OrCAD的電路優化設計

ORCAD是由美國ORCAD公司于八十年代末推出的EDA軟件，每天都會有百萬計的電子工程師、PCB設計師在使用。它是世界上使用最廣的EDA軟件，相對于其它EDA軟件而言，它的功能也是最強大的，由于ORCAD軟件使用了軟件狗防盜版，因此在國內它并不普及。但是它以其良好的人機交互性能，完善的電路模擬、仿真、設計等功能，已成為微機級EDA的標準系列軟件之一。本文基于OrCAD/PSpice9的電路優化設計方法，通過實例分析了有源濾波器的優化設計過程。

　　一、OrCAD/PSpice9軟件的特點
　　OrCAD/PSpice9不僅可以對模擬電路、數字電路、數/模混合電路等進行直流、交流、瞬態等基本電路特性的分析，而且可以進行蒙托卡諾（Monte Carlo）統計分析，最壞情況（Worst Case）分析、優化設計等復雜的電路特性分析。相比PSpice8.0及以前版本，具有如下新的特點：

　　1 改變了批處理運行模式。可以在WINDOWS環境下，以人機交互方式運行。繪制好電路圖，即可直接進行電路模擬，無需用戶編制繁雜的輸入文件。在模擬過程中，可以隨時分析模擬結果，從電路圖上修改設計。
　　2 以OrCAD/Capture作為前端模塊。除可以利用Capture的電路圖輸入這一基本功能外，還可實現OrCAD中設計項目統一管理，具有新的元器件屬性編輯工具和其他多種高效省時的功能。
　　3 將電路模擬結果和波形顯示分析兩大模塊集成在一起。Probe只是作為其中的一個窗口，這樣可以啟動多個電路模擬過程，隨時修改電路特性分析的參數設置，并可在重新進行模擬后繼續顯示、分析新的模擬結果。
　　4 引入了模擬類型分組的概念。每個模擬類型分組均有各自的名稱，分析結果數據單獨存放在一個文件中，同一個電路可建立多個模擬類型分組，不同分組也可以針對同一種特性分析類型，只是分析參數不同。
　　5 擴展了模型參數生成軟件的功能。模型參數生成軟件ModelED可以統一處理以文本和修改規范兩種形式提取模型參數；新增了達林頓器件的模型參數提取；完成模型參數提取后，自動在圖形符號庫中增添該器件符號。
　　6 增加了亞微米MOS器件模型EKV2-6。EKV2-6是一種基于器件物理特性的模型，適用于采用亞微米工藝技術的低壓、小電流模擬電路和數/模混合電路的模擬分析。

　　二、 電路優化設計
　　所謂電路優化設計，是指在電路的性能已經基本滿足設計功能和指標的基礎上，為了使得電路的某些性能更為理想，在一定的約束條件下，對電路的某些參數進行調整，直到電路的性能達到要求為止。OrCAD/PSpice9軟件中采用Pspice Optimizer模塊對電路進行優化設計，可以同時調整電路中8個元器件的參數，以滿足最多8個目標參數和約束條件的要求。可以根據給定的模型和一組晶體管特性數據，優化提取晶體管模型參數。

　　1 電路優化基本條件
　　調用Pspice Optimizer模塊對電路進行優化設計的基本條件如下：
　　電路已經通過了Pspice的模擬，相當于電路除了某些性能不夠理想外，已經具備了所要求的基本功能，沒有其他大的問題。
　　電路中至少有一個元器件為可變的值，并且其值的變化與優化設計的目標性能有關。在優化時，一定要將約束條件（如功耗）和目標參數（如延遲時間）用節點電壓和支路電流信號表示。
　　存在一定的算法，使得優化設計的性能能夠成為以電路中的某些參數為變量的函數，這樣Pspice才能夠通過對參數變化進行分析來達到衡量性能好壞的目的。

　　2 電路優化設計步驟
　　調用Pspice Optimizer進行電路優化設計，一般按以下4個步驟：
　　(1) 新建設計項目，完成電路原理圖設計。這一i的關鍵是在電路中放置OPTPARAM符號，用于設置電路優化設計過程中需要調整的元器件名稱及有關參數值；
　　(2) 根據待優化的特性參數類別調用Pspice A/D進行電路模擬檢驗，確保電路設計能正常工作，基本滿足功能和特性要求；
　　(3) 調用Pspice Optimizer模塊，設置可調整的電路元器件參數、待優化的目標參數和約束條件等與優化有關的參數。這一i是優化設計的關鍵。優化參數設置是否合適將決定能否取得滿意的優化結果；
(4) 啟動優化迭代過程，輸出優化結果。
電路優化設計的過程框圖如圖1所示。

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　　3 電路優化設計實例
　　濾波器電路如圖2所示。優化目標要求中心頻率（Fc）為10Hz；3dB帶寬(BW)為1Hz，容差為10%；增益（G）為10，容差為10%。