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基于OrCAD/PSpice9的电路优化设计

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   摘要:介绍了OrCAD/PSpice9的特点,通过实例说明了基于OrCAD/PSpice9环境下的电路优化设计过程。

         1. 引言

    电子设计自动化(EDA)是以电子系统设计软件为工具,借助于计算机来完成数据处理、模拟评价、设计验证等工序,以实现电子系统或电子产品的整个或大部分设计过程的技术。它具有设计周期短、设计费用低、设计质量高、数据处理能力强,设计资源可以共享等特点。电路通用分析软件OrCAD/PSpice9以其良好的人机交互性能,完善的电路模拟、仿真、设计等功能,已成为微机级EDA的标准系列软件之一。本文基于OrCAD/PSpice9的电路优化设计方法,通过实例分析了有源滤波器的优化设计过程。

    2. OrCAD/PSpice9软件的特点

    OrCAD/PSpice9是美国OrCAD INC.公司研制的一种电路模拟及仿真的自动化设计软件,它不仅可以对模拟电路、数字电路、数/模混合电路等进行直流、交流、瞬态等基本电路特性的分析,而且可以进行蒙托卡诺(Monte Carlo)统计分析,最坏情况(Worst Case)分析、优化设计等复杂的电路特性分析。相比PSpice8.0及以前版本,具有如下新的特点:

    · 改变了批处理运行模式。可以在WINDOWS环境下,以人机交互方式运行。绘制好电路图,即可直接进行电路模拟,无需用户编制繁杂的输入文件。在模拟过程中,可以随时分析模拟结果,从电路图上修改设计。

    · 以OrCAD/Capture作为前端模块。除可以利用Capture的电路图输入这一基本功能外,还可实现OrCAD中设计项目统一管理,具有新的元器件属性编辑工具和其他多种高效省时的功能。

    · 将电路模拟结果和波形显示分析两大模块集成在一起。Probe只是作为其中的一个窗口,这样可以启动多个电路模拟过程,随时修改电路特性分析的参数设置,并可在重新进行模拟后继续显示、分析新的模拟结果。

    · 引入了模拟类型分组的概念。每个模拟类型分组均有各自的名称,分析结果数据单独存放在一个文件中,同一个电路可建立多个模拟类型分组,不同分组也可以针对同一种特性分析类型,只是分析参数不同。

    · 扩展了模型参数生成软件的功能。模型参数生成软件ModelED可以统一处理以文本和修改规范两种形式提取模型参数;新增了达林顿器件的模型参数提取;完成模型参数提取后,自动在图形符号库中增添该器件符号。

    · 增加了亚微米MOS器件模型EKV2-6。EKV2-6是一种基于器件物理特性的模型,适用于采用亚微米工艺技术的低压、小电流模拟电路和数/模混合电路的模拟分析。

    3. 电路优化设计

    所谓电路优化设计,是指在电路的性能已经基本满足设计功能和指标的基础上,为了使得电路的某些性能更为理想,在一定的约束条件下,对电路的某些参数进行调整,直到电路的性能达到要求为止。OrCAD/PSpice9软件中采用PSpice Optimizer模块对电路进行优化设计,可以同时调整电路中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。可以根据给定的模型和一组晶体管特性数据,优化提取晶体管模型参数。

    3.1  电路优化基本条件 点击浏览下一页

    调用PSpice Optimizer模块对电路进行优化设计的基本条件如下:

    · 电路已经通过了PSpice的模拟,相当于电路除了某些性能不够理想外,已经具备了所要求的基本功能,没有其他大的问题。

    · 电路中至少有一个元器件为可变的值,并且其值的变化与优化设计的目标性能有关。在优化时,一定要将约束条件(如功耗)和目标参数(如延迟时间)用节点电压和支路电流信号表示。

    · 存在一定的算法,使得优化设计的性能能够成为以电路中的某些参数为变量的函数,这样PSpice才能够通过对参数变化进行分析来达到衡量性能好坏的目的。

    3.2 电路优化设计步骤

    调用PSpice Optimizer进行电路优化设计,一般按以下4个步骤:

    (1) 新建设计项目,完成电路原理图设计。这一歩的关键是在电路中放置OPTPARAM符号,用于设置电路优化设计过程中需要调整的元器件名称及有关参数值;

    (2) 根据待优化的特性参数类别调用PSpice A/D进行电路模拟检验,确保电路设计能正常工作,基本满足功能和特性要求;

    (3) 调用PSpice Optimizer模块,设置可调整的电路元器件参数、待优化的目标参数和约束条件等与优化有关的参数。这一歩是优化设计的关键。优化参数设置是否合适将决定能否取得满意的优化结果;点击浏览下一页

    (4) 启动优化迭代过程,输出优化结果。


    电路优化设计的过程框图如图1所示。

    3.3 电路优化设计实例
    滤波器电路如图2所示。优化目标要求中心频率(Fc)为10Hz;3dB带宽(BW)为1Hz,容差为10%;增益(G)为10,容差为10%。

    在图2中,滤波器电路共有三个可调电位器R

gain、Rfc和Rbw,用来调整中心频率、带宽以及增益,且这种调整是相互影响的。三个可变电阻的阻值是由滑动触点的位置SET确定的,显然SET值的范围为0~1,所以将三个电位器的位置参数分别设置为aG、aBW和aFc

    由于对滤波器的优化设计是交流小信号分析,因此应将分析类型“Analysis type”设置为“AC Sweep/Noise”;扫描类型“AC Sweep Type”设置为“Logarithmic”;“Points/Decade”设置为100;起始频率“Start”和终止频率“End”分别设置为1Hz和100Hz。

    为了进行优化设计,在电路图绘制好后,应放置OPTPARAM符号并设置待优化的元器件参数。本例中参数属性设置值如表1所示。

    设置好待调整的元器件参数以后,调用PSpice Optimizer模块并在优化窗口中设置增益(G)、中心频率(F
c)和带宽(BW)三个优化指标。并利用PSpice中提供的特征值函数定义这三个优化指标,具体设置见表2。点击浏览下一页
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    调用PSpice A/D进行模拟计算,在相应窗口中显示中心频率的值为8.3222,带宽为0.712187,增益为14.8106。显然这与要求的设计指标有差距,需要通过优化设计达到目标。

    在优化窗口中选择执行Tune/Auto/Start子命令,即可开始优化过程。优化结束后,优化窗口中给出最终优化结果,如图3所示。点击浏览下一页

    由图3可见,系统共进行了三次迭代,自动调用了9次电路模拟程序。当3个待调整的元器件参数分别取aG=0.476062;aF
c=0.457928;aBW=0.702911时,可以使3个设计指标达到G=10.3499,Fc
=9.98953,BW=1.00777。

    可见,对电路进行优化设计后,电路指标均能满足设计要求。另外,完成优化设计后,还可以从不同角度显示和分析优化结果。

    4. 结束语

    从上面的例子可以看出,当电路的功能已经大致完成,但仍需要对一些指标进行优化,这时调用PSpice Optimizer来完成这一优化过程是相当方便的。如果用户能够观察出具体是什么因素影响了电路的某项性能,从而知道调节哪些参数可使该性能更加理想;那么,应用PSpice Optimizer对该电路进行调整也是完全合适的。

    需要强调的是,PSpice Optimizer的自动化设计程度也是相对的,如果所设计的电路距离它的基本功能还相差甚远的话,用PSpice Optimizer来进行优化设计是很难达到理想效果的。同时它不能创建电路,不能对电路中的敏感元素进行优化设计。


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