1988年SPICE被定為美國國家工業標準,但是SPICE需要在工作站上執行。Cadence的PSpice是可以在個人電腦上執行的程式,功能強大,可望加速電子設計的應用普及。

然而,如果PSpice設置不正確,所得到的執行結果可能不是真正的輸出,從而對軟體產生質疑。尤其是在汽車電子設計中,需要進行多種分析並考慮更複雜的參數添加。正確使用PSpice來設計和模擬電路需要遵循一定的規則,否則得到的模擬結果並非真正的「最差」,並因而導致設計結果出錯。

本文就實際設計案例(圖1)串聯整個過程,最後提出需要注意一些事項。

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圖1:二階巴特沃斯濾波器的電路。

設計要點1

在PSpice的「蒙地卡羅」(Monte Carlo;以機率統計理論為基礎的數值計算方法)分析和最差電路分析(WCCA)中需要調用PSpice中的break元件模型,它們在PSpice中的Breakout元件庫中(如圖2)。這和在Cadence/Capture中使用的模型(symbol)不一樣,如果不使用帶有break參數的元件,就無法實施Monte Carlo和WCCA分析。

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圖2:PSpice中的break元件模型。

設計要點2

圖1為例,採用二階的巴特沃斯(Butterworth)濾波器來做麥克風的輸入濾波。

在訊號的激勵端需要把訊號源的阻抗加在電路中,這樣才符合實際的電路;如圖1中的Rs_p和Rs_n均為訊號源的輸入阻抗(600Ω)。

在輸出級需要把負載的輸入阻抗加在電路中,如圖1中的R8000(60kΩ為PCM1808輸入級電阻的典型值)。

設計要點3

要把電路中的「隱藏通路」(Sneak Path)部份在電路模擬中體現出來,如圖1的C9703、C9720、L1、L2、R0001、R0002。其中,C9703和C9720代表實際電路中的分佈電容;L1和L2代表實際電路中的PCB分佈電感;R0001和R0002代表實際電路中PCB對於訊號的「隱藏」對地阻抗。

設計要點4

模擬參數的設置對於正確執行模擬結果至關重要。圖3為Monte Carlo分析的設置介面,但這些設置參數細節並不在本文討論範圍。值得注意的是在執行Monte Carlo分析時,必須一併設置溫度的變化要求(如圖4),這樣執行的結果才是真正的Monte Carlo分析。

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圖3:Monte Carlo分析的設置介面。

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圖4:在Monte Carlo分析時要把溫度的參數也設置進去。

設計要點5

針對圖1進行Monte Carlo分析,所需完整的模擬分析計畫如下:

  • 頻率回應(帶溫度);
  • -3dB頻寬;
  • -3dB低通截止頻率(cutoff frequency);
  • -3dB高通截止頻率;
  • 訊號雜訊比(SNR;帶溫度,@-40、+25、+85℃);
  • 波特圖(Bode plot;帶溫度,@-40、25、85℃);
  • YatX (Vadc/Vmic_in,1k);
  • 共模抑制比(CMRR)。

圖5是對模擬結果做的總結說明。

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圖5:頻率回應(在-40、25、85℃溫度下執行300次Monte Carlo模擬)。

可以看出在-40、25、85℃的溫度範圍內,濾波器的頻率響應曲線平坦。為了節約模擬的時間,本例子中選擇執行了300次。

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圖6:-3dB帶通(pass-band)頻寬Monte Carlo模擬分析。

執行了300次後可以看出來,頻寬的均值在12924.6Hz,最小值10621Hz,最大值16115.8Hz,這符合頻寬在10KHz以內的設計要求(圖6)。透過這種統計圖的方式可以清晰地看出輸出是否符合設計要求,非常直觀而且不容易出錯。

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圖7:-3dB低通截止頻率Monte Carlo模擬分析。

執行了300次後可以看出來,-3dB低通截止頻率均值在1300.8Hz,最小值10690Hz,最大值16204.3Hz,同樣符合頻寬在10KHz以內的設計要求(圖7)。

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圖8:-3dB高通(High Pass)截止頻率Monte Carlo模擬分析。。

執行了300次後可以看出來,-3dB 高通截止頻率均值在約78Hz,最小值67Hz,最大值94Hz,符合高通截止頻率在200Hz以內的設計要求(圖8)。

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圖9:訊號雜訊比(SNR,在-40、25、85℃溫度下)。

圖9是最差電路分析的輸出結果。之所以用最差電路分析,是因為它更能看出在邊界條件下電路的極限偏差,從而判斷電路是否在設計允許的範圍之內。從圖9可以看出在+85℃的條件下,在整個頻響範圍內還保持著94dB的SNR。同時也能看出在低溫下的SNR會變好,這是因為晶片中的熱雜訊和電阻的熱雜訊降低了,也就是說電路的雜訊層(Noise Floor)降低了,而SNR是個比值(訊號/雜訊),因此SNR變好了。

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圖10:波特圖(在-40、25、85℃溫度下執行300次Monte Carlo模擬)。

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圖11:YatX((Vadc/Vmic_in),1k)(在-40、25、85℃溫度下執行300次Monte Carlo模擬)相對於1kHz的偏移。在Monte Carlo分析時要把溫度的參數也設置進去。

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圖12:共模抑制比。

從模擬曲線可以看出在整個頻率回應範圍內都保持在70dB左右,這是可以接受的設計值。

注意事項:Monte Carlo分析主要的目的就是分析元件誤差對電路特性的影響程度。一般而言,元件的誤差分佈狀態均呈現一種高斯曲線(Gaussian)的形式(所謂高斯曲線的形式就是像一座山的形狀,中間凸起而兩邊平緩下降的曲線)。因此需要在Monte Carlo分析中將亂數設置成高斯曲線分佈(如圖3),所得到的統計結果將更接近真實情況。

隨機產生器的種子值(Random number seed),可以自己選擇從1到32767間的奇數,如圖3中的種子值是11。由於軟體所產生的亂數順序每一批都會一樣,因此模擬結果會和本文的模擬結果一樣。