电路容差分析在设计中的应用
电路的容差分析仿真及在电路设计中的应用
电路的容差分析仿真及在电路设计中的应用【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，分析了应用PSpice进行电子电路容差分析的原理及其对电子产品的设计和生产的指导作用。
关键词：随机误差，容差分析，PSpice1引言众所周知，由于制造工艺和使用条件的原因，任何电子产品都不可避免地会受到随机扰动因素的影响，从而使实际电路中的元器件参数和其标称值之间总是存在随机误差。
这就意味着，实际电子电路中元器件参数的实际数值不一定等于其标称值，而只是其标称值容差范围内的一个随机数值。
而我们在设计电路过程中往往都是采用元器件参数的标称值进行分析和设计，因此，设计的电路和实际生产制造出的电子产品性能之间必然存在着差别。
而且，电子产品在使用的过程中随着使用时间的增加和环境温度的变化，也会使这种差别进一步扩大。
在严重的情况下，这种偏差可能会达到影响电子产品的正常使用的程度，从而造成电子产品的功能失效。
另外，电子元器件的参数容差和电子产品的经济成本直接相关。
通常，元器件的精度越高，其误差范围越小，价格也会越高。
总而言之，电子产品的性能和价格与所采用的元器件的参数容差密切相关，我们在设计电子产品时只有充分考虑这一因素，才能设计出高可靠的，具有竞争力的电子产品。
然而，由于这种误差所服从的是一种概率统计规律，在产品的研制过程中，我们很难通过传统的人工设计方法来全面地考虑元器件参数容差对产品性能的影响。
随着计算机的迅速发展，各种EDA技术也得到了广泛的应用，电路设计者可以应用这些软件对电路进行各种分析，计算和仿真。
不仅能使设计者的设计达到高质量、高可靠性，而且可以降低成本，缩短开发周期。
OrCAD公司的PSpice就是得到广泛应用的一种电路模拟仿真软件，它由于收敛性好，适于做系统及电路级的仿真，又有微机版本，在国内得到了广泛的应用。
对于电路的容差分析，PSpice提供了蒙特卡罗分析和最坏情况分析两种方法来分析电路中元器件参数数值变化对电路性能的影响。
Saber容差分析模型使用说明
Saber容差分析模型使⽤说明Saber 容差分析模型使⽤说明⼀、副边电流采样过流保护容差分析 1、仿真电路图：2、电路图原理：如上图所⽰s I 为变换器输出电流（即容差分析对象）；s R 为输出电流检测电阻；1T 是电压控制电流源；1U ，2U 为运放；ref V 为基准电压（如TL431等）。
电路模型建⽴的思路是----对电路进⾏瞬态分析，分析结果能够得出⼀个稳态的s I ，使得a 点的电压与ref V 基准电压相等。
这样即可保证s I 是变换器的过流保护点。
然后再进⾏montecarlo 分析，得到容差分布图和CPK 值。
3、容差分析变量：容差分析变量即使⽤模型时需要设定偏差范围的器件参数。
即实际电路中影响精度（如过流保护点精度）的器件（如采样电阻，基准）。
使⽤时可根据实际需要进⾏更改。
1）电流检测电阻s R2）差分放⼤倍数2R 、3R 、4R 3）电压基准ref V4、仿真结果：如图所⽰，Lower:26为规格书过流点指标下限； Upper:37为规格书过流点指标上限；Cpk:1.3059为软件⾃动计算出的Cpk 值。
⼆、过压保护容差分析 1、仿真电路图：2、电路图原理：如上图所⽰out V 为变换器输出电压（即容差分析对象）；1R 、2R 为输出电压检测电阻；1T 是电压控制电压源；1U 为运放；ref V 为基准电压（如TL431等）。
电路模型建⽴的思路是----对电路进⾏瞬态分析，分析结果能够得出⼀个稳态的out V ，使得a 点的电压与ref V 基准电压相等。
这样即可保证out V 是变换器的过流保护点。
然后再进⾏montecarlo 分析，得到容差分布图和CPK 值。
3、容差分析变量：容差分析变量即使⽤模型时需要设定偏差范围的器件参数。
即实际电路中影响精度（如过压保护点精度）的器件（如采样电阻，基准）。
使⽤时可根据实际需要进⾏更改。
1）电压检测分压电阻1R、2RV2）电压基准ref4、仿真结果：如图所⽰，Lower:2.37为规格书过流点指标下限；Upper:2.48为规格书过流点指标上限；Cpk:1. 2064为软件⾃动计算出的Cpk值。
可靠性设计原则1000条（完整版，建议收藏）
可靠性设计原则1000条（完整版，建议收藏）A1 在确定设备整体方案时，除了考虑技术性、经济性、体积、重量、耗电等外，可靠性是首先要考虑的重要因素。
在满足体积、重量及耗电即是数条件下，必须确立以可靠性、技术先进性及经济性为准则的最佳构成整体方案。
A2 在方案论证时，一定要进行可靠性论证。
A3 在确定产品技术指标的同时，应根据需要和实现可能确定可靠性指标与维修性指标。
A4 对己投进使用的相同（或相似）的产品，考察其现场可靠性指标，维修性指标及对这两种备标的影响因素，以确定进步当前研制产可靠性的有效措施。
A5 应对可靠性指标和维修性指标进行公道分配，明确分系统（或分机）、不见、以至元器件的的可靠性指标。
A6 根据设备的设计文件，建立可靠性框图和数学模型，进行可靠性预计。
随着研制工作深进地进行，预计于分配应反复进行多次，以保持其有效性。
A7 提出整机的元器件限用要求及选用准则，拟订元器件优选手册（或清单）A8 在满足技术性要求的情况下，尽量简化方案及电路设计和结构设计，减少整机元器件数目及机械结构零件。
A9 在确定方案前，应对设备将投进使用的环境进行具体的现场调查，并对其进行分析，确定影响设备可靠性最重要的环境及应力，以作为采取防护设计和环境隔离设计的依据。
A10 尽量实施系列化设计。
在原有的成熟产品上逐步扩展，抅成系列，在一个型号上不能采用过多的新技术。
采用新技术要考虑继续性。
A11 尽量实施同一化设计。
凡有可能均应用通用零件，保证全部相同的可移动模块、组件和零件都能互换。
A12 尽量实施集成化设计。
在设计中，尽量采用固体组件，使分立元器件减少到最小程度。
其优选序列为：大规模集成电路-中规模集成电路-小规模集成电路-分立元器件A13 尽量不用不成熟的新技术。
如必须使用时应对其可行性及可靠性进行充分论证，并进行各种严格试验。
A14 尽量减少元器件规格品种，增加元器件的复用率，使元器件品种规格与数目比减少到最小程度。
容差分析_精品文档
1.电路容差分析22004973.4.123否修改设计图1 电路容差分析流程1●●●●●2●●电路性能参数及偏差要求；●电路使用的环境应力条件(或环境剖面)；●元器件参数的标称值、偏差值和分布；●电源和信号源的额定值和偏差值；●电路接口参数。
345把容差分析所得到的电路性能参数的偏差范围与电路性能指标要求相比较，比较结果分两种情况：（a）符合要求，则分析结束；（b）若不符合要求，则需要修改设计（重新选择电路组成部分参数或其精度等级或更改原电路结构）。
设计修改后，仍需进行容差分析，直到所求得的电路性能参数的偏差范围完全满足电路性能指标要求为止。
6.1（1）假设参数( )的取值具有统计特性，存在着均值和方差。
同理，性能参数Y也具有统计特性，存在着均值和方差。
根据泰勒级数公式，以标称值为中心将式（1）展开，去掉高阶项后得到如下的性能参数均值近似计算公式：（2）式中：——电路性能参数Y的均值；),,(1nXXfY=),,(1nymmfm=iX ni≤≤1ymnXX,,1假设下，电路性能参数在偏差容许范围内出现概率的计算公式如下：（4）式中：——性能参数在偏差容许范围内的出现概率；——标准正态分布函数。
)()(}{yy y y r Y Y Y m Y Y m P σ∆-Φ-σ∆Φ=∆+<<∆-r P )(yY σ∆Φ2（3）计算示例图2是一个继电器控制电路及其等效电路。
信号源的信号，经过继电器通向受控部件。
而继电器的触点由一控制线路操纵，该线路由电池、开关和继电器三部分组成。
试采用阶矩法分析继电器线圈电流的偏差范围。
30Ω900ΩR匹配电阻阻值33.33Ω100ΩR L 线圈内阻阻值20.67V 20V E 电源电压1均方差均值参数标识参数名称序号式中：、、、——线圈电流、电源电压、线圈内阻阻值、匹配电阻阻值的均值；、、、——线圈电流、电源电压、线圈内阻阻值、匹配电阻阻值的均方差。
（c ）计算线圈电流的均值和均方差，结果如下：，。
电子工艺设计实验报告
实验一Multisim10界面设置及原理图绘制〔2学时，验证型〕实验目的：1.熟悉Multisim10软件根本界面。
2.学习原理图绘制的根本操作。
3.学习Multisim10元件库的操作方法。
实验容：1.绘制单管放大电路：电管放大功能，可通过示波器观察波形变化，还可通过multisim分析出其静态工作点等数据。
2.绘制发光二极管驱动电路，并验证电路功能：当有时间脉冲时，两个与非门会交替产生高电平，从而使得两个小灯泡交替点亮。
3.绘制光柱显示电路，并验证电路功能：如果通过电压大于一个灯的截止频率，第一个灯亮起，如果大于两倍的截止频率第二个灯亮起，以此类推。
4. 绘制四位加法器电路，并验证电路功能：当J1接高电平时，加法器有效。
J2的开关相当于一个时间脉冲，同时传递到4个元件上。
当所有灯都亮起时，J1接低电平，J2由J2由低电平接到高电平，灯*1、*2、*3、*4，依次每次熄灭一个。
实现清零。
5．总线绘制练习，并用字信号发生器对74LS138进展输入，观察数码管的变化：通过字信号发生器产生一个由111到001循环的二进制数。
通过3 线－8 线译码器译码之后传到数码管上，每产生一个二进制数，数码管相对应的一段就亮起。
思考题：1.Multisim仿真软件的优点是什么？Multisim 侧重于模拟数字电路原理特性级仿真分析，不用真正的去连接电路就能实现电路仿真，节省了很多不必要的麻烦2.简述绘制一电路原理图的操作步骤。
①创立图纸、设置其大小②选取所需要的仪器③连线、讲仪器均匀分部于图纸上④电路仿真，验证电路的正确性⑤分析电路所能实现的功能3.虚拟元件和真实元件的区别是什么？使用时应该注意什么问题？虚拟元件就是理想化的元件，没有误差。
使用时应注意什么时候该用虚拟元件，如果用错了，电路实现不了功能，无法运行。
实验二Multisim10虚拟仪表使用〔2学时，验证型〕实验目的：1．熟悉元件库的使用2．熟悉虚拟仪表的使用实验容：1.信号发生器、万用表、示波器的使用2.探测器、逻辑分析仪、逻辑转换仪、字信号发生器的使用3.波特图仪的使用实验步骤：1.信号发生与示波器观察。
3-可靠性设计--容差分析
－－容差分析内容提要1。
概述参数、强度和应力离散性概念案例：参数设计不当导致故障6σ设计概念2。
容差设计途径与措施工作状态设计容差补偿设计容差灵敏度分析1概述电子元器件的参数有一定的离散性，会随着环境条件以及电源电压的变化发生漂移，还会随着储存和使用时间发生不可逆的分散与退化。
1概述参数分布随着储存和使用时间推移发生不可逆的分散与漂移。
即便应力分布不发生变化，强度与应力势必发生更多交叠。
意味着。
1概述辅助供电电压随着主路输出电流下降而降低，低到跟芯片的正常工作导致芯片工作异常。
还有温漂啊。
42台产品之XXXX供电与门槛电压数据12.212.412.612.81313.213.413.613.8141357911131517192123252729313335373941V1（V）V1V1门槛1概述随着储存和使用时间推移发生不可逆的分散与退化。
即便应力分布不发生变化，发生交叠。
意味着。
XXXX芯片不同温度下门槛电压V1随时间变化12.612.6512.712.7512.812.8512.912.951313.0513.10天3天6天9天11天12天15天17天20天23天25天常温23度零下10度零下15度零下20度正50度1概述1212.51313.501234f x ()g x ()x1212.51313.501234f x ()g1x ()x室温下，芯片门槛电压分布与电源辅助供电电压分布存在部分交叠，发生部分不良。
低温下，门槛电压中心值右移，门槛电压分布与与辅助电压分布交叠部分变大，不良率增加。
6σ设计的概念80年代末，Motorola公司在微电路产品开发、设计中,首先提出了6σ设计要求。
即要求参数规范范围为±6σ，其中σ为相应参数实际分布的标准偏差。
设计要求：6σ设计要求综合表征了设计水平和工艺水平。
要达到这一目标，一方面要从优化设计入手，使允许的参数规范范围尽量宽。
另一方面要采用先进设备和新技术，改进工艺质量，减小参数分散性，使σ尽量小。
HSpice在电路内部参数容差统计分析中的应用
HSpice在电路内部参数容差统计分析中的应用田武平;郭杰荣【摘要】提出一种基于HSpice的器件内部参数蒙特卡罗统计分析方法对电子电路进行仿真设计.针对PSpice软件只能采用特定库元件进行统计分析的局限性,研究HSpice蒙特卡罗分析的技巧、程序语句参数的设置、输出结果的判读等,解决基于高精度内部参数器件模型的电路性能仿真,给出应用该方法实现电路内部参数蒙特卡罗统计分析的仿真过程.可以有效地提高电路设计的准确性、可靠性和电子产品生产的合格率.实验表明这种方法可以对组成电路器件的任意参数进行蒙特卡罗统计分析,包括MOS管、运放等的模型内部参数,在优化电路设计中具有很高的实用性.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2008(031)018【总页数】4页(P13-16)【关键词】HSpice;蒙特卡罗;参数分布;优化电路【作者】田武平;郭杰荣【作者单位】湖南文理学院信息技术研究所,湖南,常德,415000;湖南文理学院信息技术研究所,湖南,常德,415000【正文语种】中文【中图分类】TN7101 引言在对电路进行容差分析时，一般采用2种方法：一是最坏情况分析，即当电路中所有元件参数都取其最坏的极端，分析其综合结果使电路特性指标能够达到的最坏偏差；二是蒙托卡诺分析,即在指定的容差分析范围内，随机地选取电路参数，再分析和计算电路特性指标的偏移范围。
目前最为通用的仿真软件是PSpice，它具有参数扫描分析、优化分析和蒙特卡罗统计分析等最优化设计功能，可以有效地提高设计的准确性和可靠性,提高电子产品的合格率[1，2]。
但是PSpice在进行上述统计分析功能时有2个主要的局限性：一是运行蒙托卡诺分析的前提条件是必须有元器件含有偏差属性，只能使用PSpice中专门提供的统计分析用的元器件BREAKOUT符号库。
在进行统计分析时，要考虑其参数变化的那些元器件必须改用BREAKOUT库中的符号。
二是对于集成电路广泛使用的MOS管，PSpice只能支持level1～5级的模型，对于实际工艺的level 28，49及以上模型均不能进行仿真[3]。
设备故障与维修术语
设备故障与维修术语1失效failure丧失完成某项规定功能的能力。
2反常abnormality偏离标准的状态。
3异常anomaly系统中的不规则或反常。
4功能异常abnormal function指设备的工作状况突然出现不正常现象，这是最常见的故障症状。
注：功能异常如：设备启动困难、启动慢，甚至不能启动；设备突然自动停机；设备在运转过程中功率不足、速率降低、生产效率降低；设备运转过程中突然紧急制动失灵、失效等；这种故障的征兆比较明显，所以容易察觉。
5征兆sign信号的特征参数，它表明有关状态的信息。
对比：症状symptom 6报警alarm当遇到选定的参数或其逻辑组合异常，要求采取纠正行动时，用于通知人员而设计的运行信号或信息。
注：报警是比预警更严重的异常区间，而且宜用红色指示识别。
7虚警false alarm机内测试或其他监测电路指示有故障而实际上不存在故障的现象。
注：机内测试指系统或设备自身具有的检测和隔离故障的自动测试功能8故障failure当机器的一个部件或组件劣化或出现可能导致机器失效的反常状态时，不能执行规定功能的状态。
注1:故障可以是失效的结果，但未失效的也可能存在故障。
注2：机器在工作过程中，因某种原因“丧失规定功能”或危害安全的现象。
“产品”可以是元件、零件、部件、系统或设备。
“规定功能”是指在产品的技术文件中明确“规定的”功能。
“失效”有时也被称为“故障”。
但是，故障往往是可以修复的。
注3：按设备浴盆曲线，故障可划分为：早期故障期、偶发故障期和耗损故障期。
1）、早期故障期，亦称磨合期，该时期的故障率通常是由于设计、制造及装配等问题引起的。
随运行时间的增加，各机件逐渐进入最佳配合状态，故障率也逐渐降至最低值。
2）、偶发故障或随机故障期的故障是由于使用不当、操作疏忽、润滑不良、维护欠佳、材料隐患、工艺缺陷等偶然原因所致，没有一种特定的失效机理主导作用，因而故障是随机的。
3）、机械长期使用后，零部件因磨损、疲劳，其强度和配合质量迅速下降而引起的，其损坏属于老化性质。
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电路容差分析在设计中的应用
作者：石永山， 王飞， 刘铭， SHI Yong-shan， WANG Fei， LIU Ming
作者单位：石永山,刘铭,SHI Yong-shan,LIU Ming(海军驻锦州地区军事代表室,辽宁,锦州,121000)，王飞,WANG Fei(东北电子技术研究所,辽宁,锦州,121000)
刊名：
光电技术应用
英文刊名：ELECTRO-OPTIC TECHNOLOGY APPLICATION
年，卷(期)：2010,25(6)
1.罗廷孝;郑鹏洲可靠性设计与分析 1997
2.曾声奎系统可靠性设计分析教程 2006
3.黄进咏;莫郁薇装备质量与可靠性问题的应对措施[期刊论文]-电子产品可靠性与环境试验 2008(05)
1.张尚珠.王海波.ZHANG Shang-zhu.WANG Hai-bo容差分析中器件建模技术的探讨[期刊论文]-电子产品可靠性与环境试验2007,25(3)
2.尹海丽.李志敏.YIN Hai-li.LI Zhi-min非齐次特征值的盖尔圆盘放大与缩小的方法[期刊论文]-青岛理工大学学报2006,27(6)
3.郭增欣电子产品可靠性设计中的潜电路分析[期刊论文]-电子产品世界2008(1)
4.魏文博容差分析和设计方法研究[学位论文]2005
5.李茜.肖素娟.李建辰.白志科.LI Qian.XIAO Su-juan.LI Jian-chen.BAI Zhi-ke一种接收系统电路容差分析研究[期刊论文]-舰船科学技术2010,32(3)
引用本文格式：石永山.王飞.刘铭.SHI Yong-shan.WANG Fei.LIU Ming电路容差分析在设计中的应用[期刊论文]-光电技术应用 2010(6)。