第6章 蒙特卡洛(Monte Carlo)工具的使用

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。