從實例中學習OrCAD-PSpice 10.3-AA(第4章靈敏度分析工具)

     想要調用PSpice–AA進行電路優化設計，一般是先進行靈敏度（Sensitivity）分析：以便確定電路中對電路特性影響最大的關鍵元件參數進行優化。OrCAD9.2以前版本的靈敏度分析，由於有大量數據輸出問題沒有解決，故只局限於作直流靈敏度分析，置於直流工作點分析內。
    直流靈敏度分析：雖然電路特性完全取決於電路中的元器件取值，但是對電路中不同的元器件，即使其變化的幅度（或變化比例）相同，所引起電路特性的變化也不會完全相同。靈敏度分析的作用就是定量分析、比較電路特性對每個電路元器件參數的靈敏程度。PSpice中直流靈敏度分析的作用是分析指定的節點電壓對電路中電阻、獨立電壓源和獨立電流源、電壓控制開關和電流控制開關、二極體、雙極晶體管共5類元器件參數的靈敏度，並將計算結果自動存入.OUT輸出文件中。本項分析不涉及PROBE數據文件。需要注意的是對一般規模的電路，靈敏度分析產生的.OUT輸出文件中包含的數據量將很大。
    現在用OrCAD10.3版本PSpice–AA中的Sensitivity工具可以對多種電路特性進行直流、交流和瞬態靈敏度分析。本章主要介紹靈敏度分析的基本概念和具體使用方法。

4.1靈敏度的概念
4.1.1靈敏度的概念
    一般情況下電路元件值的微小變化將改變電路某些方面的特性。靈敏度就是用來衡量這個變化的物理量。先舉橋形電路為例如圖4-1所示，進行說明。
 
    這個電路的轉移阻抗（即所謂的電路特性）為
 
 
4.1.2 靈敏度的重要性
    在電路設計中，靈敏度之所以成為一個重要因素，其原因有二：一是在大批生產電路時，元器件值對輸出變數如V₀的靈敏度特性在確定產品的合格率方面起著關鍵性作用，所以先優化設計它，清晰可見靈敏度分析是參數優化設計的前提和基礎。二是對具有高靈敏度的電路，需要許多價格昂貴的高精度的元器件才能正常工作，而對許多低靈敏度的電路，採用元器件值相對於標稱值有較大的偏差的元器件也能正常工作，當然採用價格低廉的元器件，所以說靈敏度分析又是容差分析的基礎。

4.1.3靈敏度的定義
 
 
式中,T為電路網路函數（輸出變數如Vo），比如輸入阻抗、輸出阻抗、傳輸函數和輸出電壓(或電流)等；X為元件值或影響元件值的某些物理參數，比如溫度等。常用的是相對靈敏度有：
 
[1] 請注意此處也可正向變化10%，既有正向、負向變化。
    元件參數單位(UNIT)增量靈敏度由於公式（4-2）定義的靈敏度是在數值上等於變數每增加基本單位值對輸出變數的影響。電阻基本單位為1Ω、電容基本單位為1F實際上常用的是電感基本單位為1H實際上常用的是想要都變化1基本單位值來比較，就掩蓋了電容、電感變化的影響。故常用公式（4-3）
 
    元件參數百分之一(變化1%)增量 (PERCENT)靈敏度，Pspice10.3-AA程序多使用這種靈敏度，除了用上面用導數（法）求靈敏度外，還有其他方法求靈敏度，在這裡從略[1]。
[1]可參考王輔春主編的網路版《電子電路CAD技術基礎》

4.1.4最壞情況分析（Worst-Case Analysis）
    最壞情況（Worst Case）是指電路中的元件參數在其容差域邊界點上取某種組合時所引起的電路性能的最大偏差。最壞情況分析（Worst Case Analysis也簡稱WCASE），就是在給定電路元器件參數容差的情況下，估算出電路性能相對標稱值時的最大偏差。如存在最大偏差時都能滿足設計要求，那當然是最佳方案。WCASE分析是一種統計分析。在PSpice中原單獨列為一種分析，現在合併在高級分析中的靈敏度分析里。
    最壞情況分析也是變數一個一個地變化，即每進行一次電路分析，只有一個元器件的一個參數發生變化。這樣，可以得出電路的靈敏度特性。
    因此，在最壞情況分析中不需要指定執行次數，執行次數完全由變數個數確定。一般情況下，執行次數為變數個數加2。例如，有10個電阻可以變化，則最壞情況分析先進行標稱值的電路模擬，然後10個電阻分別變化後進行10次電路模擬，就可以得到電路靈敏度特性對該變數導數，即
 
式中，V表示任意電路性能函數（如•DC，•AC或•TRAN分析下的函數 ）。在得到靈敏度后，最後一次進行最壞情況分析。
如果有n個元器件參數需要變化，則
 
 

4.2靈敏度分析基本流程和步驟
  靈敏度（Sensitivity）分析工作流程如圖4-2所示。
 
在靈敏度分析工作流程圖中：

1.      調用Capture繪製電路；
2.      調用PSpice進行電路特性模擬；
3.      確定電路特性函數；
4.      檢驗電路特性函數模擬結果；
5.      調用PSpice10.3-AA，調入電路特性參數；
6.      運行Sensitivity工具進行靈敏度分析；
7.      電路是否滿足設計要求？有3項選擇：
8. 是，將關鍵元器件參數傳送給Optimizer工具；
9. 否，修改元器件參數或修改電路；
10. 已滿足，轉10列印輸出、11保存結果

下面以射頻放大器電路為例加以說明。

4.3電路原理圖設計及電路模擬模擬
    調用Capture10.3進行電路原理圖設計，仍以射頻放大器為例，其圖如4-3所示。在上一章節已經對調入PSpice10.3-AA參數庫繪製電路原理圖進行過介紹，讀者不用作任何修改就可以進行相關模擬分析。
 
    對於電路圖中元器件參數設置一般是要自行設計的，其中無源元件電阻R、電容C是最常用的元件。將PSpice10.3-AA參數庫的電阻R調出，將其符號連擊2次就可以調出它的屬性如圖4-4所示。
 
圖中，負容差（NEGTOL）：虛擬變數（RTOL%）=10（見設計變數表）；
正容差（POSTOL）：虛擬變數也用（RTOL%）=（也是）10（見設計變數表）。

4.3.2 電路模擬模擬
 調用PSpice對射頻放大器電路進行瞬態、交流分析，並檢查結果：
1. 瞬態分析：瞬態分析模擬模擬參數設置如圖4-5所示,其波形比較理想，電壓增益也滿足設計要求。瞬態分析結果及電路輸出波形如圖4-6所示。
 
 
2．交流分析: 交流分析模擬模擬參數設置如圖4-7所示。
 
    交流分析結果及電路輸出波形如圖4-8所示。從圖中可以看出增益、帶寬均為適宜，對標稱值設計業已理想。下一步是有容差參數的優化。
 

4.4確定電路特性參數
    為進行靈敏度分析將電路特性參數（帶寬、增益）細化，在交流分析結果輸出時，可在顯示模擬分析結果的Probe窗口中，選擇菜單Trace/Evaluate Measurement子命令，如圖4-9所示。
 
    在出現的Evaluate Measurement對話框中，選擇電路特性函數3DB的帶寬，具體設置如圖4-10所示。確定電路特性函數值（3DB帶寬）結果如圖4-11所示。
 
 
    同理，可確定最大增益Max的DB值，確定的結果如圖4-12所示。
 
    從圖中顯示的結果可以確定電路特性函數值：最大增益值為9.41807dB；帶寬為150.57877meg（兆），基本符合設計要求。