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技术背景
容差分析是当前电子可靠性设计中最先进…番外13使用ADS进行容差分析蒙特卡洛分析、灵敏度分析、良率分析、良率优化以带通滤波器设计为例
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技术背景
容差分析是当前电子可靠性设计中最先进的技术之一代表着电子可靠性设计的一个重要发展方向。蒙特卡洛分析是容差分析的一个主要技术。它是分析电路器件在误差情况下电路性能会不会超过电路性能的规格要求。
简单来说电路里面的大部分器件器件比如说电容电阻都会有一定的的误差比如说5%但是这些误差的组合会对最终的性能产生怎样的影响呢众所周知这是一个小概率问题但对于成批次、成产量出货的产品这样的误差是需要被专门分析的一般大公司或者质量要求高的产品在设计时都会被要求做容差分析在此介绍使用ADS进行容差分析的方法。
1、设计指标
假设在此我们需要设计一个带通滤波器滤波器的主要性能指标如下所示 截止频率18MHz 通带19.5MHz 通带210.5MHz 截止频率212MHz 通带波纹0.5dB 阻带衰减20dB
假设设计使用的集总参数元器件的误差为5%事实上对于大多数常见的贴片器件这个5%的误差是非常合理的。
2、带通滤波器设计
先按照要求设计一个带通滤波器新建原理图并命名为BasicFilter在库中找到Filter DG - ALL选项并打开 找到其中的带通滤波器设计模组并插入到原理图中DT 对于插入后的元器件合理设置其参数具体要求按照上面的设计指标来就行 插入相关的仿真控件主要是S参数控件并设置其仿真频率 在菜单栏选中DesginGuide找到Filter选项并打开 选择第一个Filter Control Window选项点击OK 选择第二个选项卡Filter Assistant默认打开时Overview点击Design按钮即可 等待几秒钟后设计就完成了虽然表面看不出啥但是点击按钮深入到器件中查看 可以发现电路中已经存在相关的电阻电容了 回到上一层点击仿真按钮可以看到理想情况下的仿真结果如下性能好像不错
3、容差分析此处使用蒙特卡洛分析
新建一个原理图命名为MonteCarlo_Filter将之前设计好的电路放进去并插入相关的S参数控件 从Optim/Stat/DOE选项中寻找相关的仿真控件MC蒙特卡洛缩写插入后需要设置蒙特卡洛控件的相关参数如下所示 其中Numlter设置成了100代表一共分析100次在开始仿真之前还需要设置器件的误差范围双击器件并点击Tune/Opt/Stat/DOE Setup按钮 使能Stattistics并设置误差5% 设置完成后点击仿真查看结果可见器件误差对电路的最终性能影响较大频率偏移、匹配性能波动但是图中看不太清除具体性能 构建如下的观察视窗观察10MHz时的S11和S21性能发现蒙特卡洛分析表示在第33次和第74次实验中性能较差在此时10MHz时的S11大于-1dBS21小于-6dB电路功能几乎完全丧失了 移动鼠标滑钮查看第33次实验结果和其对应的电阻电容的数值 可见电路性能在实际的大规模生产时可能问题很大。
4、良率分析与良率优化
从Optim/Stat/DOE选项中寻找相关的仿真控件YIELD SPEC和YIELD控件注意到注释掉原来的蒙特卡洛分析控件还要合理的设置YIELD SPEC和YIELD控件的数值观察下面的YIELD SPEC控件此处设置为在9.96MHz到10.1MHz处S11小于-10dB的器件为良好器件实际上这个要求已经非常低了 运行仿真可见在器件误差5%的情况下整个带通滤波器的良率为20%。这是非常恐怖的因此在实际设计时应该充分留有余量比如说我上面的指标如果将通带范围设置为8MHz到12MHz器件的S11良率性能可能要好不少 下面进行良率的优化从Optim/Stat/DOE选项中寻找相关的仿真控件YIELD ORTIM…控件插入后如下所示可见设置的良率的优化次数为100 在运行良率优化前需要设置器件Optim在此设置器件的优化范围为50% 点击仿真运行良率优化值得注意的是每次运行良率测试得到的结果可能并不一致因为实际上这是一种随机实验而已最终得到的结果可见初始的良率为12.8%优化后为27%这边看似误差比较大实际上可以通过增大实验次数使其收敛但是这样运行比较慢在此就不专门演示了 对于优化后的结果可以在Simulation中的相关选项进行更新如下所示
5、灵敏度分析
注释掉良率分析相关的控件从Optim/Stat/DOE选项中寻找相关的灵敏度分析控件插入和如下所示 其中Goal需要专门设置此处测量的是电路在10MHz时S11-10dB要求下的灵敏度运行仿真 可见C1、C3、L1、L3对电路的S11性能贡献较大。
6、结论
设计时留有余量确保万无一失
