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1：8MHz
通带1：9.5MHz
通带2：10.5MHz
截止频率2：12MHz
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：
在这里插入图片描述
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：
在这里插入图片描述
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：
在这里插入图片描述
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：
在这里插入图片描述
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：

在这里插入图片描述
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：
在这里插入图片描述
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-1dB，S21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：
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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：
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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：
在这里插入图片描述
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%：
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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：
在这里插入图片描述
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：