原创 【转】从实例中学习OrCAD-PSpice 10.3-AA(第5章 优化) 1

第5章优化（Optimizer）工具的使用
    电路模拟（仿真）是非常重要的，它辅助工程师设计了各种电路。但与期望的EDA还有距离，人们是从两方面解决这个问题。一是基于数学的最优化算法；一是基于知识信息系统，二者都有很大发展。PSpice/Optimizer是基于前者，这就需要读者了解一些数学的最优化算法，本章只做一些简介，主要是介绍优化（Optimizer）工具的使用方法。

5.1 优化（Optimizer）工具的工作流程
    优化（Optimizer）工具的工作流程如图5-1所示。
 
图5-1 优化工具（Optimizer）的工作流程
图中：

1. 设置电路图（与第4章相同）；
2. 调用PSpice进行电路特性模拟（与第4章相同）；
3. 确定电路特性函数，（与第4章相同）；
4. 检验电路特性函数模拟结果（与第4章相同）；
5. 运行灵敏度分析，确定最关键的元器件（选作项目这与读者本身知识和经验有关）；
6. 确定最关键的元器件的参数；
7. 设置优化特性函数，PSpice提供有53个电路特性函数（Measurement）；
8. 确定优化目标函数；
9. 确定约束条件和目标函数的权重；
10. 选用优化引擎（Engine）；
11. 运行优化工具；
12. 判断电路是否满足设计要求，有3项选择：
13. 否！调整优化过程；
14. 否！修改修改元器件参数或电路；
15. 是！已满足，依此，更新电路中元器件参数值；
16. 打印输出
17. 保存文件

    从流程图中可以看出，优化程序是在分析的基础上进行的，优化的方法涉及到了数学的最优化算法，下面先介绍有关优化算法的基本知识。然后再按优化工作流程具体介绍优化（Optimizer）工具的使用方法。

5.2 优化的基本概念
5.2.1  设计变量
    优化问题离不开设计变量、目标函数和约束条件等三个方面的问题。而首当其冲的就是如何选择设计变量。
设计变量：就是在优化设计中出现的各个可以选择取值的变动参数。
例：一个RC单管放大电路如图-2所示。在工作时，有一个100pf的寄生负载电容。我们希望设计一个增益为40，并具有改善通频带的放大器。
 
    这个初始电路是设计者依据本身或他人的(书本的)经验进行选择的。它具有较为合理的拓扑结构以及较好的元器件参数（标称值作为优化初始值）。这些元器件参数都对设计结果有影响，都可以选作设计变量。通常只选择那些影响较大的元器件参数作为设计变量。PSpice/Optimizer 设计变量包含：

1. 代表元件参数值。例如电阻的阻值R、电容的参数值、晶体管器件模型参数，如放大倍数β等。 
2. 代表元件其它性质。比如，滑动变阻器在电路中滑头位置。可用Set指令，并设定一个在1与0之间值来表示这个性质的设计变量。
3. 用特殊表达式代表的器件的值或其它性质。比如，exp(),log(),sin(),max(),L,db(v(load)/v(in))、bandwidth(V(load),3)，即上节所述电路特性函数。PSpice提供有53个电路特性函数（Measurement）。

    设计变量也可通过灵敏度、参数分析进行选择，PSpice/Optimizer9.0版本原可选择8个设计变量，10.3版本没有限定。本例的设计变量选择L和RL，于是，可用数学上独立变量的符号写出
 

5.2.2目标函数和约束条件
    目标函数是待优化的目标。目标函数是评价电路优化设计好坏的标准。它是n个设计变量的一个实函数，也就是一个向量X的函数，写成
 
    由此可见，所谓电路的优化设计，从数学角度上看，就是在一定的约束条件下，求目标函数的极值问题。
    最优化算法由于要考虑各种不同要求，所以涉及面很广。诸如要不要考虑约束条件？是等式约束还是不等式约束？目标函 数是线性的（称为线性规划）还是非线性的（称为非线性规划）？是单目标优化还是多目标优化？是确定性优化（设计变量取值是确定的）还是随机性优化（设计变量取值不确定，是按一定的概率统计分布取值）等等。PSpiceA/D9.0/Optimizer只能完成的是目标和约束8项排列组合，即无约束的8个（线性的或非线性的）目标优化直到有7个（等式或非等式的）约束和1个（线性的或非线性的）单目标优化的各种组合。
    目标函数和约束条件代表一个设计的理想性能，而这个性能不易得到。例如，一门电路不能完成零传输延迟，优化的目的是尽可能接近目标值（也就是尽量减少误差）。
    当解决具有目标和约束的问题时，即PSpice10.3/Optimizer调整目标使之接近目标值时，会出现与约束的规定相背离的状况，就是对于一个给定的迭代指令在值域上不可能总是减小，有时反而增大。
    在进行优化时必须确定哪个是目标哪个是约束？而在很多情况下，目标和约束可以有几种合法的方式（排列组合）来描述同一设计。
    例如：若设计一个电阻终端连接器如图5-3所示。它在两个电阻之间的接点能产生一个3.75V(±0.1)输出电压（Ve），并且两个电阻的等效阻抗Re必须等于100Ω(±1)目的是找到符合这两个条件的最佳电阻值。
 
显然，R1和R2为设计变量，用下面的联立方程能够解决这个问题。
 
PSpice/Optimizer时，下面三种方式中任一种都能够描述这个设计，都是合法方式。

• 认为Ve和Re同等重要，建立两个目标。
• 认为Ve最重要，设置Ve为约束，Re为目标。
• 认为Re最重要，设置Re为约束，Ve为目标。

注释：因为至少要有一个优化目标，所以不存在Ve和Re均为约束的情况。     
    像这样有唯一解的问题，PSpice/Optimizer用这三种方式都能有同样的解，然而大部分设计问题不会这样只有一个确切的解，而是在约束条件下，其解是一个与目标值误差最小化的设计值，由于目标、约束选择各异，因此答案并不唯一。
    按目标、约束进行划分时，PSpice10.3 /Optimizer可以解决四类问题，见表5-1。