第6章 蒙特卡洛(Monte Carlo)工具的使用
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第6章蒙特卡洛(Monte Carlo)工具的使用
PSpice一直重视所设计的电路,要能适合于批量生产的需要。现在PSpice10.3单独设立Monte Carlo工具,使这一项工作得到加强。本章先简介容差分析的基本概念,其后重点介绍Monte Carlo工具的使用方法。
6.1容差分析
前几章所述电路分析法时,已经提过只将元件视作理想元件按标称值进行分析是不全面的。实际上,由于生产工艺的不同或老化等原因,元件值与理想元件值(称为标称值)之间,都存在一定的偏差。比如,标为1kΩ 的电阻,如果偏差为±10%,那么实际元件值可能是在1.1kΩ~900Ω之间的某一值。设计者不仅需要分析当电路元件为标称值的电路响应,还需分析当电路元件值在一定范围内变动时电路响应所发生的变化。所谓容差分析就是研究元件参数值的变化(公差)对电路特性的影响(公差);或者相反,由给定的电路特性的公差,求元件参数值的公差。一般来说,保证电路在性能指标范围内,尽可能地扩大元件的容差范围以便降低成本,这是设计者几乎天天必须考虑的问题。
6.2 蒙特卡洛(Monte Carlo简写为MC)法
前面关于电路参数灵敏度的计算,反映了电路参数的改变对电路特性影响的大小,这对设计人员来说无疑是重要的。然而很多情况下,并不能确切知道各个参数的实际改变量,而只是知道各个参数的随机分布规律或者是变化范围。在这种情况下,怎样来分析电路特性的随机分布规律或者它的相应变化范围,这就是容差分析所要讨论的问题。由于这种不确定性,容差分析一般用概率统计分析,而且多用蒙特卡洛法。
在计算机上进行蒙特卡洛分析时关键在于用计算机产生随机数。然后用一组一组的随机数对各元件取值。元件的分布规律有:
1. 均匀分布(FLAT)
任一元件值在容差的上下限范围内以相等的概率出现,该类元件值为均匀分布。又因其元件偏差和出现频率图为距形,所以也称距形分布,实际上,这种分布是很少的,因为它很简单。PSpice中用―DIST‖设置元件值的分散
性其默认值就是FLAT。
2. 正态分布或称高斯(GAUSS)分布(常用)
3. 双峰分布(BSIMG);即在正负容差边界处出现的概率最大。
4.斜峰分布(SKEW):即在正、负容差两个方向出现的概率不相等。
5. 自定义分布
若想得到构成电路元件的准确分布,就必须进行实际测量以便取得精确数据,即测试和模拟相结合才能取得良好效果,这一点请读者留意。
蒙特卡洛法优点是:对各种广泛问题都适用,并且十分灵活;该法也是在复杂条件下得到一个现实解的唯一可行的方法。不足之处是当电路模型不精确或者所用的概率分布不准确,这种计算将存在各种固有的误差。
6.3 蒙特卡洛(Monte Carlo)工具的工作流程
Monte Carlo 工具的工作流程,如图6-3所示。
在MC分析工作流程图中:
1.调用Capture绘制电路(与第4章相同);
2.调用PSpice进行电路特性模拟(与第4章相同);
3.确定电路特性函数(与第4章相同);
4.检验电路特性函数模拟结果(与第4章相同);
5.在Monte Carlo窗口中,设置MC电路特性函数,预测生产成品率;
6.在Monte Carlo窗口中,设置MC分析选项参数;
7.运行MC 分析工具;
8.判断成品率是否满足批生产要求?
9.否,修改元器件参数值、修改参数分布或者修改参数容差;
10.是,已满足,转10打印输出、11保存结果
由上述操作可以看出,应用Monte Carlo 工具的第1-4,7步相对来说比较的简单,其中关键步骤是第5,6,8步的设置,这也是关系到分析的最终结果。这一章仍以射频放大器电路为例,进行交流模拟分析。
6.4 Monte Carlo分析参数设置
6.4.1分布参数的设置
在调用Monte Carlo工具前,先要对元器件容差的分布参数进行设置。对于无源元器件电阻R、电容C等最常用的元件,可连击元件符号后,出现如图6-4所示元件属性编辑框
在DIST(分布参数设置)栏内视分析需要自行填写:FLAT平均分布(默认值)、GAUSS高斯分布、BSIMG双峰分布、SKEW偏锋分布。确认选择后保存,系统就会按使用者自行设定的分布参数类型进行Monte Carlo分析。
而对于二极管、三极管等有源元器件可以选中器件后,在点击右键的快捷菜单中通过模型参数编辑器(Edit PSpice Model)进行参数设置,以双极性结型场效应管为例说明,如图6-5所示。
在图6-5中,在Postol 和Negtol两列中设置了相应元器件的正负容差后,Distribution(分布参数)一栏即自动加载系统默认的参数分布类型:FLAT(均匀分布),用户可以根据实际电路设计的需要,在下拉菜单中选择需要
的分布参数类型。
6.4.2与Monte Carlo分析相关参数的设置
在Monte Carlo窗口单击Edit/profile Settings子命令,出现如图6-6所示与Monte Carlo分析相关的参数设置对话框。
图6-6中:
1.Number of Runs: 设置Monte Carlo分析次数。默认值为10 。第一次为标称值分析,然后按分布参数随
机改变元器件值,重复进行分析。Monte Carlo工具对分析次数的多少无限制,取决于综合精度和运行时间两方面依题而定。运用的实例中分析次数设置为200次。
2.Starting run number: 设置按分布参数随机改变元器件值的顺序号。此号自动产生。默认值为1,即从标
称值开始,若不动即每次皆从头开始;若改动,比如改成56即从56次开始重复地进行分析,不必从头开始。
3.Random seed value: 设置随机改变元器件值的不同顺序号。
4.Number of bins: 设置电路特性函数直方图区间数。典型值为运行次数的10%。最小值为1。
6.4.3确定电路特性函数
通常经优化转过来的电路,其电路特性函数已经确定。在这里只是进一步确定而已。如想要调整也要谨慎从事。启动Monte Carlo工具的方法如图6-7所示。