PSpice AA高级分析

PSpice A/A电路高级分析功能孙海峰这里将以RC单管放大电路为实例，进行全面的PSpice A/A电路高级仿真分析。目的是，将五个高级分析工具的具体使用方法贯穿全过程的综合应用，一、电路原理图设计及模拟仿真分析（PSpice A/D） 1、调用PSpice-AA元件模型库 OrCAD自带的PSpice A/用于高级电路分析的元件模型库，在安装目录的Tools/Capture/Library/pspice/advanls如下图所示。 可以将上述高级分析的模型库文件全部进行加载以便调用。2、 电路原理图绘制 电路原理图的绘制方法和Capture中类似，只是调用的模型库不同而已，在上述的模型中找到设计所需的元件，加以调用，进行连线等操作即可；此外，这里还需要多设置元件的高级仿真参数，例如容差、极限等。具体步骤如下：（1）添加电路设计元器件（2）设置高级分析元器件参数 在特殊符号“SPECTAL”库中找到“VABIABLES” ，然后将之添加到原理图中，这就是高级分析的参数变量表，其中可以设置各元件的高级分析参数，具体设置如下图所示。 (3)电路原理图设计 原理图绘制完成后，模型标称值设置与标准PSpiceA/D模型相同，所有电路参数设置完，如下图所示。3、 电路的PSpice A/D模拟仿真 创建RC单管放大器电路的PSpice A/D仿真设置，对其进行交流分析，并检查结果，交流分析仿真参数设置如下图。 交流分析结果及电路输出波形如下图所示，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。二、灵敏度(Sensitivity)分析1、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，在出现的Evaluate Measurement对话框中，选择电路特性函数3DB的带宽，具体设置如下图。同理，确定最大增益Max的DB值，两特性函数值结果如下图所示，显示在Measurement Results列表中。 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29.18621dB；带宽为615.90636k, 基本符合设计要求，然后可以继续高级分析中的灵敏度分析。2、调入、运行灵敏度(Sensitivity)分析工具为了达到设计要求，可以在灵敏度(Sensitivity)分析工具窗口中找出对于带宽目标函数最灵敏的关键元器件。在原理图绘制窗口执行PSpice/Advanced Analysis/Sensitivity命令，启动灵敏度(Sensitivity)分析工具，如下图：在Specification表格区可以添加电路特性函数（带宽、增益等），在该列表中点击，在弹出的Import Measurement（s）对话框中，选择所需分析的目标函数，如下图： 选中所需目标函数所在行并以相对灵敏度形式显示分析结果，运行灵敏度(Sensitivity)分析的结果，如下图所示，其中下方的控制栏显示仿真的过程。 3、灵敏度结果的分析处理从上图可知，影响带宽目标函数灵敏度的最关键元器件组件是Q1，C3。在此基础上，可以修改元器件参数设置，改进电路设计，并把生成的灵敏度信息结果传送给其他优化工具。 在Sensitivity工具窗口的Parameter表格区选中要进行优化设计的元器件，单击右键在出现的快捷菜单中，执行Send to Optimizer可以将关键的元器件参数发送给Optimizer工具，进行元器件参数的优化。同样在Sensitivity工具窗口的Specification表格区选中要进行优化设计的电路特性函数名称(带宽、增益)，单击右键在出现的快捷菜单中，执行Send to命令可以把元器件参数发送给Optimizer进行优化，或者发送给Monte-Carlo工具进行蒙特卡洛分析。若要查看灵敏度原始数据，可在灵敏度分析窗口中执行View/Log File/Sensitivity程序命令，即可调出Sensitivity分析结果清单，如下图。三、参数优化（Optimizer）分析 对于RC单管放大电路，优化设计要求：使其增益保持在15-15.5dB之间，带宽不小于1.5MHz，则需要对上面的电路参数进行优化处理。在原理图绘制窗口，执行PSpice/Advanced Analysis/Optimizer程序命令，启动高级分析中的优化工具。 1、调整设计变量优化过程调整元器件参数区的参数数据多是由灵敏度分析查找得出对电路特性参数优化影响最关键的元器件参数，由上述灵敏度分析可知，在该RC单管放大器电路中，Q1和C3都能影响带宽的大小，选择其中影响最大的一个参数进行优化调整，可以使优化设计问题简单化，若调整一个参数不能实现所需的优化目标要求，再添加第二个待调整的元器件参数。 添加无源器件的优化参数比较方便，只要在Parameters（Next Run）窗口，点击，弹出Parameters Selection对话框如下图，选择需要优化的无源参数（灵敏度高的参数），点击OK即添加优化参数。对于有源元器件Q1设计变量的添加，相对复杂一些。例如现在添加Q1的NF参数，在原理图中选中Q1, 单击右键执行快捷菜单中的“Import Optimizable Parameters”命令，在出现模型参数的Import Optimizable Parameters列表对话框中选择Q1中NF参数，单击OK按钮，则添加该模型参数NF到电路图中选中元器件的下方显示，如下图所示。然后在元器件选中的情况下，执行执行快捷菜单中的“Export Parameters to Optimizer”命令，则可将设计变量Q1模型中的NF模型参数新添加到Parameters列表，如下图。 2、调整目标函数在下方选择Standard选项卡，在Specifications（Next Run）窗口，使用与灵敏度分析同样的方法调用目标函数，选定优化目标函数后，优化分析窗口如下图：3、 调整变量优化范围无论是所需优化的元件参数，还是目标函数，都需要给出其优化的范围，然后进行参数的优化才有意义。如下图，已设定目标函数的优化范围。4、运行优化分析及结果分析 选择MLSQ（修正最小二乘二次方）优化分析引擎，按下 按钮，运行Optimizer优化工具，优化分析结束后，可从Parameters表格区、Specifications表格区观察参数、目标函数优化后的结果如下图。 从上图可以得到符合设计要求的元件参数值，这在设计中是不容易办到的，必须通过仿真才能达到一次性满足要求的设计成功率。同样在Error Graph图表区可以查看优化过程中动态显示的优化进程，以及显示电路特性函数当前值与优化目标值的差距。若想单独查看增益和带宽特性目标函数的Error Graph图表，可单击Specification表中“On/Off”所在行的方框图标和。 若要在误差图(Error Graph)中显示运行过程中某一次的分析数据可以点击Error Graph图中横坐标（代表模拟次数），则相应的在Parameters和Specifications表格区显示该次分析的参数值和电路特性函数值。若想查看查看优化分析原始数据，可在优化分析窗口中执行View/Log File/Optimizer程序命令，即可调出Optimizer分析结果清单。5、运用离散引擎确定优化后参数值理想结果 从工具栏的引擎选择下拉列表选择离散引擎（Discrete engine），并在Parameters 表中的Discrete Table 一列中选择符合要求的离散值系列，运行离散引擎（Discrete engine）。 优化分析结束后，返回到电路图编辑器中，修改元器件参数，使其更新为符合生产标准的系列标称值。修改完毕后，再对电路重新进行一次模拟分析，检验电路特性和模拟结果波形，确保是所期望的理想优化结果。四、蒙特卡洛（Monte-Carlo）分析1、分布参数的设置： 在调用Monte-Carlo工具前，先要对元器件容差的分布参数进行设置。对于无源元器件电阻R、电容C等最常用的元件，双击元件符号后，出现如下图所示的元件属性编辑框。 在DIST（分布参数设置）选择系统默认的均匀(FLAT)分布方式，并设置好元件的正负误差，确认选择后保存，系统就会按设定的均匀分布参数类型进行Monte-Carlo分析。2、蒙特卡洛分析参数设置 在Monte-Carlo窗口单击Edit/profile Settings子命令，出现与Monte-Carlo分析相关的参数设置对话框Profile Settings，在该对话框中设置相关参数。3、运行蒙特卡洛分析 在上述设置完成后，按下 按钮，运行Monte-Carlo分析，分析结束后将在Monte-Carlo分析窗口显示数据直方图和相关分析数据如下图。 若要查看Monte-Carlo分析原始数据的排序：按下 键即可显示电路特性函数原始数据排序结果，如下图。 若想以累计分布函数(CDF)图形方式显示运行分析结果，可在PDF图表区右键快捷菜单中，执行CDF Graph命令进行转换，则可显示带宽电路特性函数数据的累计统计分布图。 若要查看MC原始数据，在Monte Carlo窗口中执行View/Log File/Monte Carlo程序命令，即可调出Monte Carlo分析结果清单，下图中显示为第1次和第100次的原始数据清单运行结果。五、应力（Smoke）分析1、电路应力参数设置 在进行Smoke分析之前，必须要完成Smoke参数的设置。Smoke参数设置分为无源元器件和有源元器件两种形式。无源元器件的Smoke参数设置应用较多，也比较简单。而有源器件则选用程序中模型参数的默认值。2、电路模拟瞬态仿真 Smoke分析只有时域（瞬态）形式，而之前的分析均是频域（交流）分析，那么电路要进行应力分析，就必须加上瞬态电源tran=sin（0 5mv 1megHz），设定分析时间设为10，瞬态分析模拟仿真参数设置如图。 运行结果波形比较理想，输出信号约为75Mv，放大倍数为16倍，满足瞬态分析设计结果，电路输出波形如图所示。3、调用、运行Smoke分析工具采用标准降额条件调用Smoke分析工具，在Smoke工具窗口单击右键，从弹出的快捷菜单中选择执行Derating/Standard Derating命令，系统自动配置相关的标准降额文件所规定的降额因子值。 从调用Smoke工具图还可以看出，Average（平均值）、RMS（均方根值）、Peak（峰值）均被选中，将在Smoke工具窗口中，对同一个应力参数，将分三行分别显示同一个应力参数相对应的数值。另外还选中了Parameter Filters中的所有参数类型，其中包括电流参数、功率参数、温度参数和电压参数，相应在Smoke工具窗口的Parameter列显示对应元器件参数的应力参数名称。所有降额条件设置完毕后，按下 按钮，启动Smoke分析工具，分析结果如图。 从上图可知，在采用标准降额条件下，元件的所有应力参数均在相应的安全工作条件值范围以内，电路性能可靠。 六、参数测绘仪参数扫描分析 参数测绘仪工具是标准PSpice A/D参数分析（Parametric Sweep）的提升，通过此工具用户可以自行选择出符合优化设计要求的元器件组件。以上述RC单管放大电路为例，进行交流分析。设计要求使其增益保持在15-15.5dB之间，带宽不小于1.5MHz，为了能完成这些电路性能的更新，可以用参数测绘仪工具进行参数扫描分析。在原理图绘制页面中，执行PSpice/Advanced Analysis/Parametric Plotter程序命令，启动高级分析中的参数测绘仪工具。 1、调整参数扫描设计变量 添加参数扫描设计变量时，可单击 文件所在行，在弹出的Select Sweep Parameter对话框中选择拟要添加的参数扫描设计变量类型和相应要求的参数值，当确定所选参数设计变量无误，点击OK键，则添加该元器件参数扫描变量到Sweep Parameters表格区。2、调整目标参数扫描测量规范 点击左上角 标签页，在Parametric Plotter工具窗口中Measurements表格区设置要优化的目标参数扫描测量规范，如图所示。3、运行Parametric Plotter参数分析 所有参数都设置完毕后，按下 按钮，运行Parametric Plotter工具，运行结束后将在Parametric Plotter工具窗口中Measurements调整区显示测量扫描参数的最大值和最小值如下图。 若想查看参数扫描测量分析的每一次扫描结果和数据分析结果，可以点击 标签页，每一栏的数据结果与被测量扫描的参数或曲线次数是相等。 如上图所示的参数扫描结果显示区中，可以分类并且锁定各种专栏中显示的结果。在该RC单管放大电路中，设计参数扫描测量的主要目标是控制增益在15-15.5dB之间的情况下,使被测量带宽目标参数值不少于1.5MHz。为了达成设计目标,双击结果显示区分类的目标函数列，数值进行重新处理升序排列，然后锁定被处理分类中的有用数值，使其保持不变。在处理完带宽目标参数值之后,接着将结果显示区的其它目标函数数值进行分类处理，这次的分类处理对最后的分类处理结果不会起到扰乱的作用。最终对于所有被测量带宽目标参数值不小于