第６章电路优化设计

YANGTZE NORMAL UNIVERSITY

物理学及电子信息工程系 6 电路优化设计

第６章电路优化设计　如前所述，电路模拟对给定的电路只能起到设计验证的作用，即只能证明该电路是否满足设计要求，但这种电路是否为最佳的设计，则不得而知。如果在电路模拟以后，再调用电路优化模块(Pspice Optimizer) ，就可以自动调整元器件参数设计值，使模拟电路和数 / 模混合电路的特性得到改善，实现电路的优化设计。６ ·1 概述6·1·1 电路优化设计1. 什么是电路的优化设计　电路的优化设计是指在电路设计已基本满足功能和特性指标的基础上，根据要求的电路特性约束条件 (Constraints)( 例如要求电路的延迟时间不能大于某一值 ) ，调整电路中的元器件参数 ( 例如调整偏置电阻 ) ，使电路指标要求 (Performance Goal ，又称为目标参数 )( 例如电路的功耗 ) 为某一数值。



2. 优化指标约束条件和目标参数都是在优化过程中必须满足的要求，因此又统称为优化指标 (Specification) 。实际上，在进行优化时，约束条件和目标参数可以互换。例如，上面提到的优化问题也可以表示为 : 在电路功耗不能大于某一值的条件下，如何调整元器件参数，使电路的延迟时间为某一数值。在这里，电路功耗作为约束条件，延迟时间为目标参数。优化过程中，系统在处理这两种优化指标时，将给予约束条件更大的权重，用户可根据实际情况，选定一部分优化指标作为约束条件，另一部分作为目标参数。3· 电路优化设计过程电路优化设计，实际上是在约束条件限制下，不断调整电路中元器件参数，进行电路模拟迭代，直到目标参数满足优化要求。因此，进行一次优化将包括多次电路模拟。优化过程中，调整元器件参数 ( 包括确定参数的增减方向和调整幅度大小 ) 以及迭代过程中模拟程序的调用和结果判断，都是由优化程序自动进行的。



6.1.2 Pspice Optimizer 模块l. Pspice Optimizer 模块的功能 PSpice Optimizer 模块具有以下功能 :

(1) 对电路进行优化设计时，可以同时调整电路中 8 个元器件的参数，以满足最多 8 个目标参数和约束条件 ( 其中至少要有一个目标参数 ) 的要求。 (2) 根据给定的模型和一组晶体管特性数据，优化提取晶体管模型参数。这时，不存在约束条件。晶体管模型参数类比于电路优化设计中的元器件参数，晶体管特性数据类比于目标参数。优化提取的过程就是不断调整晶体管模型参数值，使得由晶体管模型计算得到的晶体管特性与测量值尽量接近。2· 调用 Pspice Optimizer 的前提条件为了顺利调用 PSpice 中的优化模块，取得优化设计的效果，被优化的电路应满足以下儿个条件 :

(1) 电路设计应己通过常规的 PSpice 模拟，实现了要求的功能。这就是说，只能对一个基本满足要求的电路进一步进行优化设计。如果电路设计与要求的功能和特性指标差距很大，调用优化设计模块很难取得预期的效果。



(2) 通过电路模拟只能给出节点电压和支路电流。在优化时，一定要将约束条件( 如功耗 ) 和目标参数 ( 如延迟时间 ) 用节点电压和支路电流信号表示。如 6·4 节所述，Pppice 已提供了一组 Goal Function 供选用，用户也可根据需要新建目标参数函数。 (3) 进行优化设计时，应对电路工作原理有较深入理解，才能确定应调整那几个元器件参数，使要求的电路特性达到最优。 (4) 对触发器一类电路，即便某些元器件参数值变化不大，也可能使电路状态在 ON和 OFF 之间突变。 Pspice Optimizer 对这种电路难以取得优化设计的效果。６ ·1·3 电路优化设计的步骤调用 PSPiPe Optimizer 进行电路优化设计包括下述 4 个阶段的工作 :

(1) 新建设计项目，完成电路原理图设计。其中关键问题是在电路图中放置OPTPARAM 符号，用于设置电路优化设计过程中需调整的元器件名称及有关参数值。 (2) 根据待优化的特性参数类别调用 PSpice 进行电路模拟检验，确保电路设计能正常工作，基本满足功能和特性要求。 (3) 调用 Pspice Optimizer 模块，设置可调整的电路元器件参数、待优化的目标参数和约束条件等与优化有关的参数。这一步是优化设计的关键。优化参数设置是否合适将决定能否取得满意的优化结果。 (4)启动优化迭代过程，输出优化结果。



6.2 Pspice Optimizer 程序的命令系统6.2.1 Pspice Optimizer 的启动 Pspice Optimizer 电路优化程序是 OrCAD软件系统中的一个功能模块，启动该模块的最简单方法是调用 OrCAD/Capture软件完成电路设计项目原理图绘制后，选择 Capture 的 Pspice主命令，从其下拉式子命令菜单中 (见图 6-1) ，选择执行 Run Optimizer子命令，调用 Pspice Optimizer 模块后，屏幕上将出现 Optimizer窗口，如图 6-2 所示。如果要对一个设计项目进行优化设计 ; 在绘制好电路原理图后，一定要在图 6-1 中选择执行“ Place Optimizer Parameters”-子命令，在电路图上放置 OPTPARAM 符号并设置优化过程中待调整的元器件名称和有关参数值。如果电路图中未放置OPTPARAM 符号，就无法对该电路进行优化设计，图 6-1子命令菜单中的 Run Optimizer子命令也将为灰色显示，不能被选择执行。



6.2.2 PspiceOptimizer 窗口结构由图 6-2 可见， Pspice Optimizer 的窗口区中包括 3 个区域。1· 优化指标显示区与指标信息显示框图 6-2 中带有 Specifications 小标题的区域为优化指标显示区。该区中每一个小方块代表一个约束条件或优化特性指标，称为指标信息显示框。Pspice Optimizer 最多可同时处理 8 个约束条件和优化特性指标。因此，该区域中最多可显示 8 个指标信息显示框。在刚刚调出 Optimizer 优化模块时，尚未进行优化运算，因此每个信息显示框未显示任何信息，如图 6-2 所示。2. 元器件参数调整信息显示框图 6-2 中带有 Parameters 小标题的区域用于显示优化过程中被调整的元器件参数信息。3. 优化信息显示区图 6-2 中最左边部分为优化信息显示区，如图 6-6 所示，包括 4 部分 :1) 目标参数误差指示器， 2）优化结果均方根 (RMS)误差， 3）迭代次数统计， 4）模拟次数统计



6·3 待调整元器件参数的设置调用 Pspice Optimizer 对电路进行优化的关键是设置好与优化有关的 3 类参数，即 : 待调整的元器件参数、目标参数和约束条件。本节和 6·4 节将结合一个简单的实例，详细介绍这 3 类参数的设置方法。本节介绍待调整元器件参数的设置、增添和修改方法。6.3.1 二极管偏置电流的优化确定 ( 例 ) 图 6-11 是一个简单的二极管电路。已知直流电源电压为5V ，二极管型号为 1N914 。现在的问题是如何优化确定电阻 Rl 阻值，使通过二极管的电流为 1mA( 士 5pA) 。由于二极管是一种非线性器件，因此采用手工计算方法将很繁杂，而且很难得到最优解。采用参数扫描分析方法，改变 Rl ，进行 DC 参数扫描分析，虽然也可以得到最终解，但是，需要进行的模拟次数较多，特别在 R1 变化范围较大而扫描步长又较小时。下面以图 6-11 所示的简单电路为例，说明优化参数的设置和电路优化的全过程。



6.3.2 在 orCAD/Capture 中设置待调整的元器件参数

0

V15V D1

D1N914

R1

{R1val}



双击

待调整元器件参数的设置



点击



6.4 　目标参数和约束条件的设置



点击



指定优化目标来自何处重权因子

指定优化指标的定量计算公式

指定电路特性分析类型文件

未选中表示是目标参数选中表示是约束条件



优化进度指示器

有三种分别对应于约束条件的“等于”、“大于”、“小

于”



6. ５优化设计过程的启动和结果显示分析



当优化指标满足时指示器由红变绿



6·6 优化设计实例1· 优化设计要求已知有源滤波器电路图如图 6-18 所示。要求的设计指标是 :

(1) 中心频率 (Fc) 为 10Hz 土 1% 。 (2)3dB带宽 (BW) 为 lHz 土 10% 。 (3) 增益 (Gain) 为 10 士 10% 。电路中的可调元件为 3 个电位器 Rgain 、 Rfc 和 Rbw 。电位器的关键参数是其滑动触点的位置，称为 SET ，显然 SET 值的范围为 0--1 。对图 6-18 滤波器进行优化设计的目的就是确定这3 个电位器的 SET 参数值，使上述设计指标得到满足。



2· 设计项目的建立和电路图绘制新建设计项目、绘制电路图、设置分析要求等操作均可按第二章介绍的方法进行。其中需要注意的问题有下面两点。 (1) 在图形符号库中电位器的符号名称为 pot ，是电位器英文名称 Potentiometer 的缩写。该元器件参数设置中有一项参数名称为 SET ，用于指定电位器滑动触点的位置，这也正是优化设计中有待调整的元器件参数。因此 3 个电位器参数设置中的 SET参数未给出具体数值，而分别设置为 aGain 、 aBW 和 aFC 。 (2)滤波器优化设计是交流小信号分析，因此分析类型设置为 : Analysis type: ACSweep/Noise AC Sweep Type: Logarithmic Start: 1 End: 100 Points/Decade: 100



3· 待调整元器件参数的设置为了进行优化设计，绘制好电路图后应在电路图中放置 OPTPARAM 符号并设置待优化的元器件参数。对图 6-18 所示滤波器电路，待优化调整的3 个参数为 aGain 、 aBW 和 aFc ，均为电位器的 SET 参数，因此可采用相同的设置，如图 6-19 所示。4· 优化指标的设置设置好待调整的元器件参数以后，调用 Pspice Optimizer并首先在图 6-2所示优化窗口中设置优化指标。按设计要求，滤波器电路要满足的优化指标有 3 个，即增益 Gain、中心频率 Fc 和带宽 BW 。现均作为目标参数，即图 6-18滤波器电路优化设计中没有约束条件。 PSpice 中提供的特征值函数包括有这 3 个函数，他们与图 6-18 中输出电压信号 V(out) 的关系为 Gain: max(v(out))

Fc: CenterFreq(vdb(out),1)

BW: Bandwidth(vdb(out),3)

因此，应根据优化设计要求和上述特征值函数定义设置这 3 个优化指标， " 表 6-1 中列出了主要参数设置值。图 6-20 具体给出优化指标 Gain的设置。另两个优化指标的设置情况与其类似。



电位器的符号名为：pot



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执行 Edit/Specification



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目标参数 : 中心频率为 1KHz约束条件 : 3db带宽小于 50Hz



目标参数



约束条件



执行 :Tunet/Updata performance 计算初始值

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