基于Pspice的电路灵敏度分析及其在电路设计中的应用

电子相关应用

№.3　　　　　　　　　　　　　　　　　　　陕西科技大学学报　　　　　　　　　　　　　　　　　　Jun.2005

JOURNALOFSHAANXIUNIVERSITYOFSCIENCE&TECHNOLOGY　　　　　Vol.23 70 　　　　　　

　文章编号:1000-5811(2005)03-0070-03

基于Pspice的电路灵敏度分析

及其在电路设计中的应用3

李慧贞

(陕西科技大学电气与电子工程学院摘　要:,

。

关键词:;;Pspice;EDA

中图分类号:TN702　　　文献标识码:A

0　引言

在电路的设计中通常是从已知的激励源以及电路中各元器件的设计值来分析和计算电路的工作状态及其响应特性,但将这些分析计算结果与实际测量值进行比较时可能会不相符合,这是因为实际电路中的元器件参数值往往与设计计算值有差距。设计计算所用的值通常为标称值,而实际使用的元器件值有一定的分散性,其值是在一定容差范围内的一个随机数值,此外,实际电路的元器件参数值在工作条件发生变化时(如电源电压或环境温度发生变化时)也会发生变化从而引起电路输出特性的改变。为了衡量电路中各种元器件参数变化引起电路性能变化量的大小,人们引入了灵敏度(Sensitivity)这个参数来衡量电路性能对电路中元器件参数变化的敏感程度。灵敏度分析就是定量分析、比较电路特性对每个电路元器件参数的敏感程度。电路设计者可依据电路元器件灵敏度分析的结果合理的选择电路元器件以优化电路设计,还可预测电路在批量生产时的合格率和成本。

1　灵敏度的定义

灵敏度定义为绝对灵敏度与相对灵敏度两种形式。设P为电路的某个性能,它可以是节点电压或支路电流等等,x为电路中某个元器件的参数,如电阻、电容、电感、晶体管模型参数等等。绝对灵敏度可定义为电路特性参数P对元器件参数值x的变化率,即指P对x的绝对变化的灵敏度,其数学表达式如下:

Dx=P5x

该灵敏度为非归一化灵敏度或绝对灵敏度。此外,还定义了一种归一化灵敏度,又称之为相对灵敏度,数学表达式如下:

Sx=ΔP/PxΔ→0=x5x

由上式不难看出归一化灵敏度即为电路性能的变化量与元器件参数的相对变化量之比。上式在Pspice中表示为:

Sx=P5x10

3收稿日期:2004-12-04

作者简介:李慧贞(1977-),女,陕西省咸阳市人,在读硕士生,研究方向:信号处理、通信技术

电子相关应用

第3期李慧贞:基于Pspice的电路灵敏度分析及其在电路设计中的应用 71 它表示元件参数每变化一个百分点所引起的电路性能的变化量。所以,相对灵敏度或归一化灵敏度也指电路特性P对元器件值x相对变化1%情况下的灵敏度。

计算灵敏度时,判断所指定元器件的变化是由交流电压(流)还是由直流电压(流)引起电路性能的变化时,可将灵敏度分析分为直流灵敏度分析和交流灵敏度分析,后者应根据设计要求指定一段分析的频率范围,Pspice提供了直流小信号的绝对灵敏度与相对灵敏度分析。

2　灵敏度分析在电路设计中的作用

,产时在一定的元器件容差下产品的合格率与成本。,须采用容差小、工艺水平高、精度高、工艺水平低、(例如对,),这样,提高批量生产的产品性能价格比。也可将电路重新设计,降低电路性能与某些元器件参数对应的灵敏度,以提高电路生产的总成品率。可见灵敏度分析对电路设计和电子产品的批量生产是具有很好的指导和参考意义。此外,灵敏度分析还是电路最坏情况分析以及蒙特2卡罗分析这两种统计分析的基础。

3　应用实例

3.1　软件介绍

Pspice(Personalsimulationprogramwithintegratedcircuitemphasis)软件是EDA领域最负盛名的的公司OrCAD所开发的通用电路模拟仿真软件,目前常见的版本是9.2。随着版本的升级,Pspice的功能不断完善,它可对电路进行交直流分析、时域和频域分析。此外,器件参数的容差和工作环境对电路的稳定性会产生影响,传统的电路设计方法很难对这种影响进行全面的分析和了解,因此也就很难实现电路的优化设计。Pspice中的温度分析和统计分析功能既可以分析各种恶劣温度条件的电路特性,也可以对器件容差的影响进行全面的计算分析,其内容包括:(1)对不同的容差特性进行规定次数的跟踪分析(蒙特卡罗分析);(2)单独分析每一器件容差对电路的影响量(灵敏度分析);(3)分析全体器件容差对电路性能的最大影响量(最坏情况分析)。采用统计分析的方法,便于确定最佳元件参数、最佳电路结构以及适当的系统稳定裕度,真正做到电路的优化设计。

3.2　电路元器件灵敏度分析实例

图1是在Pspice的Schematics下输入的一个由集成运放构成的恒流源电路,我们用Pspice的DC灵敏度分析功能分析它的负载电流,即输出电流对各个电路元件变化的灵敏度大小,以便看出各个元件对恒流源精度影响的大小。由于Pspice规定当灵敏度分析的考察变量为电流时,该电流必须是流经电压源的,为此在图中附加了一个0V的电压源,将它与负载电阻RL相串联,并将I(V3)代表负载电流IL设置到DC灵敏度分析设置窗口的输出变量表项中去。具体步骤如下:在schematics的Analysis下拉菜单中选择setup项,并在弹出的Analysissetup菜单中选择sensitivity分析,此时就会弹出sensitivity设置菜单,在outputvariable栏中填人灵敏度分析对象I(V3),并点击OK按钮确认。然后运行PspiceAD模拟程序。运行结束后,在PspiceAD窗口中的File下的ExamineOutput项打开产生的.out文件就可看到DC灵敏度分析的结果,如表1所示。表中第3列为绝对灵敏度,第4列为归一化灵敏度即相对灵敏度。由该列数据可以看出恒流源的输出电流IL对电路中各个元器件变化的灵敏度,输出电流对负载电阻RL变化的灵敏度非常小,约在10～12数量级,这正是我们所期望的恒流源的特性。但是对电阻R2的灵敏度则比较大,约在10～6数量级,对电阻R1以及电源V2的灵敏度约在10～7和10～6数量级,对稳压二极管的串联电阻Rs的灵敏度约在10～10数量级,因此为了获得良好的的恒流特性,电阻R2必须采用精度高

电子相关应用

72

高。陕西科技大学学报第23卷的、稳定性好的品种,电阻R1也应采用较稳定的。最后不难看出,对电源V2的稳定性要求比电源V1要

表1　灵敏度分析结果

DCSENSITIVITYANALYSIS　　　　TEMPERATURE=27.000DEGC

DCSENSITIVITIESOFOUTPUTI(V_V3)

ELEMENTNAME

R_R1

R_R2

R_RL

D_D1

SERIESRESISTANCERS

INTRINSICPARAMETERS

IS

N5.435E-02-7.296E-07-3.965E-10ELEMENTVALUE2.000E+035.000E+000E+1.200E+01ELEMENTSENSITIVITY(AMPS/UNIT)

0807E3.395E-09-8.901E-06NORMALIZEDSENSITIVITY(PERCENT)6.E-07E-068.684E-124.074E-10-1.068E-06　4.050E-151.000E+00　1.778E-02-0.000E+00　7.203E-19-0.000E+00

4　结束语

将CAD(ComputerAidedDesign)和EDA(ElectronicDe2

signAutomation)技术引入当前的电子系统及集成电路的设计

过程中,可以减轻人工劳动,缩短设计周期,提高设计质量,降低

设计成本。如在传统设计中为提高实际生产的成品率必须进行

样机试制和小批量生产来进行测试,而利用CAD和EDA技术

可迅速、方便地进行电路灵敏度分析、容差分析和优化分析及电

路调试,通过该技术不但能分析电路的性能,而且能事先预估产

品的合格率,并能根据性能设计要求调整元器件参数来满足对

电路性能的要求,从而提高设计效率和产品合格率。

参考文献

〔1〕苏宏宇.Pspice电路编辑程序设计〔M〕.北京:国防工业出版社,2004.

〔2〕贾新章.电子电路CAD技术———基于OrCAD9.2〔M〕.西安:西安电子科技大学出版社,2002.

〔3〕张文.基于EWB的电路容差分析〔J〕.现代电子技术,2004,(6):18～20.图1　由集成运放构成的恒流源电路

SENSITIVITYANALYSISAPPLICATIONINCIRCUIT

DESIGNBASEDONPSPICE

LIHui2zhen

(SchoolofElectricalandElectronicEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xianyang712081,China)Abstract:Theconceptofsensitivityanditseffectandpracticalreferencedsignificanceisgiven.Thesen2sitivityanalysismethodanditspracticalapplicationisillustratedthroughanexamplebasedonPspice.Keywords:sensitivityanalysis;circuitdesign;Pspice;EDA

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/jlfq.html