（微电子学与固体电子学专业论文）带通滤波器的优化设计和可制造性分析.pdf

带通滤波器的优化设计和可制造性分析 摘要 本文以一个带通滤波器为例，介绍e d a 软件o r c a d p s p i c e 在电路优化设计和 可制造性分析方面的作用。通过对电路进行参数扫描、蒙特卡罗分析等，优化确 定了电路中关键元器件参数的标称值以及对元器件参数的容差要求，实现了电路 的优化设计，并使设计结果适合于批量生产。 实际生产中，由于元器件参数的容差导致的相位不一致性，相位不一致性严 重的影响了生产成品率。本文也定量分析了由相位一致性决定的生产成品率与元 器件精度的关系，完成了元器件的容差设计和产品的可制造性分析。 根据实际需要，把该带通滤波器制成器件模型以方便电路系统设计人员调用。 关键词：带通滤波器优化参数扫描成品率蒙特卡罗相位一致性 可制造性 带通滤波器的优化设计和可制造性分析 a b s t r a c t 2 b a s e do n ab a n d p a s sf i l t e rc i r c u i t ，f e a t u r e sa n df u n c t i o n so fe d as o f t w a r e o r c a d p s p i c ef o rc i r c u i to p t i m i z a t i o n a r ei n t r o d u c e d u s i n gp a r a m e t r i cs w e e pa n d m o n t ec a r l os i m u l a t i o n ，t h ec i r c u i td e s i g ni s o p t i m i z e da n dt h em a n u f a c t u r a b i l i t yi s a n a l y z e d t h ec i r c u i th a sr e a c h e dd e s i g no b j e c ta n d i sa l s os u i t a b l ef o rm a s s p r o d u c t i o n i np r a c t i c a lp r o d u c t i o n ，t h ec o n s i s t e n c yo f p h a s ew i l ld e p e n do nt h et o l e r a n c eo f c o m p o n e n t sa n dh a sag r e a ti m p a c to nt h ep r o d u c t i o ny i e l d t h er e l a t i o na m o n gt h e c o n s i s t e n c yo fp h a s e ，p r o d u c t i o ny i e l da n dt o l e r a n c eo fk e yc o m p o n e n t si sa n a l y z e d q u a n t i t a t i v e l y ，a n dt h et o l e r a n c ed e s i g no fc o m p o n e n t sa n dm a n u f a c t u r a b i l i t ya n a l y s e s a r ec o m p l e t e d t h eb a n d p a s sf i l t e ri sr e p r e s e n t e db yap s p i c em o d e l ，w h i c hi sc o n v e n i e n tf o rt h e e l e c t r o n i c se n g i n e e r st ou s et h e mi nt h ed e s i g no f e l e c t r o n i cs y s t e m sa n dc i r c u i t s k e yw o r d s ：b a n d p a s sf i l t e ro p t i m i z a t i o n p a r a m e t r i cs w e e py i e l d m o n t ec a r l oa n a l y s e s c o n s i s t e n c yo fp h a s em a n u f a e t u r a b i l i t y 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人繇链日期 关于使用授权的声明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定1 本人签名 导师签名 日期”，7 日期醴：! ：望 鞋 第一章绪论 第一章绪论 滤波器是一种能使有用信号顺利通过而同时对无用频率信号进行抑制( 或衰 减) 的电子装置。工程上常用它来做信号处理、数据传送和抑制干扰等。按照滤 波器的功能划分，滤波器可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤 波器。以往主要采用无源元件r 、l 和c 组成模拟滤波器，六十年代以来，集成 运放获得了迅速地发展，由它和r 、c 组成的有源滤波器，具有不用电感、体积小、 重量轻等优点。此外，由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，而输出 阻抗又很低，并且由其构成的有源滤波器还具且一定的电压放大和缓冲作用。因 此基于放大器和r 、c 构成的有源滤波器应用日益广泛，对于滤波器的优化设计方 面的工作也显得越来越重要。 随着计算机技术的迅速发展，计算机辅助设计( c a d ：c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 技术已经渗透到电路设计的各个领域，c a d 技术已经成为提高电路和系统设计的 性能和质量的必备工具。现在可以毫不夸张地说，离开c a d 技术，电路与系统的 设计将寸步难行。o r c a d 软件和p s p i c e 软件是电路设计最常用的软件之一，随着 o r c a d 公司和m i c r o s i m 的合并，这两个软件也取长补短并集成在一起成为功能 更加强大o r c a d p s p i c e 9 软件包，它在性能分析和优化设计方面比以前有很大扩 展。 本论文要做的工作，主要是用o r c a d p s p i c e 9 软件分析基于运算放大器和r 、 c 构成的有源带通滤波器的电路性能，并迸行优化，使电路性能达到最佳，提高其 成品率。本论文的目的有三个：一是完成对带通滤波器的性能分析和优化设计，使 它适合批量生产。在充分分析其工作状态和性能特点的基础上，调整元器件的参 数值，改善提高滤波器的性能。二是探讨o r c a d p s p i c e 9 软件包在带通滤波器性 能分析及优化设计中的应用技术和方法。包括如何用p s p i c e 的性能分析功能得到 带通滤波器特性曲线，如频率响应曲线，并在分析带通滤波器性能的基础上对电 路进行优化。三是把优化后的带通滤波器做成可以在o r c a d p s p i c e 9 模型库中调 用的器件模型，以方便他人使用。 本论文共为七章，其中第一章是绪论，主要介绍该带通滤波器的原理。第二 章为电路的模拟分析，主要是调用o r c a d p s p i c e 9 对电路进行参数扫描分析，调 整元器件的参数值。第三章是电路的优化设计，本章是在第二章的基础上对电路 进行优化，使电路的性能达到最佳。第四章是电路的蒙特卡罗分析和最坏情况分 析，这一章主要模拟实际生产中由于元器件的参数值偏差引起电路性能的偏差。 第五章是电路的相位一致性和成品率分析，本章主要是分析实际生产中相位一致 2 带通滤波器的优化设计和可制造性分析 性和成品率之间的关系。第六章是构建模型库，这一章把滤波器电路制作成的器 件模型，以供他人调用。第七章为结论部分。 1 1 电路图的绘制 在o r c a d c a p t u r e 中绘制电路图，并设置器件相应的模拟标称值。电路图见 附录a 所示。其中运放a l 的型号为f 0 0 7 ，a 2 、a 3 、a 4 系列的型号为l f 4 4 4 ，a 5 系列的型号为l f 4 4 2 ，a 6 的型号为l f 3 5 6 。o p 0 7 具有失调电压低，失调温漂小， 宽输入范围，宽电源范围等特点。l f 4 4 2 和l f 4 4 4 运放的输入偏置电流和输入失调 电流都比较小，此外它们还具有以下特点：输入电流小，输入阻抗高，高的增益带 宽，低的噪声。 1 2电路原理分析 本文谈到的带通滤波器的完整电路的构成如结构图如图1 1 所示。 图1 1 带通滤波器的结构图 电路的结构主要由四级滤波组成。电路的一级、二级、三级、四级滤波结构 基本上是一致的，以下对一级滤波电路的结构进行说明。 一级滤波电路的基本单元由以下几部分构成： ( 1 ) 反向比例输入电路 反向比例电路作为输入端，对共模信号抑制能力强，而且，由于电压负反馈 的作用，输出电阻小，带负载能力强。 图1 2 即为该滤波器电路的反相比例输入电路图。其中r x 为调节输出增益的 电阻，v + 和v 一分别给运放提供+ 1 5 v 和一1 5 v 的直流电压。 输出电压和输入电压的函数关系是 v o = 譬y 1 第一章绪论 y i v v ?7 如二土1 5 v ；上 图1 2 带通滤波器的反相比例输入电路图 ( 2 ) 双二次型带通滤波电路 基本双二次型带通滤波电路如图1 3 所示。 图1 3 双二次型带通滤波电路 将运放视为理想放大器，利用基尔霍夫定律列出节点方程： 带通滤波器的优化设计和可制造性分析 半煅。+ 枷+ 警= 。1 i 警+ 警= of 似沁：+ 警：。j 琊，=丽vo(s)=i丽(蕊r4ci)s r ， k o a w o s 足。) 2 s 2 + a c o o s + 0 2 ( 2 ) 其中k o 为频率特性的幅值，称为通带增益。瓯为滤波器的固有频率，称为谐 振频率或中心频率。口为阻尼系数。 将式( 1 ) 与带通滤波器标准式( 2 ) 相比较可以得到该滤波器的特性参数： 舻瓮 一瓯 q 寺案 其中q 为品质因数，它衡量滤波器的性能，q 越大，选择性越好。 x 2 - 次型带通滤波电路具有良好的调整特性，并且对于元器件参数变化的灵 敏度是相当小的，这种电路具有良好的稳定性，其品质因数q 甚至可以达到1 0 0 以上。 在实际应用中，这种双二次型带通滤波电路可以进行级联也可以稍加变化，应 用于双二次型低通滤波电路，双二次型高通滤波电路，双二次型带阻滤波电路。 ( 3 ) 电压跟随器 电压跟随器能使电路输入电阻增大，输出电阻减小，提高带负载能力，在不 考虑失调及漂移等前提之下，跟随误差约为百万分之一。所以它能真实的将输入 第一章绪论 i 信号传给负载，而向信号索取的电流小。典型的跟随器电路如图1 4 所示。 图1 4 典型电压跟随器 由于电路的设计指标比较严格，因此使用了四级基本滤波电路级联实现。第 一与第二级主要针对低频设计，达到低频带外衰减指标和要求的低端截止频率； 第三与第四级主要针对高频设计，达到高频带外衰减指标和要求的高端截止频率。 1 3 电路设计指标 该带通滤波器的设计指标如表1 i 所示 表1 1 带通滤波器的设计指标 项目指标 通带范围 ( 1 2 5 4 - 2 ) h z ( 3 2 0 0 4 - 2 ) h z 带内波动1 5 d b 带外衰减4 6 d b ，当f l 6 5 h z 或f ，6 4 0 0 h z 时 传输v ( o u t ) v ( i n ) 1 0 0 5 注：带外衰减是指绝对值，文中以后提到的都是指绝对值。 o 丁 墨 可 带通滤波器的优化设计和可制造性分析 第二章电路的模拟分析 这一章将对根据设计指标设计出没有经过优化的电路进行分析，并在此基础 上对电路进行交流小信号频率特性分析、参数扫描等分析，然后根据所要求的设 计目标确定元件参数值，提高电路的性能。 2 1 初始电路的模拟分析 电路模拟分析的基本过程包括绘制电路图、特性分析类型确定和参数设置、 模拟分析计算和模拟结果分析4 个阶段。绘制好电路图以后即可在o r c a d c a p t u r e 中启动p s p i c e 进行模拟分析。下面就对电路分析过程中的其它阶段进行讲述。 一电路特性分析类型确定和参数设置 为了便于设计管理，o r c a d p s p i c e 9 0 将直流分析、直流d c 扫描、交流小信 号a c 分析和瞬态t r a n 分析作为4 种基本的分析类型。在电路模拟中，根据分 析要求，建立模拟类型分组( s i m u l a t i o np r o f i l e ) ，以确定分析类型和设置分析参数。 每一种电路的一个模拟类型分组中只能包括上述4 种基本分析类型中的一种，但 可以同时包括温度特性分析、参数扫描、蒙特卡罗分析和直流工作点的存取等。 p s p i c e 通过模拟类型分组( s i m u l a t i o np r o f i l e ) 来确定分析类型和设置分析参 数。对本文中的带通滤波器电路的模拟分析选择交流小信号频率特性分析( a c s w e e p ) 。本项分析的作用是计算电路的交流小信号频率响应特性。分析时首先计 算电路的直流工作点，并在工作点处对电路中各个非线性元件作线性化处理，得 到线性化的交流小信号等效电路。然后使电路中交流信号源的频率在一定的范围 内变化并用交流小信号等效电路计算电路输出交流信号的变化。 交流小信号频率特性分析( a cs w e e p ) 的具体设置如下： 在p s p i c e 菜单下单击n e w 开始一个新的模拟设置( s i m u l a t i o ns e t t i n g s ) ，输 入一个名字，就会出现图2 1 所示的对话框，分析类型( a n a l y s i st y p e ) 交流小信 号频率特性分析( a cs w e e p n o i s e ) 。交流分析类型( a cs w e e p t y p e ) 选择对数 ( l o g a r i t h m i ) 坐标，并在其下方的下拉式列表中选择d e c a d e 选定频率按其进行对 数关系变化。该栏中的另外三个选项用来确定频率变化范围的起点( s t a r t ) 、终点 ( e n d ) 和频率点的个数。这里起始点( s t a r t ) 设置为5 0 ，终点( e n d ) 设置为1 0 k 频率点的个数设定为5 0 。频率的起始点和终点默认单位为h z 。 第二章电路的模拟分析 图2 1交流分析设置 二初始电路模拟结果及其分析 根据以上的参数设置，运行o r c a d p s p i c e a d 可以得出初始电路的特性曲线 如图2 2 ( a ) 和2 2 ( b ) 所示，其中2 2 ( b ) 的纵坐标用分贝表示。 媵 、： ； 、 a ：1 j：l ；1 7 * ! 图2 2 ( a ) 优化前的传输特性曲线 调用o r c a d p s p i c e 9 软件的g o a l f u n c t i o n 可从图2 2 ( a ) 所示的特性曲线中计 算出滤波器电路3 d b 的通带截止频率，即低端截止频率( h p b w ) 和高端截止频率 ( l p b w ) ，如图2 3 ( a ) 和2 3 ( b ) 所示。 带通滤波器的优化设计和可制造性分析 f、 f | 、 、 1 7 7 图2 2 ( b )优化前的幅频曲线 2 3 ( a ) 3 d b 低端频率截止点2 3 ( b ) 3 d b 高端频率截止点 低端频率截止点( h p b w ( v ( o u t ) ，3 ) ) h p b w ( v ( o u t ) ，3 ) 的含义是指对输出变量 v ( o u t ) 来说当其低频端下降3 d b 时的频率点，l p b w ( v ( o u t ) ，3 ) 则是其高频端下降 3 d b 时的频率点。 使用搜索命令( s e a r c hc o m m a n d s ) 中的s e a r c hm a x 可以从曲线2 2 ( b ) 计算 出该滤波器的最大的带内波动，如图2 4 所示。从图中可以看出在频率为1 5 1 3 5 6 h z 图2 4 滤波器的带内波动 第二章电路的模拟分析 9 时带内波动达到最大，为3 , 3 1 8 6 d b 。p r o b e 所提供的标尺( c u r s o r ) 有两个，第一个 受鼠标左键控制，第二个受鼠标右键控制，可分别拖动这两个标尺。 同样的方法可以出图2 ，2 ( a ) 和2 2 ( b ) 所示的特性曲线中计算出该电路的其他 特性参数，具体见表2 1 。 表2 1 带通滤波器初始方案模拟结果 项目模拟结果 通带范围 1 2 4 2 h 丑2 8 s 0 5 h z 带内波动1 5 d b 带外衰减 一 4 6 d b ( f l 6 5 h z ) ；一 4 0 d b ( f h 一 6 4 0 0 h z ) 传输v ( o u t ) v ( i n ) 1 0 2 1 4 2 对照表1 1 和表2 1 可以看出其通带范围和设计指标偏差较大，带内波动也 比较大，传输比也偏高。所以必须对电路进行优化改进。 2 2 电路的模拟与改进分析 对电路进行一系列的模拟分析可以知道影响增益、带宽、截止频率的器件参 数比较繁杂，有的器件对增益影响比较明显，比如电阻；有的器件对带宽影响比 较明显，比如电容；有的器件既影响增益也影响带宽。在考虑设计指标时对这类 器件要进行折中处理，兼顾各类电路特性指标。为了定性分析器件参数对电路性 能的影响，我们需要进行参数扫描分析。参数扫描分析( p a r a m e t r i ca n a l y s i s ) 就是对 指定的参数变化时的每个值进行一次电路分析以确定所指定元器件参数值变化时 对电路特性的影响，并根据电路的性能指标选择合适的参数值。 对电路进行优化分析时考虑到该带通滤波器电路比较复杂，级数较多，又由 于电路使用了四级滤波子电路且第一与第二级主要针对低频设计，第三与第四级 主要针对高频设计，所以我们可以分级对它的低频、高频设计目标分别进行参数 扫描分析，然后再综合考虑电路的整体性能以达到所要求的目标。从图2 2 ( b ) 可以 看出，高频端的带内波动比较小，优化起来相对要简单些。以下就分别对滤波器 的低频部分和高频部分进行优化分析。 一低频部分的分析 通过对电路原理的分析得知电容c 1 3 、c 1 5 和电阻r 1 6 、r 2 4 是影响传输比和 带内波动比较明显的器件，当然其他元件也有影响。就以c 1 3 为例来说明怎样通 过参数扫描来确定元器件的参数，以此来提高电路性能。 进行参数扫描分析时，参数值为一个变量，而在原来的电路图中参数均为定 值，为了改变参数的特性，需要对电路图进行相应的设置，下面是其简要步骤： 带通滤波器的优化设计和可制造性分析 1 0 1 将电容c 1 3 的容值设置为参数，把容值6 6 n 改为( c v l 3 ) 。 2 用参数符号设置容值参数：从元器件图形符号库中调出名称为p a r a m 的 符号，放置在电路图中的空白位置，然后连击该符号就会出现元器件属性参数编 辑器，按n e w 将出现新增属性参数对话框。键入c v l 3 后，c v l 3 即成为电容c 1 3 容值参数名。这时元器件属性参数设置框中将新增c v l 3 项，如图2 5 所示。将图 中c v l 3 项设置为6 6 n ，表示进行其它特性分析时该值为6 6 n 。这一方法设置的参 数c v l 3 称为g l o b a l 参数即全局参数，它代表c 1 3 的电容值。 i j y i i i i ! i 哆 i n c ei m p l a m e r n e t i o n t z - , p em p = ：e m e 哺蝉啤p 1 1 。仲i e m e m 甜ic ”1 3 田s c h e m a t i c l ：p a g e l ：2 0p a r a m 2 0 p s p i c em o d e l 6 5 n 图2 5 新增属性参数设置 电路图设置完毕后即可进行参数扫描时所需的参数设置。参数扫描分析之 前，仍然需要进行交流小信号频率特性分析( a cs w e e p n o i s e ) 的参数设置，在 图2 1 中复选参数扫描( p a r a m e t r i cs w e e p ) 即出现图2 6 的参数扫描设置，这表示 a cs w e e p n o i s e 和p a r a m e t r i cs w e e p 均处于选中状态。参数扫描的设置具体见图 2 6 。 图2 6 参数扫描分析设置 第二章电路的模拟分析 一1 1 设置c v l 3 从3 0 n 变化到1 0 0 n ，通过参数扫描分析得到v ( o u t ) v ( i n ) 与c v l 3 变化关系如图2 6 所示。从图中可见传输比随c 1 3 的变化非常明显。 图2 7 不同的c 1 3 一f 的传输曲线 调用0 r c a d p s p i c e 9 软件的p e r f o r m a n c ea n a l y s e s 分析功能，可以得到低端 截止频率随电容值的变化关系，如图2 8 所示。 图2 8低端截止频率随c 1 3 的变化关系 从图2 8 可以看出在电容c 1 3 的变化范围3 0 n 1 0 0 n 内，低端截止频率( h p b w ) 随电容c 1 3 单调下降，从2 5 0 h z 降到1 2 0 h z ，还可以通过搜索命令s e a r c hl e v e l ( 1 2 5 ) 得到当低端截止频率确定为1 2 5 h z 时c 1 3 的电容值为6 7 2 8 4 n 。当c 1 3 为6 7 2 8 4 n 时，通过模拟分析可以得到滤波器的带内波动最大值增加到3 4 3 d b ，这个值比c 1 3 为6 6 n 时的带内波动最大值3 3 2 d b 要大。从这儿可以得知，仅仅调节c 1 3 的值， 不可能同时兼顾低端截止频率和带内波动两个指标，这就需要在兼顾设计指标的 同时，调节其他元器件的参数值使电路的性能得到改善。 采取同样的方法，对关键元器件电容c 1 5 和电阻r 1 6 、r 2 4 进行参数扫描分 析，这其中有些元件之间可能还会相互产生影响，所以有些参数可能需要进行反 ， 带通滤波器的优化设计和可制造性分析 兰 复的调整。当然，由于对高频部分元件参数进行调整时可能会对低频端产生一定 的影响，所以对低频端调整结束时其结果可能并不符合最终的设计要求，这需要 在对高频端进行调整时予以注意，使其尽可能的向设计目标靠近。 低频端优化后得到的特性曲线如图2 9 所示。 图2 9 低频端优化后的特性曲线 从该曲线中可以看出，与图2 2 ( b ) 相比低频端的带内波动明显减小，使用搜索 命令可以得到带内最大波动值为o 2 4 2 d k ，完全满足设计要求的1 5 d b 。 同时还可以计算出低频端优化后的低端截止频率( r m b w ) 值为1 2 6 5 h z ，这也满 足设计所要求的低端截止频率为( 1 2 5 2 ) h z 的指标。带内传输比也满足要求的l o 。0 5 ，但是带外衰减还不能满足设计要求。对于带内传输比和带内衰减的具体 值在这儿就不具体给出，当高频端的优化完成后，再给出它们的具体值。 在不考虑高频端参数对低频端影响的情况下，初步确定了电容c 1 3 、c 1 5 和电 阻r 1 6 、r 2 4 的参数值，见表2 2 。 表2 2低频端优化后的参数表 元器件名称 初始值优化后的参数值 c 1 3 6 6 n5 1 n c 1 56 8 n 5 2 n r 1 6 1 6 k1 8 k r 2 48 2 k 6 0 k 二高频部分的分析 从图2 2 ( a ) 可以看出，高频部分的曲线相对低端部分波动要小一些，但是高 端截止频率不能满足设计要求，它的优化过程相对低端要简单些。高频部分的优 化的方法和低频部分类似。首先先通过分析确定电容c 1 8 、c 1 9 、c 2 0 、c 2 1 和电阻 r 3 3 、r 3 9 、r 4 1 是影响高频端的关键元器件。这儿以c 1 9 为例来进行高频端的优化 第二章电路的模拟分析 望 分析。 和低频端相似对c 1 9 进行参数扫描分析，定性分析c 1 9 对高端截止频率( l p b w ) 和带宽的影响。设定c 1 9 的变化范围为2 n 1 0 n ，通过参数扫描分析得到高端截止 频率随电容c 1 9 的变化趋势，如图2 1 0 所示。从图2 1 0 中可以看出，从2 n 到1 0 n ， l p b w 随电容c 1 9 单调下降，从3 7 6 3 h z 减小到2 0 7 5 h z ，还可以通过搜索命令s e a r c h l e v e l ( 3 2 0 0 ) 得到l p b w 为3 2 0 0 h z 时c 1 9 的容值为5 2 6 n 。针对c 1 9 ，如果不考虑 其他设计指标，仅仅考虑高端截止频率，只要取c 1 9 为5 2 6 n 即可。 图2 1 0l p b w 随电容c 1 9 的变化趋势 也可以得到带宽随c 1 9 的变化曲线，如图2 1 1 所示。从图中可以看出，在c 1 9 的变化范围内，带宽也是随c 1 9 单调下降的。 口 目 g 至 ； 竺 j ! i 噜x 毫；： 哼：j ，： 七； 呔 咏j j j 6 n c v l 9 图2 1 1 带宽随c 1 9 的变化趋势 采取类似的方法可以对c 1 8 、c 2 0 、c 2 1 和电阻r 3 3 、r 3 9 、r 4 1 进行同样的 分析。在确定元器件的参数值时要综合考虑各项指标，同时结合元器件的系列值， 初步确定了这几个元器件的参数值。见表2 3 。 带通滤波器的优化设计和可制造性分析 表2 3高频优化后的元器件参数表 元器件名称优化前的数值优化后的数值 c 1 86 8 n7 5 n c 1 96 8 4 n6 8 n c 2 06 8 n6 2 n c 2 16 7 7 n6 8 n r 3 39 1 k1 0 2 k r 3 9 7 5 k7 8 k r 4 13 0 k1 8 6 k 这些参数值只是初步的结果，而且只是针对高频部分的。这些参数可能还要 进行调整。 三元器件参数调整后的各项性能指标 经过反复的参数扫描和参数调整后，得到了该滤波器电路的特性曲线，如图 2 1 2 所示。 、 l ，； 图2 1 2 优化后的特性曲线 调用o r c a d p s p i c e 中的目标函数( g o a if u n c t i o n s ) 可以得到它的高低端截 止频率值，具体值见图2 1 3 ( a ) 和图2 1 3 ( b ) 。 图2 13 ( a ) 和( b ) 所示的均为3 d b 截止频率值。低端截止频率1 2 4 0 7 1 h z 满足设 计所要求的( 1 2 5 2 ) h z ；其高端截止频率值为3 1 9 0 6 5 h z ，这也同样满足设计所 要求的( 3 2 0 0 _ _ _ 2 ) h z 。 图2 1 3 ( a ) 优化后的低端截止频率 图2 1 3 ( b ) 优化后的高端截止频率 第二章电路的模拟分析 关于传输比这一设计指标。由图2 1 2 知道电路的特性曲线在通带内有两个峰 值，传输比主要受到这两个峰值之间值的影响。利用p r o b e 所提供的标尺( c u r s o r ) 可得到这两个峰值点的频率为1 5 0 8 5 0 h z 和1 3 1 6 7 k h z 。用特征值函数可计算出这 两个峰值之问的最大值与最小值的差值，再用标尺( c u r s o o 标出最高点与最低点， 如图2 1 4 所示。 图2 1 4 带内增益 图2 1 4 中，m a x r ( v ( o u t ) v ( i n ) ，1 5 1 8 5 0 ，1 3 1 6 7 ) 的意思是输出信号v ( o u t ) 在 1 5 1 8 5 0 h z 到1 3 1 6 7 h z 之间的最大值，m 1 n r ( v ( o u t ) v ( i n ) ，1 5 1 8 5 0 ，1 3 1 6 7 ) 则是其最 小值。a i = ( 1 5 1 8 5 0 ，1 0 3 1 9 ) 指的是左侧那个标尺所在位置的坐标，即点p 1 ，此时 电路的增益最大；a 2 = 二一4 6 d b 。当f 。6 5 h z 或矗 一6 4 0 0 h z 时 传输v ( o u t ) v ( i n ) 0 9 8 5 1 0 3 1 9 结合元器件的系列值，元器件参数经过反复调整后确定了其最优值，表2 ，5 列出了优化后的参数值。 第二章电路的模拟分析 表2 5带通滤波器模拟改进后的元器件参数表 元器件名称优化前的数值优化后的数值 r 1 51 6 k2 6 k r 1 61 6 k1 8 k r 1 96 2 k 8 5 k r 2 48 2 k 6 0 k r 2 52 0 k 2 2 k i 毪71 2 0 k 1 4 5 k r 2 82 0 k 2 6 k r 3 11 2 k 1 7 k r 4 l3 0 k 1 2 k r 4 2 6 8 k7 5 k c 1 3 6 6 n5 1 n c 1 4 7 0 n5 l n c 1 5 6 8 n5 1 n c 1 76 9 n 5 1 n c 1 8 6 8 n 6 8 n c 1 9 6 8 4 n 6 8 n c 2 0 6 8 n 6 8 n c 2 1 6 7 7 n 6 8 n 2 3本章小结 根据设计指标对电路进行参数扫描分析调整元器件的参数值，因而可以提高 电路的性能，使设计指标得到满足。通过参数扫描分析确定元器件参数值这对将 进行电路优化设计是非常重要的，它可以为电路的优化设计指定一个比较合理的 初始值，使优化能得到比较满意的结果。 带通滤波器的优化设计和可制造性分析 第三章电路的优化设计 通过第二章的模拟分析，对电路的性能有了充分的了解，初步确定了元器件 的参数。通过参数扫描分析确定元器件的参数值使设计指标达到了要求，但是它 并没有使电路的性能达到最佳，这就需要对整个电路的性能进行优化分析，并在 各个性能指标之间进行折中处理，使电路逐步接近并达到最终的设计指标。 3 1 o r c a dp s p i c eo p t i m i z e r 简介 第二章介绍的参数扫描分析对元器件的参数值选定有一定的指导作用，它可 以大概确定元器件的取值范围，但是对于一些复杂的电路，它的设计指标比较多 的情况下，仅仅通过参数扫描确定元器件的参数值可能无法得到比较理想的结果。 o r c a d p s p i c eo p t i m i z e r 可以兼顾数个指标进行优化。 o r c a dp s p i c eo p t i m i z e r ( 以下简称o p t i m i z e r ) 是完全集成于o r c a d 软件包中 的一个模块，用于对电路进行优化设计，所谓优化设计是指在电路设计已基本能 正常工作，在电路特性约束条件( c o n s t r a i n t s ) 控制下，调整电路中的元器件参数 ( p a r a m e t e r s ) ，使电路指标要求( p e r f o r m a n c eg o a l ，又称目标参数) 达到或靠近某一数 值。约束条件可以没有，但指标要求至少必须有一个。约束条件和指标要求统称 为优化指标( s p e c i f i c a t i o n ) 。约束条件和指标要求的区别在于系统在处理它们时将 给予约束条件更大的权重，也就是说约束条件是优先要满足的，而指标要求是尽 量满足。优化指标不能超过8 个，调整的元器件参数也不能超过8 个。优化设计 的过程实际上是不断调整元器件参数、反复进行迭代运算、逐渐向优化指标靠近 的过程。当优化指标满足时，迭代过程停止，优化过程圆满结束。然而，并不是 所有的设计都能达到优化指标，在这种情况下，当迭代次数达到规定的值，或者 继续运算也毫无进展时，程序也会结束。 能进行优化的电路设计，必须先通过常规的p s p i c e 模拟，因为在优化的过程 中也要不断的调用p s p i c e ，因此也可以说：优化设计的过程是o p t i m i z e r 和p s p i c e 配合使用的过程。p s p i c e 中的特征值函数( g o a lf u n c t i o n ) 在o p t i m i z e r 中都是可用 的，也可以自己编写特征值函数，特征值函数的使用和编写具有一定的技巧。调 用o r c a dp s p i c e 的电路优化模块( p s p i c eo p t i m i z e r ) 进行电路优化是一个渐进过 程，为了取得优化设计的结果，电路必须已经实现了要求的基本功能。优化是对 一个基本满足要求的电路进行进一步的设计。如果电路设计与要求的功能和特性 指标相差太大，优化工作很难取得预期的效果，而且还可能出现优化过程不收敛 这种情况。 第三章电路的优化设计 约束条件和目标函数都是优化过程中的必须满足的要求，电路的优化设计其 实是在约束条件的限制下，不断调整电路元器件的参数，进行电路模拟迭代，直 到目标参数满足优化要求。 电路优化模块( p s p i c eo p t i m i z e r ) 可以同时调整电路中的8 个元器件的参数， 以满足最多8 个目标参数和约束条件的要求。下面就结合设计指标，对8 个关键 元器件进行优化分析，这儿就结合滤波器电路的高低端截止频率的优化为例对优 化设计进行说明。 3 2电路元器件参数的优化 针对滤波器的截止频率，给出o p t i m i z e r 对关键元器件c 1 3 、c 1 5 、c 1 9 、c 2 1 、 r 1 6 、r 2 4 、r 3 3 、r 4 1 进行优化分析的过程如下： 1 绘制原理图 对该滤波器电路来说，原理图前面已经绘制好了，这里要做的唯一工作是放 置o p t i m i z e rp a r a m e t e r s 符号。o p t i m i z e rp a r a m e t e r s 符号是用来设置待调整的参数 的。用鼠标点击p s p i c e 菜单下的p l a c eo p t i m i z e rp a r a m e t e r s 命令，就可放置 o p t i m i z e rp a r a m e t e r s 符号。 2 设置待调整的参数 选中o p t i m i z e r p a r a m e t e r s 符号，按鼠标右键，从其弹出的快捷菜单中执行e d i t p r o p e r t i e s ，屏幕上弹出如图3 1 所示的优化参数( o p t i m i z e rp a r a m e t e r s ) 设置框。 图3 1 优化参数设置框 在优化的过程中哪些参数需要调整以及调整的上下限就是通过这个对话框来 设置的。图3 1 显示了r 4 1 的设首，需要说明的是n a m e 框中添入的内容( 名字) 应 该与原理图一致，它是一一对应的，比如这儿的r v 4 1 就代表电路图中的电阻r 4 1 一2 0 带通滤波器的优化设计和可制造性分析 阻值的参数名。t o l e r e n c e 是设置该元件的容差范围。c u r r e n t v a l u e ( 当前值) 项可填 也可不填，如果不填的话，s i m u l a t i o nw i t h 应选择i n i t i a lv a l u e ( 初始值) 。 3 启动o p t i m i z e r 在p s p i c e 下拉菜单中选择执行r u no p t i m i z e r 启动优化模块，就会出现图3 2 所示的o p t i m i z e r 窗口结构。 图3 2 中带有s p e c i f i c a t i o n s 小标题的区域为优化指标显示区。该区域中每一个 小方块代表一个约束条件或优化特性指标，称为指标信息显示框。图3 2 中带有 p a r a m e t e r s 小标题的区域用于显示优化过程中被调整元器件参数信息。该区域中每 个小方框代表一个可调整的元器件参数，称为参数调整信息显示框，用于显示优 化过程中元器件参数的调整变化情况。图3 2 中最左边部分为优化信息显示区，包 括四部分内容，从上到下依次是：目标参数误差指示器：该区域中的竖直细条 图3 2 0 p t i m i z e r 的窗1 3 结构 线用于指示目标参数的当前值与优化目标值之间的差距。优化结果均方根 ( r m s ) 。迭代次数。模拟次数。 4 优化目标( s p e c i f i c a t i o n ) 设置。 这是最重要的一步。单击o p t i m i z e r 主画面上e d i t 下拉菜单的s p e e i f i c a t i o n s 命令，弹出如图3 3 所示的优化目标设置框。这儿的优化目标是低端截止频率， 它的目标值为1 2 5h z ，变化范围为2 5 h z 。e v a l u a t e 用来设置这个优化指标的计 第三章电路的优化设计 算表达式，h p b w ( ，) 是g o a l f u n c t i o n s 中的一个目标函数，是用来计算低端截止频 率的。用同样的方法，也可以对高端截止频率进行目标设置。 图3 3 优化指标设置框 优化指标一共也可以设置8 个，在这儿只用截止频率来说明o p t i m i z e r 的功能。 对于其他指标我们也可以用同样的方法进行优化。 优化指标设置完成后，选择执行图3 2 中的t u n e a u t o s t a r t ，即启动电路优化设 计的进程。程序的工作进程是：从每一个待调整的元器件参数的初值出发，分别 计算每个优化指标对元器件参数的导数( 即变化率) ；根据优化指标的要求，确 定每个元器件参数调整的方向；调用电路模拟程序，通过模拟迭代选定元器件参 数的调整幅度，得到元器件参数的当前值，使优化指标得到改善。然后再从元器 件参数的当前值出发，重复上述的迭代过程，直到各项优化指标均满足优化目标 值要求时，优化过程就会结束。当然也可能出现各项优化指标没有完全达到要求 优化过程结束的情况，当元器件的参数初值设置不合理，与要求的优化指标偏离 太大造成优化过程不收敛就可能出现这种情况。 优化过程结束后就得到了图3 4 的优化结果。 带通滤波器的优化设计和可制造性分析 图3 4 带通滤波器的优化结果 图3 4 中h p b w 、l p b w 名称下方的第一行显示的是优化过程中该指标的当前值， 也就是说1 2 5 5 9 8 h z 、31 9 3 2 3 h z 分别是截止频率h p b w 和l p b w 最终优化结果，最 终优化的结果都达到了h p b w = ( 1 2 5