|
第10章 高级分析应用实例
本章是应用OrCAD10.3-AA以RC单管放大电路为实例，进行全面的计算机仿真分析。目的是，通过将五个特色分析工具的具体使用方法贯穿全过程的综合应用，起到对前9章高级分析特色工具的使用方法进行复习和小结的作用。
10.1电路原理图设计及模拟仿真分析
10.1.1调用PSpice-AA参数库
首先，找到PSpice库，如图10-1所示。
左上角的文件夹 就是所要的PSpice-AA参数库打开文件夹如图10-2所示。
将上述库文件全部进行加载以便调用。
10.1.2 电路原理图设计
1. 添加电路设计元器件
可利用搜索法和查库法来添加电路设计元件器，以电容器C为例，如图10-3所示。
图中右下角 为PSpice-AA器件仿真模型标志符。此时按下OK键就将电容器C取到画面如图10-4所示。
采用上述方法可查找出RC单管放大器电路的其他元器件仿真模型。
2. 设置高级分析元器件参数
在特殊符号“SPECTAL”库中查得“VABIABLES”如图10-5所示。
将查到的符号如同放置元器件那样，放置在电路图上，具体设置如图10-6所示。
3. 电路原理图设计
模型标称值设置方法与标准PSpiceA/D模型相同，所有电路参数设计完毕，如图10-7所示。
10.1.3 电路仿真分析
调用（标准）PSpice对RC单管放大器电路进行交流分析，并检查结果：交流分析仿真参数设置如图10-8所示。
交流分析结果及电路输出波形如图10-9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。
10.2 灵敏度(Sensitivity)分析
10.2.1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，具体设置如图10-10所示。
同理，确定最大增益Max的DB值，两特性函数值结果如图10-11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29.25383dB；带宽为601.93472k, 基本符合设计要求。
10.2.2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Capture窗口执行PSPpice/Advanced Analysis/Sensitivity程序命令，启动灵敏度(Sensitivity)分析工具，在Specification表格区添加电路特性函数（带宽、增益）。选中带宽目标函数所在行并以相对灵敏度形式显示分析结果，具体设置如图10-12所示。
运行灵敏度(Sensitivity)分析的结果，如图10-13所示。
10.2.3 灵敏度结果分析处理
从图10-13可知，影响带宽目标函数灵敏度的最关键元器件组件是R6，CL。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名称，单击右键在出现的快捷菜单中，执行Send to Optimizer把关键的元器件参数发送给Optimizer工具，进行元器件参数的优化设计分析。
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 子命令把元器件参数发送给Optimizer/Monte Carlo工具。Sensitivity工具窗口中两表格区具体设置，如图10-14所示。
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，如图10-15所示，图中显示最后第22次运行结果。
10.3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。
在Capture窗口中，执行PSpice/Advanced Analysis / Optimizer程序命令，启动高级分析中的优化工具。
10.3.1调整元器件参数
1.调整设计变量
在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，由灵敏度分析可知，在RC单管放大器电路中，在负载端的电阻器R6和电容器CL都能影响带宽的大小，选择其中一个参数进行优化调整可以使优化设计问题简单化。
注解说明：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。
这里选择R6作为设计变量，还选择无源元器件L1和有源元器件Q1中的BF也作为设计变量。其中对于无源元器件R6和L1设计变量的添加，可单击 文件所在行，在Parameter selection对话框中选取拟添加的设计变量R6和L1，如图10-16所示，使之高亮显示，单击OK按钮，则添加该元器件设计变量到Parameters表格区中。如图10-18所示。
对于有源元器件Q1－BF(正向电流放大系数)设计变量的添加，相对复杂一些。在Capture中选中Q1, 单击右键执行快捷菜单中的“Import Optimizable Parameters”子命令，在出现模型参数的Import Optimizable Parameters列表对话框中选择Q1中要调整的模型参数BF，使之高亮显示，单击OK按钮，则添加该模型参数名到电路图中选中元器件的下方显示，如图10-17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”子命令，则设计变量Q1模型中的BF模型参数被添加到Parameters列表中，如图10-18所示。
2.调整目标函数
采用左上角 标签页，在Optimizer工具窗口的Specifications表格区设置要优化的目标函数和约束条件，如图10-18所示。
10.3.2运行优化分析及结果分析
选择MLSQ优化分析引擎，按下按钮，运行Optimizer工具。优化分析结束后，可从①“Parameters”表格区、“Specifications”表格区显示优化结果如图10-19所示。
从图10-19可知，对于RC单管放大电路，只要将L1、R6和Q1-BF的参数值改为：1nH，259.7958 和846.7233就可以满足优化设计要求，使电路增益为15.2394dB并且带宽也可以达到2.7542MHz。取得误差为零的理想结果，这在实际中是不容易办到的。
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，如图10-20所示。
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。例如：选中Error Graph图中的第5次分析过程，如图10-21所示。
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，如图10-22所示，图中显示最后第6次运行结果。
10.3.3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），显示结果如图10-23所示。
待优化分析结束后，返回到电路图编辑器中，修改元器件参数R6=261 、L1=1nH，使其更新为符合生产标准的系列标称值。(可以在Optimizer工具窗口的Parameter表格区选中R6、L1，单击右键在出现的快捷菜单中，执行Find in Design子命令，将使电路图中R6、L1处于选中状态，同时窗口切换为电路图绘制软件Capture窗口。在电路图中修改选中元器件R6、L1的参数值大小，更好的适应电路设计要求。)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，如图10-24所示。
10.4蒙特卡洛（Monte Carlo）分析
10.4.1 Monte Carlo分析参数设置
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，以CL为例，可连击元件符号后，出现如图10-25所示元件属性编辑框。 
在DIST（分布参数设置）栏内视分析需要自行填写：这里作者选择系统默认的均匀(FLAT)分布方式。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.与Monte Carlo分析相关参数的设置
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，在该对话框中设置相关参数，如图10-26所示。
从图10-26可知，设置Monte Carlo分析次数为100次。其他参数采用系统默认参数值。
10.4.2运行Monte Carlo的结果分析
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窗口显示数据直方图和相关分析数据，如图10-27所示。
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，如图10-28所示。
若要查看带宽电路特性函数的Monte Carlo分析按数值大小排序结果，则可双击该行第一列单元格，则带宽电路特性函数数据显示从小到大的排列方式，如图10-29a所示。若再次双击该行第一列单元格，则带宽电路特性函数数据显示从大到小的排列方式，如图10-29b所示。
由图10-29a可见，带宽数据的最小值为495392.644892，是Monte Carlo分析中第77次模拟分析的结果；由图10-29b可见，带宽数据的最大值为668561.5464938，是Monte Carlo分析中第43次模拟分析的结果。
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子命令进行转换，如图10-30所示。显示带宽电路特性函数数据的累计统计分布图如图10-31所示。
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，如图10-32所示，图中显示排序为第1次和第100次的原始数据清单运行结果。
10.5热电应力（Smoke）分析
10.5.1电路应力参数设置及电路模拟瞬态仿真
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。具体设置如图10-33所示。
2. 电路模拟瞬态仿真
Smoke分析只有时域（瞬态）形式，故原来多作频域（交流）分析，则要加上瞬态电源tran=sin（0 5mv 1megHz），分析时间设为 ，瞬态分析模拟仿真参数设置如图10-34所示。
运行结果波形比较理想，输出信号约为70Mv，放大倍数为14倍，满足瞬态分析设计结果，电路输出波形如图10-35所示。
10.5.2调用、运行Smoke分析工具
采用标准降额条件调用Smoke分析工具的具体操作如图10-36所示。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10-37所示。
从图10-37可知，在采用标准降额条件下，Q1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。
10.6 参数测绘仪参数扫描分析
参数测绘仪工具是标准PSPICE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。本节还以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Capture窗口中，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。
10.6.1调整元器件参数
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。以R6为例，具体操作如图10-38所示。
RC单管放大电路所有参数扫描变量添加如图10-39所示，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，如图10-40 所示。
2. 调整目标参数扫描测量规范
采用左上角标签页 ，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10-40所示。
10.6.2运行Parametric Plotter的结果分析
1．查看扫描测量函数Parametric Plotter分析数据
所有参数都设置完毕，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，如图10-41所示。
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，可以点击左上角的 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。如图10-42所示。
在图10-42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 1.5 MHz。为了达成设计目标,首先双击结果显示区分类的第六行专栏标题，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第五列数值进行分类处理，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 1.5 MHz的曲线增益参数值都会得到分类处理。显示结果如图10-43所示。用户可以自行选择符合优化设计要求的元器件参数组件，来进行电路性能的改善和提升。
以10-43中选中的元器件参数值组件为例，对于轨迹曲线的测量分析中符合参数扫描设计要求的，可以双击对应栏上每一次分析的黄色图标，在PSpice Probe窗口会显示扫描的参数图形，如图10-44所示。
2. Plot波形信息显示区
对于同样的显示结果还可以通过Plot窗口信息区设立相应的Plot参数波形曲线，在PSpice Probe窗口显示扫描的曲线轨迹信息。点击左上角的 标签页，将进入Plot窗口信息区。
首先，右键点击Plot窗口信息区或者单击文件行信息，在显示的Plot Information-select profile对话框中添加拟增加的参数扫描Plot窗口。具体Plot 信息文件参数设置如图10-45所示。
所有参数设置完毕，右键点击选中标志列，在出现Plot向导中点击Display Plot ,可以显示每一行扫描参数的Plot窗口波形曲线轨迹，分别以第一行(增益函数)和第二行(带宽函数)为例，Plot窗口显示波形分别如图10-46a和10-46b所示。
3. Parametric Plotter扫描参数结果的分析处理
参数扫描分析结束后，可以自行根据设计要求选取元器件组件，在Parametric Plotter工具窗口执行Analysis/Parametric Plotter/ Send to Optimizer子命令，把元器件参数发送给Optimizer工具，进行元器件参数的优化设计分析。
若要查看Parametric Plotter分析原始数据，在Parametric Plotter工具窗口中执行View/Log File/Parametric Plotter程序命令，即可调出Parametric Plotter分析结果清单，如图10-47所示，图中显示排序为第1次和第368次的原始数据清单运行结果。
|
