基于Pspice的电路容差分析方法

摘要: 讨论了电子电路中元器件产生随机误差的原因及其对电路性能的影响,提出了以EDA(电子设计自动化) 软件Pspice 为基础进行电路容差分析设计的技术方案。简单阐述了蒙特卡罗分析、最坏情况分析的方法,研究了电路参数偏差、温度效应和退化效应等3 个方面的容差分析,并以实例分析证明了该方案的可行性。

关键词: 随机误差;电路容差分析;Pspice

　电路容差分析

电路容差分析技术是一种电路性能参数稳定性预计技术,对于精度要求高的复杂系统,性能稳定性问题在系统可靠性中占有很重要的地位。由于产品所用元器件容差的积累会使电路、设备的输出超出规定值而无法使用,在这种情况下,用故障隔离方法无法指出某个元器件是否故障或输入是否正常。为消除这种现象,在电路的设计过程中应进行有效的电路容差分析,以便在设计阶段采取措施加以纠正。

系统性能参数的变化主要有性能不稳定、参数发生漂移和退化。其原因主要有3 种: ①组成系统的元器件参数通常是以标称值表示的,实际却存在着公差,忽略公差,电路参数可能超出允许范围,产生参数偏差; ②环境条件,如温度的变化会使电子元器件参数发生漂移; ③退化效应,随着时间的积累,电子元器件参数会发生变化。一般来说,第①个原因产生的参数偏差是固定的;第②个原因产生的偏差在多种情况下是可逆的,即随着条件而改变,参数可能恢复到原来的数值;第③个原因产生的偏差是不可逆的。在对电路进行容差分析时,可以根据环境和实际需要,只考虑上述的一种情况或综合考虑多种情况。

容差分析技术的常用仿真方法需要建立具体电路的数学模型,不但计算复杂,工作量巨大,而且电路的模型不能通用,因此大大限制了容差分析技术在工程实际中的应用。近年来,随着EDA 技术的飞速发展,出现了许多以EDA 技术为内核的电子系统仿真软件。在这些仿真软件基础上进行电路容差分析,大大减轻了建立电路模型的工作量和避免了对复杂运算的处理,不但能实现以EDA 技术为基础的通用电路容差分析技术和方法,而且能够实现电路性能和可靠性的并行设计分析。

在众多的EDA 软件中,OrCAD 公司的Pspice 软件提供了基于Windows 平台的集成设计环境,方便了用户的使用,在此基础上进行电路容差分析技术研究更具有实用意义。

基于Pspice 的容差分析方法

容差分析有两种方法:一种是统计的方法。在很多情况下,并不可能确切地知道一批产品中每个元器件参数实际偏离标称值的量,只是知道它们偏离范围和各个参数的随机分布规律,可以利用统计方法,通过已知的元器件参数的随机分布规律去计算电路特性的分布规律。 Pspice 中的蒙特卡罗分析(MonteCarloAnalysis) 就是这种统计抽样的方法。第二种方法是以灵敏度为基础的分析方法,利用灵敏度信息解决多个元器件参数变化偏离标称值对电路性能的总影响. Pspice 中的最坏情况分析(Worst - CaseAnalysis) 就是这样一种方法。

在利用Pspice 进行容差分析技术研究时,对引起电路容差问题的3 种因素(参数偏差、温度效应、退化效应) 都要考虑。

1) 蒙特卡罗分析的实现首先根据需要对电路组成部分的参数设置偏差范围和分布类型,设置抽样次数n。PSpice 自动产生随机数,并在参数偏差范围内根据偏差的分布类型进行随机抽样,以改变所有设置偏差的模型参数。根据改变后的模型参数,再次重新对电路模型进行仿真计算,求出所有数据,并作为独立的一组输出。如此反复计算n 次,得到n 组随机数据,设计人员从而就可以对数据组中的数据如电压、电流甚至性能参数等进行统计分析,并画出直方图,求出不同容许偏差范围内的出现概率。在Pspice 中允许对任意数量的元器件设置偏差,进行蒙特卡罗分析时要求有必要的内层分析,如直流分析、交流分析或暂态分析的支持。

2) 最坏情况分析的实现首先要设置电路组成部分的参数偏差。对于每一个元器件的模型参数,最坏情况分析使用它们的标称值、可能的最小值和最大值。由于电路仿真的结果往往是以曲线的形式表示,因此要确定最坏的含义。Pspice 就以确定的最坏含义来定向,实现最坏情况分析。最坏情况分析首先使用所有元器件的标称值进行运算,并初始化已定义的最坏含义,然后进行多重灵敏度分析,来确定模型参数对最坏含义的单独影响,即逐个改变元器件参数,并进行仿真,记录下模型参数的增加造成的最坏含义变化方向。最后用直接代入法,将每个参数值都改变为使最坏含义最坏的偏差限值,求出最坏情况输出。

　分析实例

　图1 为一有源带通滤波电路,V₁ 和V₂ 是电路的直流电源,提供+ 15 V 电源V_CC和- 15 V 电源V_EE .V₃ 是电路的信号源,提供1 V 的频率可变的交流电压信号。在室温27 ℃,电路输出信号带宽的极限变化范围是315～365 Hz ,电路的组成参数偏差只考虑电阻R₃ 的阻值偏差。电阻R₃ 的阻值为1 kΩ , 偏差范围是5 % ,分布类型为正态分布,

对该电路采用蒙特卡罗分析方法进行参数偏差容差分析。信号源V₃ 的频率由10 Hz 开始10 倍频到10 kHz进行扫描,每倍频计算100 个点。电阻R₃ 的阻值采样次数为100 次,输出变量为电压V。

图2 是仿真后得到的电压信号V (输出) 的100 条频率响应曲线。

图3 是输出信号带宽的直方图。横坐标是输出信号的带宽,纵坐标是各种带宽所对应的抽样( %) 。从直方图求得电路输出信号带宽的均值为342. 463 Hz ,方差为15. 4791。在n 次抽样中,系统性能值落在允许范围的次数为m ,则系统的性能可靠度

R = m n (1)

根据式(1) 和图3 直方图,从电路的稳定性出发,得到R 为0. 91。考虑到电路快速性要求,输出信号的带宽不应小于325 Hz ,得到R 为0. 82。通过对电阻的偏差分布设置不同方差进行仿真发现,加大电阻方差,性能可靠度下降,电路的性能变差。