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模擬

電子電路模擬基礎

SPICE模擬的類型:蒙特卡羅方法

上一篇文章中,對SPICE模擬的類型以及標配的4種分析功能中的DC分析、AC分析、暫態分析進行了介紹。本文將介紹剩下的蒙特卡羅分析方法。

SPICE模擬:蒙特卡羅分析方法

蒙特卡羅方法是使用亂數進行模擬和數值計算的手法總稱。實際上構成電路的電阻、電容、電感、二極體、電晶體、IC等幾乎所有的零件都具有特性波動。例如,電阻是有容差的,±5%精度的100Ω電阻的電阻值處於95Ω~105Ω之間。這種波動(誤差)存在於各種零件中,這就導致由各種零件組成的電路因各種波動(誤差)累加而導致電路特性存在波動。

採用蒙特卡羅模擬,通過執行多次模擬,並將各種電路元素的波動反映在模擬中,可以對整體特性的波動進行評估。這在電路整體的特性受多個電路元素影響時是非常有效的分析方法。其實方法有很多,一般採用的方法是圍繞對整體特性有較大影響的電路元素來模擬波動。

蒙特卡羅分析方法示例

波動的設定方法因模擬器的類型而異。蒙特卡羅模擬的設定方法也分兩種,即可以在電阻等符號中直接描述波動時不能直接描述時兩種情況。分别舉例如下。

・可直接在符號中描述波動的情況

在該示例中,向100Ω的電阻外加電壓,並對電阻值(電壓/電流)進行模擬。電阻值描述為{100*(1+tol)}。這是在設定電阻值時直接寫入阻值欄的。使用亂數使其中的tol產生波動,並進行300次模擬。

在示例中,使用了2種亂數,它們的分佈如下。在①中,定義為tol=flat(0.05),這表示波動範圍±5%的均勻亂數。在②中,定義為tol=gauss(0.05),這表示標準差σ=5%的高斯亂數。模擬結果為:使用均勻亂數的均勻分佈,使用高斯亂數的則呈正態分佈。

・無法直接在符號中描述波動時

有些SPICE模型,可能無法像上述電阻一樣能夠直接在符號中描述波動。下面是NPN雙載子電晶體的hFE-IC特性模擬示例,雙載子電晶體的符號無法直接描述波動,因此採用在SPICE模型中添加波動描述的方法。

由於沒有必要具體介紹如何描述,所以在此省略具體的描述內容,對於該模擬器,在電路圖內插入了一個模型(Model),即在雙載子電晶體的參數中增加hFE=400±50這個波動描述的模型。圖中綠線框起來的部分即是該模型(Model),除了產生波動的參數以外還描述了所有參數。2SC4081的原模型lib中輸入的是不含波動的模型,但會優先使用電路圖中插入的模型,所以會反映出所描述的波動。

至此,我們瞭解了兩種蒙特卡羅模擬的設定方法,一種是可直接在電阻等符號中描述波動,另一種是無法直接在符號中描述波動,此時還有在SPICE模型中直接描述波動的方法。

重點:

・基於SPICE的模擬器具備DC分析、AC分析、暫態分析、蒙特卡羅方法、S參數、傅立葉分析、雜訊分析等功能。

・蒙特卡羅方法是使用亂數進行模擬和數值計算的手法總稱,用來考量零件的波動/誤差。

・蒙特卡羅模擬的設置因模擬器而異。


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