【導讀】濾波器的作用是從具有不同頻率成分的信號中，去除具有特定頻率成分的信號，其中LC濾波器是一種無源濾波器，由電容器、電感和電阻器組合而成，可濾除某一次或多次諧波。LC濾波器按照功能可分為低通濾波器、帶通濾波器、高通濾波器、全通濾波器和帶阻濾波器。濾波器的設計難點包括各種拓撲結構和階數的選擇，同時由于電路器件數量較多，如何高效地優化器件，取得帶內和帶外指標的折中也是關鍵性的難題。
本文介紹了采用芯和半導體XDS軟件進行LC濾波器的設計優化流程。XDS集成了原理圖和版圖兩個仿真模塊，擁有與之配套的電路仿真引擎和EM電磁場仿真引擎。利用XDS進行LC濾波器電路仿真，不但能很方便的得出最佳電路設計，也能對LC濾波器電路的容差特性進行分析，幫助用戶進行性能優化和統計分析，從而提高設計的效率。
LC濾波器設計優化流程
1 原理圖設計
XDS集成了LC濾波器的設計向導：打開Filter Design，選擇濾波器的拓撲結構原理圖，如圖1所示。在這個模板上，用戶可以設計低通、高通等多種類型的濾波器。在設置好濾波器的指標和類型后，點擊OK，可生成Symbol，其中包含了濾波器用到的LC器件。
圖1 利用Filter Design生成原理圖
2 查看原理圖
選中生成的Symbol，按Shift+I可進入到下一個層次，查看這個Symbol中子電路器件的連接關系，如圖2所示。
圖2 濾波器子電路
3 設置器件變量
在原理圖界面中，我們對所用到的器件設置變量，如圖3所示，添加一個Var變量編輯器控件，分別設置l1、l2、c1、c2、c3五個變量，并對每個變量設定一個初始值，如圖3所示。
圖3 設置變量及初始值
4 設置變量參數范圍
在對變量進行優化之前，需要在變量管理窗口中分別對變量設置Tuning、Opt、DOE和Yield的參數范圍，每個器件的變化范圍可以輸入如圖4所示。
圖4 設置各變量優化的參數范圍
5 原理圖調諧
添加Tuning Setup，可以對所設置的變量進行調諧。當變量值發生變化時，仿真結果會實時響應，如圖5所示。
圖5 原理圖Tuning
6 原理圖優化分析
添加Optimization Setup，設定仿真優化變量，并對優化的目標和優化算法進行設置，如圖６所示。當達到變量收斂的目標時，算法判定為優化過程結束（圖７），用戶可以得到達到設計目標的最佳電路設計參數。
圖6 設置優化目標
圖7 優化收斂過程
7 原理圖 DOE 分析
利用DOE仿真，可以用盡可能少的樣本次數分析產品性能和設計參數間的相關性，發現多個變量對指標的敏感程度。添加DOE Setup，設置仿真的目標和所用的實驗類型，就可得到各變量對結果的影響曲線，如圖８所示，斜率越大，表示此變量對系統的敏感度越高。
圖8 DOE結果顯示
8 原理圖容差分析
Yield分析是基于Monte Carlo方法的隨機試驗，電路中的器件參數變動滿足正態分布或高斯分布。設計變量在容差范圍內隨機變化，產生不同的變量組合，結合設計指標判斷出成功和失敗的實驗次數，從而估算出產品的試驗合格率。添加Yield Setup，設定仿真的目標，利用Yield仿真進行電路的合格率分析，從而得到電路的最佳容差設計，如圖9所示。
圖9 Yield結果顯示
總結
本文介紹了采用芯和半導體XDS軟件來仿真LC濾波器的流程。借助XDS中的Parametric參數化優化、Optimization目標優化、DOE敏感度分析、Yield統計分析、Tuning實時調諧等優化功能模塊，設計者可以快速實現LC濾波器各器件的優化設計，快速找到物料成本最低并且性能最好的參數組合，實現系統的最優設計。
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