第11周：PSpice AA——优化设计

图11.2 本期实例电路

一个电路设计中包含有很多个元器件，但是其中只有部分元器件参数对电路特性影响较大，我们在灵敏度分析中称之为关键器件，在Optimizer工具中将其称为可优化参数（Optimizer parameters）,或者称为可调整的参数。这些参数一般为下述四种类型：

• 元器件值：比如电阻的阻值

• 元器件的其他属性参数：比如电位器抽头位置的参数set

• 由元器件值或是其他属性参数组成的表达式

• 器件模型参数：比如双极性晶体管的电流放大倍数Bf

  
  

调用Optimizer工具时，用户需要指定电路中哪些是可优化参数，以及这些参数值的允许调整范围。如果没有指定调整范围，系统默认的调整范围是元器件标称值的0.1 ~ 10倍。

优化过程中要求达到的电路特性称为优化指标（Specification），例如电路的带宽大于100MHz，或是图11-2的稳压电路要求最大输出电流不超过190mA，这都属于优化指标。

根据在优化过程中所起作用程度不同，优化指标可以进一步分为下述两类：

• 一类是希望通过优化尽量满足的优化指标称为目标函数；

• 还有一类是在优化过程中必须达到的优化指标称为约束条件。

优化过程就是确保在满足约束条件的情况下，尽量改善目标参数的性能，从数学角度看，就是在一定约束条件下，求目标函数的极值问题。

图11.3 电阻终端连接器

显然这里R1和R2的阻值就是可优化参数，使用Optimizer工具优化时，对于目标函数和约束条件可以有三种方式：

• 认为Vo和Ro同等重要，建立两个目标函数；

• 认为Vo最重要，设置Vo为约束条件，Ro为目标函数；

• 认为Ro最重要，设置Ro为约束条件，Vo为目标函数。

由于Optimizer工具要求至少要有一个优化目标，所以不存在Vo和Ro均为约束条件。

当然图11-3使用这三种方式都能得到同样的解:R1=133.3欧，R2=400欧。然而大部分设计问题不会只有一个确定的解，而是在约束条件下，其解是一个与目标值误差最小的设计值。因此约束条件和目标函数选择的不同，电路优化设计的最终结果是不完全相同的。

Optimizer工具采用多种优化算法，又称为优化引擎。在Optimizer工具窗口下执行Edit → Profile Setting，打开图11-4所示对话框，在Optimizer标签页显示了与优化算法相关的参数设置。

“One Goal”栏表示单目标函数时是选择最小二乘法还是直接最小算法（导数法）。而多目标函数均用最小二乘法，其中又分为改进的最小二乘法（MLSQ）、随机引擎（Random）和离散引擎（Discrete），可在图11.4标红的下拉菜单中选择。

上述三种优化算法的具体功能参数在实际应用中一般不用改动，均采用默认值就能很好完成优化任务。若有特殊要求，可以根据实际设计要求调整。在实际优化过程中，通常是几个优化算法结合起来综合使用，一般选用的顺序是：首先随机引擎，然后是改进最小二乘法，最后是离散引擎。其中运用最广的是改进的最小二乘法。

Optimizer的操作是在延用了上一期灵敏度分析的实例和操作步骤，即在调用Capture软件完成电路原理图绘制，并通过PSpice AD的模拟仿真，如图11.1所示的Optimizer设计流程中完成了第1~4步。同时还利用灵敏度分析工具分析得到影响电路特性函数最关键的元器件。

图11.6是上一期得到的结果。可以看出两个特性函数中R1、R2、R3的灵敏度值都比较大，所以选中R3，并按下Ctrl键后点击选中R2和R1，最后右键选择Send To Optimizer，就可以将这三个元件传递给优化工具，作为优化参数，同时也就调出图11.7的Optimizer界面。

图11.8 更改元器件参数范围

Optimizer工具采用“电路特性规范参数（Standard）”和“波形曲线（Curve Fit）”两种方式描述优化指标参数要求。本节先介绍第一种方式，下一节介绍第二种。

电路特性规范参数指定了要优化的电路性能指标。用户需要在Specifications表格中添加供Optimizer调用的电路特性函数，添加方法跟上一期灵敏度分析调用电路特性函数方法相同。点击“Click here to import a measurement created within PSpice…”添加电路特性指标函数。如图11.9所示。

图11.9 设置电路特性函数的Specifications表格

Specifications表格中有12列：

• 第1列为选中标志，第2列是运行状态标志，小绿旗表示运行正常，小红旗表示运行出错；

  
  

• 第3列中包含两项设置，左侧的方块状图形，只有选中呈现对勾，优化设计才将该行描述的电路特性函数作为优化指标。再次单击则会去除选中的标记。右侧的小图标选中，上面出现有彩色小框，表示位于窗口左上方的Error Graph误差显示区会动态画出优化进程，如果再次单击，图标呈现只有坐标轴没有彩色小框，则Error Graph图表中不再显示该行电路特性在优化过程的变化情况；

  
  

• 第4列“Profile”描述该行电路特性对应的模拟分析类型；

  
  

• 第5列“Measurement”说明该行电路特性的名称和函数表达式；

  
  

• 第6列和第7列用于指定该电路特性优化指标的最小值和最大值；

  
  

• 第8列“Type”用于设置该行电路特性在优化过程中是作为目标参数(Goal)还是作为约束条件(Constraint)。只要单击该单元格，会出现下拉菜单，用户可以选择Goal或Constraint。在优化过程中，将在确保满足约束条件的情况下，使目标函数尽可能接近目标要求；

  
  

• 第9列“Weight”用于给不同的电路特性赋予不同权重。Weight设置值应该是大于等于1的正整数。如果想要强调某个电路特性比其他电路特性更加重要，可以改变Weight栏的权重数值。选择合适权重的最好方法通常是试探法。选择一个权重后在Error Graph中查看优化结果，如果某个电路特性函数的优化结果不理想，可以将该电路特性设置更高的权重值，再重新运行，直至得到期望的结果；

  
  

• 第10列“Original”显示的是每个元器件均采用标称值时的电路特性值；

  
  

• 第11列“Current”显示电路特性函数“当前值”。如果优化过程顺利完成，各项优化指标均满足设计要求，“当前值”就是优化得到的电路特性值；如果优化未能取得期望的结果，这时“当前值”就是优化结束时的电路特性值；

  
  

• 第12列“Error”显示的是优化结束后电路特性当前值与优化指标值之间的差距。如果正常完成优化过程，取得期望的结果，则Error一栏显示值为0%。

因为本例中原本设计要求是输出电压为9V +/- 5%，最大输出电流不超过190mA。在上一期中可以看出已经基本能满足设计要求，这里希望用Optimizer工具能进一步优化，提出输出电压变化范围缩小到1%，也就是输出电压约束在8.91V至9.09V之间，输出电流设为目标，希望不超过180mA。

因此在Max(V(out))行的Type列下拉菜单选为约束（Constraint），作为约束条件。Max(I(RL))输入最大值为180m，保持Type为目标(Goal)，作为目标函数。这样的设置表示优化工具运行是要实现在确保输出电压在8.91V至9.09V之间的条件下，使得输出电流尽量不超过180mA。

按照默认设置，选择改进的最小二乘法(Modified LSQ)，如果优化失败，可以选择随机引擎(Random)后再选改进最小二乘法(MLSQ)。如图11.10所示。

图11.12 使用离散引擎的优化结果

在进行优化设计分析时，除了前面介绍的电路特性函数作为优化目标外，还可以采用曲线作为优化指标，运用曲线拟合的方法，使优化设计结果与目标曲线要求相吻合。

本节使用有源带通滤波器电路为例，进行交流扫描分析，利用Optimizer优化该电路的幅频特性和相频特性曲线。

图11.16 有源带通滤波器的优化目标曲线

使用曲线拟合方法优化电路是采用一组数据描述的参考波形作为优化目标。所以首先就要建立描述参数波形的数据文件，即曲线拟合的参考文件。使用记事本等文本编辑器就可以。

曲线拟合参考文件的格式要求第一列描述的是变量参数，第二列开始，每一列描述一个参考波形。参数文件的第一行为标题行，说明每一列的相关内容，其中标题行采用的名称由用户自行规定。在设置曲线拟合的规范目标时，将采用标题行名称来制定相应的参考波形。若使用者没有确定标题行名称，根据PSpice规定，从参考文件的第二列开始，每一列默认名称依次为Column_1（实际位于参考文件的第二列）、Column_2……

图11.17中，参考文件的第一列描述的是变量参数“Frequency”;第二列描述输出信号相位“PHASE”的参考波形数据；第三列描述输出信号增益“Max”的参考波形数据。参考文件设置完后，最好保存在当前电路设计目录下，供设置曲线拟合优化目标时调用。

图11.17 曲线拟合参考文件

和第二节中启动Optimizer工具方法相同，在Capture窗口中选择PSpice→Advanced Analysis→Optimizer命令，打开Optimizer工具窗口。然后选择点击左下角的“Curve Fit”标签页，得到曲线参数的调整表格，如图11.18所示。

图11.18 曲线拟合的表格区

图11.18共含10列（与2.2节相同的列就不赘述了）：

• 第3列“On/Off”中包含三项，前面两项和2.2节优化电路特性相同，第三项的作用是在优化工程中动态显示优化工程中实际波形曲线与曲线拟合规范的进程，若用户希望在Probe窗口动态显示待优化的波形和描述优化目标的参考波形之间偏差的变化情况，可通过点击第三项的图形成如下红框所示；如果不要实时显示，可以再点击一次，该图标就变为只有坐标轴无图形：
  

• 第5列“Trace Expression”：表示曲线拟合规范的波形表达形式，用户可以通过点击“Click here to enter a curve-fit specification…”文本所在行，在弹出的对话框中创建满足设计要求的波形曲线表达式

  
  

• 第6列“Reference txt”：指定参考文件的名称和所在路径，单击该单元格，在打开的对话框中根据存放参考文件路径，添加相应的波形参考文件

  
  

• 第7列“Ref. Waveform”：用于指定参考文件中曲线拟合目标采用哪一列数据描述参考波形。点击该栏单元格，会出现下拉菜单，其中会列出参考文件中的所有波形名称，选择所需即可

  
  

• 第8列“Tolerance %”：表示相对容差，容差值确定了优化完成的标准

  
  

• 第9列“Weight”：设置权重，其值是大于等于1的正整数，用来设置不同曲线拟合要求的优先级，权重值越大优先级越高，该项只对MLSQ算法有效，并且只有当存在多个曲线拟合规范时才有意义

  
  

• 第10列“Error”：显示误差值，优化过程中，实际模拟波形与优化目标值之间的差距变化。该栏显示的并不是优化结果波形与参考波形之间的均方根误差值，而是均方根误差与Tolerance栏指定的相对容差值之差，均方根误差小于相对容差值，则Error栏显示结果为0，表示已满足设计要求，而不是说实际优化结果波形与参考波形完全符合，没有任何偏差。

所有元器件参数及曲线拟合规范设置完成后的Optimizer工具窗口如图11.19所示.

图11.19 元器件参数及曲线拟合规范设置

所有曲线拟合参数设置完成后，在Optimizer工具窗口选择MLSQ引擎并执行Run命令，启动曲线拟合优化设计进程，优化结果如图11.20所示。