第16讲考试与 Optimizer 工具与电路优化设计.docx

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第16讲考试与Optimizer工具与电路优化设计

2015年电路优化设计课程开卷作业（考试）

一.综述与翻译报告（2选1,80分）

1.电路或集成电路优化设计技术综述。

文献大于20个，主要近期英文，最少20页报告；

2.近5年集成电路优化设计技术两篇文章翻译,自己找.每篇最少6页,交中英文；

二.集成电路优化设计上机报告（2选1,20分）

1.在运放、比较器或滤波器中，选2个主要参数，用Oracd/Pspice、或cadence/Hspice做最优化设计。

附件给出了OrCAD优化设计的详细步骤。

2.针对一个大点的数字电路，例如I2C接口电路（我的书上有）,选2个主要指标，用Oracd或Cadence做最优化设计。

三.附加选择题（20分，CAD所学生必须做，时间可稍长）

1.设计一个完整的带隙基准模拟集成电路模块，报告大于30页word格式文件；交word加PPT。

同本课程姚裕做和讲的。

2.设计一个完整的I2c数字集成电路模块，报告大于20页；同本课程吴子琴、陈勇做和讲的。

第16讲

Optimizer工具与电路优化设计

1．1电路优化设计的步骤

1、调用Optimizer工具进行电路优化设计的步骤

（1）绘制电路图。

（2）按照通常的电路模拟方法运行Pspice模拟仿真程序，并检查电路功能特性是否满足设计要求。

（3）在Capture中选择执行Pspice/AdvanceAnalysis/Optimizer命令，调用Optimizer工具。

（4）指定在优化过程中可调整的电路元器件参数。

（5）指定代表优化指标的优化指标参数和约束条件。

（6）选择优化引擎。

（7）在Optimizer窗口中执行Run/StartOptimizer命令，启动Optimizer分析。

（8）查看、分析Optimizer的结果

（9）打印输出

2、调用优化工具Optimizer的前提条件

为了调用Optimizer工具取得优化设计的效果，被优化的电路应满足以下几个条件：

（1）电路设计应已通过常规的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。

（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。

（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。

1．2设置待优化调整的元器件参数

调用Optimizer工具进行电路优化的关键是设置好与优化有关的3类参数，即：

要求达到的电路特性目标参数和需要满足的约束条件、为了达到优化要求允许优化工具可以调整其值的元器件参数、以及选用合适的引擎。

为了进行电路优化设计，用户可以通过电路图编辑器、

1、在电路图编辑器中设置待调整的元器件参数（情况一）

如果优化过程中待调整的元器件是电阻、电容这类直接给出元器件值的简单元件，设置方法比较简单。

设置步骤为：

（1）在电路图编辑器中选中在优化过程中可以调整其值的元器件。

（2）选择执行PSICE/AdvancedAnalyses/ExportParameterstoOptimizer命令，该元件将被添加到参数表中。

2、在电路图编辑器中设置待调整的元器件参数（情况二）

如果优化过程中待调整的元器件是需要采用模型描述器件特性的有源器件（例双极晶器管），一般模型参数个数较多。

在优化中需要首先按下述步骤，设置优化中需要调整其中哪些模型参数的值。

（1）在电路图中选中元器件。

（2）选择执行PSICE/AdvancedAnalyses/ImportOptimizableParameters子命令。

（3）选项在优化过程中可以调整其值的模型参数。

（4）使器件初一选中状态，选择执行PSpice/AdvancedAnalyses/ExportParameterstoOptimizer命令，该模型参数将被添加到参数表中。

3、在Optimizer工具中设置待调整的元器件参数

按照下述步骤可以直接在Optimizer窗口Parameters表中设置待调整的元器件参数。

（1）在Optimizer窗口Parameters表中，单击“ClickheretoimportaPatameterfromthedesignpropertymap…”文本所在行。

（2）选择需要更改其参数的元器件，使之高亮显示，然后单击OK按钮。

4、Parameters表中参数的含义和作用

图3－1

5、设置待调整参数的注意事项

1）、选择待调整元器件参数的指导说明

（1）、设置的可调整元器件参数的数目越少越好。

（2）、通过灵敏度分析查找对电路特性影响最敏感的元器件参数，将它们选作为优化过程中待调整的元器件参数。

（3）、根据专业知识和经验，确定哪些元器件值需要保持不变才能保证电路正常工作。

对这些元器件，在优化过程中不要更改其元器件值。

（4）、如果调整一个元器件与调整几个元器件的效果相同，最好只调整其中的一个元器件。

（5）、在优化过程中，尤其是采用最小二乘法时，在选择添加到列表中的参数进行优化时，所选参数的数目不要太多（最好是3到4个参数）

2）、设置参数的指导说明

（1）、指定待调整元器件参数的允许变化范围时应该考虑功耗和元件成本。

（2）、使参数的初始值靠近参数变化范围的中点。

（3）、使优化参数变化范围为一到两个数量级。

1、3设置优化指标

Optimizer工具采用“电路特性规范参数”和“波形曲线”两种方式描述优化指标参数要求。

1、3、1电路特性规范参数的设置步骤

1、设置供Optimizer分析调用的电路特性函数

选用哪些电路特性作为设计指标则需要在Optimizer窗口中设置。

1）在图3－1Optimizer窗口的Standard标签页中，单击“ClickheretoimportameasurementcreatedwithinPspice”所在行，将弹出“ImportMeasurement”对话框。

其中列出对电路进行模拟分析时曾经调用过的电路特性函数。

2）根据优化设计要求，选择作为优化指标的电路特性函数。

3）单击OK按钮。

Specification标签页将列出这些电路特性函数，供优化设计时选用。

4）如果需要，可以修改电路特性函数表达式。

5）如果在优化设计过程中，需要选用未列在图对话框中的电路特性函数，应选择执行Analysis/Optimizer/CreatNewMeasurement子模块。

图3－2

1.3.3Specification表中参数的含义和作用

图3－3

1．3．4设置电路特性规范参数的注意事项

1）用户应该根据电路设计要求，首先确定需要优化哪些电路特性，然后确定如何从模拟仿真结果中计算这些电路特性。

2）不要设置互相冲突的目标要求

3）注意在设置仿真参数时，应确保用于计算电路特性的数据点足够多。

为了保证电路特性计算结果的精度和一致性，要求提供的仿真结果数据有足够的分辨率。

4）只需进行计算电路特性所需的仿真。

1．4优化设计过程的启动和结果显示分析

完成与优化有关的设置后，即可正式启动优化过程。

本节结合射频放大器电路实例，介绍优化设计过程的启动和优化结果的显示、分析。

1．4．1射频放大器的优化设计步骤

下面结合射频放大器电路，说明调用Optimizer工具进行优化设计的步骤。

下面是按照介绍的方法对射频放大器电路进行优化设计的具体步骤。

1.电路设计输入

在Capture中进行电路设计。

绘制好的射频放大器电路如图3-2所示。

2.设计验证

按照通常的电路模拟方法进行Pspice模拟仿真程序，并检查电路功能特性是否满足设计要求。

对射频放大器的模拟仿真结果如图3-4所示。

增益达9.4dB，带宽只有150MHZ，分别高于和低于优化目标要求。

3.调用Optimizer工具

在Capture中选择执行Pspice/AdvancedAnalysis/Optimizer命令，调用Optimizer工具。

屏幕上出现的Optimizer窗口如图3-1所示。

4.设置待调整的元器件参数

根据对电路原理分析，为了满足优化目标要求，首先考虑调整电路中的R4、R6、和R8三个电阻。

按照1。

2节介绍的方法，在Parameters表格中设置的这3个可调整的电路元器件参数如图3-4所示。

其中Original一栏是这3个电阻的初始设计标称值。

Min和Max栏中分别是在优化过程中允许这3个电阻值的变化范围。

按默认设置，他们分别是Original值的10%和10倍。

为了加速优化进程，可以缩小Min和Max值之间的范围。

由于尚未开始优化，因此当前值（Current）一栏显示的值与Original一栏设置值相等，如图3-28所示。

图3－4

5.设置优化目标

根据对射频放大器优化设计的要求，设置的增益和带宽优化目标如图3-5所示。

图3－5

其中将增益设置为约束（Constraint），权重为20。

带宽设置为指标参数（Goal），权重为1，目的是为了在保证作为约束的增益能满足优化目标的前提下，使得作为指标参数的带宽尽量大。

6.选择优化引擎

Pptimizer工具采用了多种优化算法，又称为“优化引擎”。

其中4种主要的引擎是改进的最小二乘法引擎（MLSQ:

ModifiedLeastSquaresQuadratic）、最小二乘法引擎（LSQ）、随机引擎（Randomengine）和离散引擎（Discreteengine）。

由于采用改进的最小二乘法引擎能迅速收敛至最佳解，因此在射频放大器优化中，点击图3-6所示引擎选择列表的右侧按钮，从下拉列表中选择“ModifiedLSQ”。

图3－6

7.启动优化进程

完成上述几项设置后，在Optimizer窗口中选择执行Run/StartOpertimizer窗口的运行状态信息窗口将动态显示优化过程的进展情况。

优化结束后，结果显示区将显示出优化结果。

对射频放大器电路，优化过程结束后，Optimizer窗口中显示的优化结果如图3-6所示。

8.分析优化结果

优化结束后，在Optimizer窗口中不但直接显示出优化确定的元器件最佳取值和电路特性的最佳结果、优化进程中电路特性的变化情况，而且可以查阅优化过程中每次模拟分析采用的元器件值和电路特性变化情况。

1.4.2节将详细介绍优化结果信息分析处理方法。

9.输出优化结果

优化结束后，可单击工具按钮，或者执行File/Print命令，将结果打印输出。

如果执行File/Save命令，则将分析结果存入文件。

1.4.2查看分析优化结果

优化结束后，在Optimizer窗口中可以从下述几方面查看、分析处理优化结果。

1.查看优化结果

优化结束后，Optimizer窗口的Parameters表和Specification表的“Current（当前值）”栏分别显示出经优化确定的元器件最佳取值和电路特性的最佳结果。

对射频放大器，只要将电阻R8、R6和R4的阻值分别改为3.57Ω、702.5964Ω和238.8923Ω，就可以满足优化设计的要求，使电路增益为5.2489dB，带宽可以达到212.6955MHZ。

由于优化目标均得到满足，因此Specification表中Error一栏显示的值均为0%。

2.查阅ErrorGraph图

（1）ErrorGraph图显示内容的分析：

优化结束后，Optimizer窗口左上方的ErrorGraph（误差图）自动显示有优化过程的进展情况。

横坐标为优化中的模拟次数，纵坐标为每次模拟分析后每个电路特性值与优化目标之间的误差。

显示优化进展情况的曲线中用不同符号表示不同的电路特性。

符号开关与Specification表中On/Off一栏图标对应。

（2）在ErrorGraph图中只显示单个电路特性在优化过程中的变化：

如果同时优化的电路特性较多，而且优化前这些电路特性值与优化目标值之间的误差也差别很大，则ErrorGraph图中同时显示的多条曲线将显得比较凌乱。

只要点击On/Of一栏的图标，使图标中的几何图形消失，则该图标所在行的电路特性也同时从ErrorGraph（误差图）中消失。

若再次点击On/Of一栏的图标，将使图标中的几何图形重新出现，则该图标所在行的电路特性也同时显示在ErrorGraph（误差图）中。

3.查阅优化过程中某次模拟分析结果

采用下述方法可以查看优化过程中某次模拟分析中的数据。

点击ErrorGraph图中代表模拟次数的横坐标，使该次模拟处于选中状态，则Parameters表和Specification表将显示该次模拟分析中采用的元器件值和相应的电路特性值。

4.查阅优化全过程的数据

选择执行View/LogFile/Optimizer命令可以采用描述优化全过程详细信息的LogFile文件不但包括优化过程中每次模拟分析采用的元器件值、计算的电路特性值、与优化目标之间的误差等可以在Parameters表和Specification表中查阅的信息，而且还包括与优化算法有关的信息和数据。

1.4.3采用离散引擎确定有效值

1.离散引擎的作用

Optimizer工具中“离散引擎（Discreteengine）”的作用就是选定与优化结果要求最接近的商品化元器件系列标称值。

因此，在优化过程的最后阶段往往都要调用离散引擎。

2.调用“离散引擎”的步骤

下面结合射频放大器实例，介绍“离散引擎”的调用步骤。

采用前面介绍的方法已经基本完成优化过程，得到优化结果。

但是优化结果要求的电阻R8、R6和R4的阻值都不是商品化的电阻系列标称值。

按照下述步骤可以调用“离散引擎（Discreteengine）”，选定与优化结果要求最接近的商品化元器件系列标称值。

（1）在图3-6所示工具栏的引擎选择下拉列表中选择Discrete,Parameters表中将出现名称为DiscreteTable的一列，如图3-38所示。

（2）在Parameters表中电阻R、电感L、电容C元件所在行，用光标点击DiscreteTable列的单元，其右侧出现离散值表。

离散值表是商品化元器件系列称值，由生产厂家提供。

高级分析工具中提供有由多家制造厂提供的离散值表。

（3）从离散值表中选择离散值系列。

选择的是Resistor-10%，即为电阻选择元器件值精度为10%的离散值系列。

（4）单击按钮，运行Discrete（离散）引擎。

Discrete引擎将从离散值表中选择与优化结果参数值最接近的商品化元器件系列标称值。

然后使用新的参数值重新进行模拟仿真并显示电路特性结果。

运行结束后，Parameters表中Current栏显示的是新参数值。

如图3-40所示，R8更改为3.6欧姆，R6更改为680欧姆，R4更改为240欧姆。

（5）回到电路图编辑器中，将相应元器件对数更新为系列标称值：

R8更改为3.6欧姆，R6更改为680欧姆，R4更改为240欧姆。

说明：

按照下述步骤，使用“FindinDesign”命令，可以自动返回到电路图编辑器中，并自动定位选中将要根据优化结果改变其参数值的元器件。

①在Parameters表中，选中欲在电路图中改变其参数值的元器件，使之以高亮显示。

②在所选中的元器件上单击右键，将弹出快捷菜单。

③在弹出的快捷菜单中选择FindinDesign子命令，屏幕显示将返回到电路编辑窗口，并且所选元器件以高亮选中状态显示。

（6）对电路重新进行一次模拟分析，检查结果波形和电路特性，并确保它们都是用户所期望得到的结果。

1.5曲线拟合优化

以“曲线”描述作为优化指标，使优化结果尽量与给定的曲线要求相一致，因此这种优化方法又称为“曲线拟合”。

1.5.1“曲线拟合”优化设计的应用场合

在下述情况下，应该采用“曲线”描述作为优化指标，进行优化设计。

（1）如果要求电路的响应曲线具有特定的形状，应该使用曲线拟合进行优化。

（2）如果目标函数是一个特定点的值，也应该使用曲线拟合方法进行优化设计。

（3）器件模型参数的优化提取。

这是Optimizer工具很重要的一种应用。

以双极晶体管为例，说明模型参数优化提取所对应在的优化问题。

2.“曲线拟合”优化设计中的“参考波形”和“参考文件”

（1）参考波形和参考文件

如上所述，采用曲线拟合方法优化电路时，是采用一组数据描述的参考波形作为优化目标。

因此除了需要采用1.5.3节介绍的方法设置优化过程中可以调整的元器件参数外，还需要进行一项特殊的设置，即首先建立描述参考波形的数据文件，又称为参考文件。

然后在高级分析Optimizer窗口Specifications表格CurveFit标签页中将该文件设置为优化指标。

本节介绍参考文件的格式和建立参考文件的方法。

1.5.2节详细介绍将参考文件设置为优化指标的步骤。

（2）参考文件的格式

图3－9（a）是一个参考文件实例。

图3-49（a）表示的是一个滤波器电路（见1.5.3节实例）增益和相位频率特性波形的优化要求，图3-9（b）是对该特性要求的参考文件描述。

图3-9（a）带通滤波器的优化目标曲线

FrequencyPHASE

1.00E+021.74E+022.28E+01

1.02E+021.74E+022.33E+01

1.05E+021.73E+022.38E+01

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9.34E+02-1.72E+022.79E+01

9.55E+02-1.72E+022.74E+01

9.77E+02-1.72E+022.69E+01

1.00E+03-1.73E+022.64E+01

图3-9（b）对应的参考文件描述

图3-9（b）实例中描述的参考文件有3列。

第二列和第三列分别描述对输出相位和增益波形的频率特性要求。

（3）参考文件的建立和存放

如图3-9（b）实例所示，参考文件实际上是一个文本文件。

因此建立参考文件的方法比较简单，只要采用一般的文本编辑工具，例如Windows的“记事本”程序，按照上述格式，编写一个文本文件，然后存放在当前的电路设计目录下，供设置曲线拟合优化目标时调用（参见1.5.3）。

说明：

图3-9（b）所示参考文件全部内容可查阅位于下述路径下的文件“reference.txt”../tools/PSpice/tutorial/capture/PSpiceaa/bandpass/bandpass-PSpiceFiles/SCHEMATICI/

3.“曲线拟合”优化设计的步骤

采用曲线拟合方法进行优化设计的步骤是：

（1）在Capture中建立设计项目、设计电路图、进行模拟仿真，确保电路已正常工作。

（2）在Capture中选择执行PSpice/AdvancedAnalysis/Opertimizer命令，打开高级分析的Optimizer窗口。

（3）在Optimizer窗口的Specification表格中选择Curve标签。

（4）在CurveFit标签页创建曲线拟合规范，以波形曲线的形式指定优化目标。

需要设置的内容和设置方法在1.5.2节详细介绍。

（5）在Optimizer窗口的Parameters表格中设置优化过程中可以调整的元器件参数。

设置的项目和方法与3.3节介绍的内容相同。

（6）指定“误差”的计算方法。

“误差”用于表征优化过程中优化指标的当前值与优化目标之间的偏差大小。

（7）指定对优化过程中模拟仿真结果数据的保存要求。

①在ProfileSettings对话框中选择Simulation标签。

②如果要保存所有的仿真数据，在Optimizer下拉列表中选择SaveAllRuns;如果选择SaveNone，则只保存最后一次模拟分析产生的数据。

（8）选择一个引擎，开始进行优化设计。

（9）分析曲线拟合优化结果。

1.5.2“曲线拟合”规范的设置

曲线拟合规范的设置是在Optimizer窗口中的CurveFit标签页进行的。

图3-10是已设置有曲线拟合规范的CurveFit标签页。

下面首先说明每一栏参数的含义，然后再介绍曲线拟合规范的设置方法。

图3－10

1.CurveFit标签面每一栏参数的含义

CurveFit标签而共10栏，涉及12项参数的设置。

（1）第一列为“选中”标志栏。

（2）第2列为“运行状态”提示标志栏：

表格中第二列显示的是“旗帜”形状的图标。

（3）（On/Off）栏：

表格中第3栏包括3项（On/Off）状态标志。

（4）第4列“Probe”描述该行曲线拟合规范对应的Probe模拟分析类型。

（5）第5列“TraceExpression”列出了曲线拟合规范的波形表达式。

（6）第6列“ReferenceFile”为参考文件栏。

（7）第7列“Ref.Waveform”用于指定参考波形。

（8）第8列“Tolerance”用于设置用户指定的相对容差要求。

（9）第9列“Weight”用于设置权重值。

（10）第10列“Error”用于设置误差值。

2.曲线拟合规范的设置步骤

下面结合图3-10中第1行实例，说明在Optimizer窗口的CurveFit标签页设置曲线拟合规范步骤。

该行设置的是对输出信号相位P（V（out））随频率变化关系的要求。

（1）在Optimizer窗口选择CurveFit标签。

（2）在CurveFit标签页设置TraceExpression。

①单击“Clickheretoenteracurve-fitspecificationrow”文本所在行，屏幕上出现NewTraceExpression对话框。

②从对话框右侧“AmalogoperatorsandFunctions”列表中选择计算相位的函数P（），然后在左侧“SimulationOutputVariables”列表中选择V（out）。

这时Measurement文本框中就显示为P（V（out）），表示计算输出信号V（out）的相位。

③点击OK，CurveFit标签页中前几栏的设置。

其中“TraceExpression”一栏为P（V（out）），表示曲线拟合优化的对象是节点out处输出电压V（out）的相位P（V（out））。

“Profile”一栏的设置表示相位P（V（out））对应的分析灶型为ac.sim。

（3）在CurveFit标签页“ReferenceFile”栏设置参考文件名称和路径名。

（4）在Ref.Waveform栏设置作为优化目标的参考波形。

（5）根据优化要求，在Tolerance和Weight两栏进行相应设置。

1.5.3“曲线拟合”应用实例

1.优化目标

图3。

55是一个有源带通滤波器电路，要求优化调整电路中的无源元件值，使滤波器的增益和相位具有图3-56所示的频率特性。

由于优化目标是“波形”，因此需要采用曲线拟合方法优化该滤波器的响应。

图3－11带通滤波器电路图

2.曲线拟合优化的准备工作

为了顺利完成图3-11所示带通滤波器的优化设计，应首先做好下述两项准备工作。

（1）通过下述几步，检验电路是否已通过常规的PSpice模拟，实现了要求的功能。

①调用Capture软件绘制如图3-11所示的有源滤波器电路。

②新