所示。
 
图中,负容差(NEGTOL):虚拟变量(RTOL%)=10(见设计变量表);
正容差(POSTOL):虚拟变量也用(RTOL%)=(也是)10(见设计变量表)。

4.3.2 电路模拟仿真
 调用PSpice对射频放大器电路进行瞬态、交流分析,并检查结果:
1. 瞬态分析:瞬态分析模拟仿真参数设置如图4-5所示,其波形比较理想,电压增益也满足设计要求。瞬态分析结果及电路输出波形如图4-6所示。
 
 
2.交流分析: 交流分析模拟仿真参数设置如图4-7所示。
 
    交流分析结果及电路输出波形如图4-8所示。从图中可以看出增益、带宽均为适宜,对标称值设计业已理想。下一步是有容差参数的优化。
 

4.4确定电路特性参数
    为进行灵敏度分析将电路特性参数(带宽、增益)细化,在交流分析结果输出时,可在显示模拟分析结果的Probe窗口中,选择菜单Trace/Evaluate Measurement子命令,如图4-9所示。
 
    在出现的Evaluate Measurement对话框中,选择电路特性函数3DB的带宽,具体设置如图4-10所示。确定电路特性函数值(3DB带宽)结果如图4-11所示。
 
 
    同理,可确定最大增益Max的DB值,确定的结果如图4-12所示。
 
    从图中显示的结果可以确定电路特性函数值:最大增益值为9.41807dB;带宽为150.57877meg(兆),基本符合设计要求。

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