基于OrCAD/PSpice9的電路優(yōu)化設(shè)計(jì)過程

1. 引言

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)是以電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件為工具，借助于計(jì)算機(jī)來完成數(shù)據(jù)處理、模擬評(píng)價(jià)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證等工序，以實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)或電子產(chǎn)品的整個(gè)或大部分設(shè)計(jì)過程的技術(shù)。它具有設(shè)計(jì)周期短、設(shè)計(jì)費(fèi)用低、設(shè)計(jì)質(zhì)量高、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，設(shè)計(jì)資源可以共享等特點(diǎn)。電路通用分析軟件OrCAD/PSpice9以其良好的人機(jī)交互性能，完善的電路模擬、仿真、設(shè)計(jì)等功能，已成為微機(jī)級(jí)EDA的標(biāo)準(zhǔn)系列軟件之一。本文基于OrCAD/PSpice9的電路優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，通過實(shí)例分析了有源濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程。

2. OrCAD/PSpice9軟件的特點(diǎn)

OrCAD/PSpice9是美國OrCAD INC.公司研制的一種電路模擬及仿真的自動(dòng)化設(shè)計(jì)軟件，它不僅可以對(duì)模擬電路、數(shù)字電路、數(shù)/?；旌想娐返冗M(jìn)行直流、交流、瞬態(tài)等基本電路特性的分析，而且可以進(jìn)行蒙托卡諾(Monte Carlo)統(tǒng)計(jì)分析，最壞情況(Worst Case)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)等復(fù)雜的電路特性分析。相比PSpice8.0及以前版本，具有如下新的特點(diǎn)：

· 改變了批處理運(yùn)行模式?？梢栽赪INDOWS環(huán)境下，以人機(jī)交互方式運(yùn)行。繪制好電路圖，即可直接進(jìn)行電路模擬，無需用戶編制繁雜的輸入文件。在模擬過程中，可以隨時(shí)分析模擬結(jié)果，從電路圖上修改設(shè)計(jì)。

· 以O(shè)rCAD/Capture作為前端模塊。除可以利用Capture的電路圖輸入這一基本功能外，還可實(shí)現(xiàn)OrCAD中設(shè)計(jì)項(xiàng)目統(tǒng)一管理，具有新的元器件屬性編輯工具和其他多種高效省時(shí)的功能。

· 將電路模擬結(jié)果和波形顯示分析兩大模塊集成在一起。Probe只是作為其中的一個(gè)窗口，這樣可以啟動(dòng)多個(gè)電路模擬過程，隨時(shí)修改電路特性分析的參數(shù)設(shè)置，并可在重新進(jìn)行模擬后繼續(xù)顯示、分析新的模擬結(jié)果。

· 引入了模擬類型分組的概念。每個(gè)模擬類型分組均有各自的名稱，分析結(jié)果數(shù)據(jù)單獨(dú)存放在一個(gè)文件中，同一個(gè)電路可建立多個(gè)模擬類型分組，不同分組也可以針對(duì)同一種特性分析類型，只是分析參數(shù)不同。

· 擴(kuò)展了模型參數(shù)生成軟件的功能。模型參數(shù)生成軟件ModelED可以統(tǒng)一處理以文本和修改規(guī)范兩種形式提取模型參數(shù);新增了達(dá)林頓器件的模型參數(shù)提取;完成模型參數(shù)提取后，自動(dòng)在圖形符號(hào)庫中增添該器件符號(hào)。

· 增加了亞微米MOS器件模型EKV2-6。EKV2-6是一種基于器件物理特性的模型，適用于采用亞微米工藝技術(shù)的低壓、小電流模擬電路和數(shù)/?；旌想娐返哪M分析。

3. 電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

所謂電路優(yōu)化設(shè)計(jì)，是指在電路的性能已經(jīng)基本滿足設(shè)計(jì)功能和指標(biāo)的基礎(chǔ)上，為了使得電路的某些性能更為理想，在一定的約束條件下，對(duì)電路的某些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，直到電路的性能達(dá)到要求為止。OrCAD/PSpice9軟件中采用PSpice Optimizer模塊對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以同時(shí)調(diào)整電路中8個(gè)元器件的參數(shù)，以滿足最多8個(gè)目標(biāo)參數(shù)和約束條件的要求。可以根據(jù)給定的模型和一組晶體管特性數(shù)據(jù)，優(yōu)化提取晶體管模型參數(shù)。

3.1 電路優(yōu)化基本條件

調(diào)用PSpice Optimizer模塊對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本條件如下：

· 電路已經(jīng)通過了PSpice的模擬，相當(dāng)于電路除了某些性能不夠理想外，已經(jīng)具備了所要求的基本功能，沒有其他大的問題。

· 電路中至少有一個(gè)元器件為可變的值，并且其值的變化與優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)性能有關(guān)。在優(yōu)化時(shí)，一定要將約束條件(如功耗)和目標(biāo)參數(shù)(如延遲時(shí)間)用節(jié)點(diǎn)電壓和支路電流信號(hào)表示。

· 存在一定的算法，使得優(yōu)化設(shè)計(jì)的性能能夠成為以電路中的某些參數(shù)為變量的函數(shù)，這樣PSpice才能夠通過對(duì)參數(shù)變化進(jìn)行分析來達(dá)到衡量性能好壞的目的。

3.2 電路優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟

調(diào)用PSpice Optimizer進(jìn)行電路優(yōu)化設(shè)計(jì)，一般按以下4個(gè)步驟：

(1) 新建設(shè)計(jì)項(xiàng)目，完成電路原理圖設(shè)計(jì)。這一歩的關(guān)鍵是在電路中放置OPTPARAM符號(hào)，用于設(shè)置電路優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中需要調(diào)整的元器件名稱及有關(guān)參數(shù)值;

(2) 根據(jù)待優(yōu)化的特性參數(shù)類別調(diào)用PSpice A/D進(jìn)行電路模擬檢驗(yàn)，確保電路設(shè)計(jì)能正常工作，基本滿足功能和特性要求;

(3) 調(diào)用PSpice Optimizer模塊，設(shè)置可調(diào)整的電路元器件參數(shù)、待優(yōu)化的目標(biāo)參數(shù)和約束條件等與優(yōu)化有關(guān)的參數(shù)。這一歩是優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。優(yōu)化參數(shù)設(shè)置是否合適將決定能否取得滿意的優(yōu)化結(jié)果;

(4) 啟動(dòng)優(yōu)化迭代過程，輸出優(yōu)化結(jié)果。

電路優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程框圖如圖1所示。

3.3 電路優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例

濾波器電路如圖2所示。優(yōu)化目標(biāo)要求中心頻率(Fc)為10Hz;3dB帶寬(BW)為1Hz，容差為10%;增益(G)為10，容差為10%。

在圖2中，濾波器電路共有三個(gè)可調(diào)電位器R

gain、Rfc和Rbw，用來調(diào)整中心頻率、帶寬以及增益，且這種調(diào)整是相互影響的。三個(gè)可變電阻的阻值是由滑動(dòng)觸點(diǎn)的位置SET確定的，顯然SET值的范圍為0～1，所以將三個(gè)電位器的位置參數(shù)分別設(shè)置為aG、aBW和aFc。

由于對(duì)濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)是交流小信號(hào)分析，因此應(yīng)將分析類型“Analysis type”設(shè)置為“AC Sweep/Noise”;掃描類型“AC Sweep Type”設(shè)置為“Logarithmic”;“Points/Decade”設(shè)置為100;起始頻率“Start”和終止頻率“End”分別設(shè)置為1Hz和100Hz。

為了進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在電路圖繪制好后，應(yīng)放置OPTPARAM符號(hào)并設(shè)置待優(yōu)化的元器件參數(shù)。本例中參數(shù)屬性設(shè)置值如表1所示。

設(shè)置好待調(diào)整的元器件參數(shù)以后，調(diào)用PSpice Optimizer模塊并在優(yōu)化窗口中設(shè)置增益(G)、中心頻率(Fc)和帶寬(BW)三個(gè)優(yōu)化指標(biāo)。并利用PSpice中提供的特征值函數(shù)定義這三個(gè)優(yōu)化指標(biāo)，具體設(shè)置見表2。

調(diào)用PSpice A/D進(jìn)行模擬計(jì)算，在相應(yīng)窗口中顯示中心頻率的值為8.3222，帶寬為0.712187，增益為14.8106。顯然這與要求的設(shè)計(jì)指標(biāo)有差距，需要通過優(yōu)化設(shè)計(jì)達(dá)到目標(biāo)。

在優(yōu)化窗口中選擇執(zhí)行Tune/Auto/Start子命令，即可開始優(yōu)化過程。優(yōu)化結(jié)束后，優(yōu)化窗口中給出最終優(yōu)化結(jié)果，如圖3所示。

由圖3可見，系統(tǒng)共進(jìn)行了三次迭代，自動(dòng)調(diào)用了9次電路模擬程序。當(dāng)3個(gè)待調(diào)整的元器件參數(shù)分別取aG=0.476062;aFc=0.457928;aBW=0.702911時(shí)，可以使3個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到G=10.3499，F(xiàn)c=9.98953，BW=1.00777。

可見，對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，電路指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)要求。另外，完成優(yōu)化設(shè)計(jì)后，還可以從不同角度顯示和分析優(yōu)化結(jié)果。

4. 結(jié)束語

從上面的例子可以看出，當(dāng)電路的功能已經(jīng)大致完成，但仍需要對(duì)一些指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，這時(shí)調(diào)用PSpice Optimizer來完成這一優(yōu)化過程是相當(dāng)方便的。如果用戶能夠觀察出具體是什么因素影響了電路的某項(xiàng)性能，從而知道調(diào)節(jié)哪些參數(shù)可使該性能更加理想;那么，應(yīng)用PSpice Optimizer對(duì)該電路進(jìn)行調(diào)整也是完全合適的。

需要強(qiáng)調(diào)的是，PSpice Optimizer的自動(dòng)化設(shè)計(jì)程度也是相對(duì)的，如果所設(shè)計(jì)的電路距離它的基本功能還相差甚遠(yuǎn)的話，用PSpice Optimizer來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是很難達(dá)到理想效果的。同時(shí)它不能創(chuàng)建電路，不能對(duì)電路中的敏感元素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。