OrCAD的電路優化設計

ORCAD是由美國ORCAD公司于八十年代末推出的EDA軟件，每天都會有百萬計的電子工程師、PCB設計師在使用。它是世界上使用最廣的EDA軟件，相對于其它EDA軟件而言，它的功能也是最強大的，由于ORCAD軟件使用了軟件狗防盜版，因此在國內它并不普及。但是它以其良好的人機交互性能，完善的電路模擬、仿真、設計等功能，已成為微機級EDA的標準系列軟件之一。本文基于OrCAD/PSpice9的電路優化設計方法，通過實例分析了有源濾波器的優化設計過程。

　　一、OrCAD/PSpice9軟件的特點
　　OrCAD/PSpice9不僅可以對模擬電路、數字電路、數/模混合電路等進行直流、交流、瞬態等基本電路特性的分析，而且可以進行蒙托卡諾（Monte Carlo）統計分析，最壞情況（Worst Case）分析、優化設計等復雜的電路特性分析。相比PSpice8.0及以前版本，具有如下新的特點：

　　1 改變了批處理運行模式。可以在WINDOWS環境下，以人機交互方式運行。繪制好電路圖，即可直接進行電路模擬，無需用戶編制繁雜的輸入文件。在模擬過程中，可以隨時分析模擬結果，從電路圖上修改設計。
　　2 以OrCAD/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，還可實現OrCAD中設計項目統一管理，具有新的元器件屬性編輯工具和其他多種高效省時的功能。
　　3 將電路模擬結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窗口，這樣可以啟動多個電路模擬過程，隨時修改電路特性分析的參數設置，并可在重新進行模擬后繼續顯示、分析新的模擬結果。
　　4 引入了模擬類型分組的概念。每個模擬類型分組均有各自的名稱，分析結果數據單獨存放在一個文件中，同一個電路可建立多個模擬類型分組，不同分組也可以針對同一種特性分析類型，只是分析參數不同。
　　5 擴展了模型參數生成軟件的功能。模型參數生成軟件ModelED可以統一處理以文本和修改規范兩種形式提取模型參數；新增了達林頓器件的模型參數提取；完成模型參數提取后，自動在圖形符號庫中增添該器件符號。
　　6 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的低壓、小電流模擬電路和數/模混合電路的模擬分析。

　　二、 電路優化設計
　　所謂電路優化設計，是指在電路的性能已經基本滿足設計功能和指標的基礎上，為了使得電路的某些性能更為理想，在一定的約束條件下，對電路的某些參數進行調整，直到電路的性能達到要求為止。OrCAD/PSpice9軟件中采用Pspice Optimizer模塊對電路進行優化設計，可以同時調整電路中8個元器件的參數，以滿足最多8個目標參數和約束條件的要求。可以根據給定的模型和一組晶體管特性數據，優化提取晶體管模型參數。

　　1 電路優化基本條件
　　調用Pspice Optimizer模塊對電路進行優化設計的基本條件如下：
　　電路已經通過了Pspice的模擬，相當于電路除了某些性能不夠理想外，已經具備了所要求的基本功能，沒有其他大的問題。
　　電路中至少有一個元器件為可變的值，并且其值的變化與優化設計的目標性能有關。在優化時，一定要將約束條件（如功耗）和目標參數（如延遲時間）用節點電壓和支路電流信號表示。
　　存在一定的算法，使得優化設計的性能能夠成為以電路中的某些參數為變量的函數，這樣Pspice才能夠通過對參數變化進行分析來達到衡量性能好壞的目的。

　　2 電路優化設計步驟
　　調用Pspice Optimizer進行電路優化設計，一般按以下4個步驟：
　　(1) 新建設計項目，完成電路原理圖設計。這一歩的關鍵是在電路中放置OPTPARAM符號，用于設置電路優化設計過程中需要調整的元器件名稱及有關參數值；
　　(2) 根據待優化的特性參數類別調用Pspice A/D進行電路模擬檢驗，確保電路設計能正常工作，基本滿足功能和特性要求；
　　(3) 調用Pspice Optimizer模塊，設置可調整的電路元器件參數、待優化的目標參數和約束條件等與優化有關的參數。這一歩是優化設計的關鍵。優化參數設置是否合適將決定能否取得滿意的優化結果；
???? ?(4) 啟動優化迭代過程，輸出優化結果。
????? 電路優化設計的過程框圖如圖1所示。

??????????????????????????????????????????
　　
　　3 電路優化設計實例
　　濾波器電路如圖2所示。優化目標要求中心頻率（Fc）為10Hz；3dB帶寬(BW)為1Hz，容差為10%；增益（G）為10，容差為10%。

??????????????????????????????
　　濾波器電路共有三個可調電位器R gain、Rfc和Rbw，用來調整中心頻率、帶寬以及增益，且這種調整是相互影響的。三個可變電阻的阻值是由滑動觸點的位置SET確定的，顯然SET值的范圍為0～1，所以將三個電位器的位置參數分別設置為aG、aBW和aFc。
　　由于對濾波器的優化設計是交流小信號分析，因此應將分析類型"Analysis type"設置為"AC Sweep/Noise"；掃描類型"AC Sweep Type"設置為"Logarithmic";"Points/Decade"設置為100；起始頻率"Start"和終止頻率"End"分別設置為1Hz和100Hz。
　　為了進行優化設計，在電路圖繪制好后，應放置OPTPARAM符號并設置待優化的元器件參數。本例中參數屬性設置值如表1所示。

???????????????????????????
　　設置好待調整的元器件參數以后，調用Pspice Optimizer模塊并在優化窗口中設置增益（G）、中心頻率（Fc）和帶寬(BW)三個優化指標。并利用Pspice中提供的特征值函數定義這三個優化指標。
　　調用Pspice A/D進行模擬計算，在相應窗口中顯示中心頻率的值為8.3222，帶寬為0.712187，增益為14.8106。顯然這與要求的設計指標有差距，需要通過優化設計達到目標，具體設置見表2。

????????????????????????????
　　在優化窗口中選擇執行Tune/Auto/Start子命令，即可開始優化過程。優化結束后，優化窗口中給出最終優化結果如圖3所示。

?????????????????????????????
　　系統共進行了三次迭代，自動調用了9次電路模擬程序。當3個待調整的元器件參數分別取aG=0.476062；aFc=0.457928；aBW=0.702911時，可以使3個設計指標達到G=10.3499，Fc=9.98953，BW=1.00777。
　　可見，對電路進行優化設計后，電路指標均能滿足設計要求。另外，完成優化設計后，還可以從不同角度顯示和分析優化結果。

　　三. 結束語

????? 需要強調的是，Pspice Optimizer的自動化設計程度也是相對的，如果所設計的電路距離它的基本功能還相差甚遠的話，用Pspice Optimizer來進行優化設計是很難達到理想效果的。同時它不能創建電路，不能對電路中的敏感元素進行優化設計。
　　從上面的例子可以看出，當電路的功能已經大致完成，但仍需要對一些指標進行優化，這時調用Pspice Optimizer來完成這一優化過程是相當方便的。如果用戶能夠觀察出具體是什么因素影響了電路的某項性能，從而知道調節哪些參數可使該性能更加理想；那么，應用Pspice Optimizer對該電路進行調整也是完全合適的。