PSpice仿真中的收斂問題及解決方法.docx

寫在前面:本文是作者平常學(xué)習(xí)和工作中記錄的一些筆記,有些零碎,但是很有用，主要是從原理的角度闡述了PSpice仿真中的收斂性，以及應(yīng)對(duì)仿真不收斂的方法。適合使用PSpice仿真很久并且碰到過較多問題的高手! 注意：有些東西是最原始的spice語(yǔ)言的，在OrCAD PSpice中不一定有相應(yīng)的選項(xiàng)。 By: Michael Wang 2010年12月17 簡(jiǎn)介 PSpice在設(shè)定的仿真次數(shù)內(nèi)，如果不能得到滿足精度要求的解，就會(huì)出現(xiàn)收斂性問題，該問題可能有兩大類原因?qū)е拢旱谝唬喝菰S的仿真次數(shù)太少或者仿真精度要求太高。第二：電路方程本身無(wú)解。針對(duì)不同的仿真類型，都會(huì)有一些問題的探討和分析以及相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略。 DC分析： 在PSpice執(zhí)行一些定制的仿真前，首先執(zhí)行DC工作點(diǎn)分析，PSpice通過特定數(shù)量的迭代得到DC靜態(tài)工作點(diǎn)，否則PSpice會(huì)有電路不收斂的提醒，并且退出仿真程序。默認(rèn)收斂限定描述如下：.options ITL1=100 如果不收斂，上式中的ITL1可以增加到大于500 更多的DC收斂參數(shù)：GMIN步長(zhǎng)設(shè)置 、信號(hào)源步長(zhǎng)設(shè)置、初始電容電壓設(shè)置及偽瞬態(tài)設(shè)置。 .NODESET可以設(shè)置電路節(jié)點(diǎn)的DC電壓值，PSpice會(huì)識(shí)別這個(gè)電壓值作為電路仿真的初始電壓值，可以減少對(duì)收斂的迭代次數(shù)。 如果不能通過節(jié)點(diǎn)設(shè)置和ITL1來(lái)得到收斂結(jié)果，可以設(shè)置ITL6=100或者其他非零值，這個(gè)設(shè)定時(shí)運(yùn)用信號(hào)源步長(zhǎng)算法，從一個(gè)開始值逐漸減少信號(hào)源電壓直到0電平，或者減少得到一個(gè)收斂解，這時(shí)，信號(hào)源再逐漸減回設(shè)置的初始設(shè)置。這個(gè)方法可以解決所有DC偏置點(diǎn)不收斂的問題，但是ITL6函數(shù)本身有缺陷，所以在最后萬(wàn)不得已才能用。（OrCAD沒有引入這個(gè)參數(shù)） 如果電路包含半導(dǎo)體器件，該器件導(dǎo)電區(qū)域會(huì)包含零電導(dǎo)率。這樣仿真會(huì)出現(xiàn)一個(gè)“把零作除”的錯(cuò)誤。為了消除這個(gè)錯(cuò)誤的產(chǎn)生，在每個(gè)半導(dǎo)體器件的PN結(jié)點(diǎn)處用GMIN跨導(dǎo)與每個(gè)PN結(jié)點(diǎn)處并聯(lián)。GMIN是一個(gè)全局參數(shù) ，默認(rèn)值100P，GMIN的參數(shù)值越大，牛頓拉夫申算法會(huì)越快完成收斂計(jì)算。增加GMIN的參數(shù)值會(huì)減少旁路電阻值。仿真的精度在旁路電阻產(chǎn)生的電流小于可容忍的相對(duì)錯(cuò)誤電流分辨率時(shí)（kielkowski 1995）不受影響，對(duì)Gmin設(shè)置的建議值為 .option GMIN=1n 瞬態(tài)分析： 瞬態(tài)不收斂將最大迭代次數(shù)設(shè)置如下; .options ITL4=10; use ITL4=1500 if transient convergence problems occur 如果當(dāng)前時(shí)刻節(jié)點(diǎn)不收斂，那么仿真步長(zhǎng)會(huì)縮短到原來(lái)的1/8，如此計(jì)算直到得到收斂結(jié)果或者迭代次數(shù)溢出（ITL4）， 用戶設(shè)置的仿真時(shí)間步長(zhǎng)的不同，會(huì)導(dǎo)致瞬態(tài)收斂困難，這點(diǎn)在開關(guān)電路仿真時(shí)尤其明顯。仿真步長(zhǎng)必須小于開關(guān)電平的識(shí)別時(shí)間。當(dāng)對(duì)瞬態(tài)仿真參數(shù)驚醒設(shè)定時(shí)，需要考慮高電平變換器或器件模型的不連續(xù)性。 對(duì)步長(zhǎng)保守的估算，步長(zhǎng)的單位最小值要小于一個(gè)開關(guān)波形一個(gè)周期的一個(gè)數(shù)量級(jí)的時(shí)間，例如，對(duì)于一個(gè)100K的振蕩器（10u）的時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定應(yīng)該為1u左右。Tmax值是最大時(shí)間步長(zhǎng)，這個(gè)值可以省去或者指定為增大仿真精度（減小Tmax ）或減小仿真精度（增大Tmax）。這個(gè)設(shè)定可以讓模擬器在對(duì)電路有微小變化時(shí)進(jìn)行仿真計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)稍大一些。 避免一般性錯(cuò)誤的步驟 核對(duì)電路是否連接正確，元件極性是否連接正確，所有節(jié)點(diǎn)對(duì)地都有其直流路徑。l l 核對(duì)所有元件都正確賦值 核對(duì)所有模型參數(shù)都有實(shí)際意義，尤其是自己創(chuàng)建或者修改的l 核對(duì)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接處都有節(jié)點(diǎn)l l 核對(duì)電壓和電流的發(fā)生起相應(yīng)有其正確的語(yǔ)法和合適的數(shù)值 電容或電流源的串聯(lián)等效代替需串聯(lián)放置l 檢查是否把字母O當(dāng)作數(shù)字0使用l l 如果行為表達(dá)式或行為元素在電路中運(yùn)用，則驗(yàn)證電路不會(huì)出現(xiàn)零點(diǎn)分割的情況 驗(yàn)證獨(dú)立元增益正確l DC收斂的方法： 1. 設(shè)置ITL1=500； 2. 使用NODESET，不適當(dāng)?shù)墓?jié)點(diǎn)設(shè)置會(huì)導(dǎo)致不正確的仿真結(jié)果或者不收斂，所以在對(duì)NODESET語(yǔ)句設(shè)置時(shí)需要注意 3. 運(yùn)用脈沖語(yǔ)句產(chǎn)生DC電源。V1 3 0 5 DC 變?yōu)?V1 3 0 PULSE 0 5。這樣允許用戶對(duì)電源進(jìn)行開關(guān)控制，脈沖的上升時(shí)間可以用來(lái)設(shè)置實(shí)際電源的上電時(shí)間。 4. 設(shè)置GMIN，設(shè)置GMIN=1n或者0.1n，不推薦設(shè)置過高的數(shù)值，這個(gè)參數(shù)設(shè)置了所有半導(dǎo)體器件的最小導(dǎo)電性。 5. 如果可以，設(shè)置RSHUNT參數(shù)，設(shè)置電路中所有節(jié)點(diǎn)對(duì)地的電阻值，通過這個(gè)收斂方法會(huì)在其他節(jié)點(diǎn)而不是被選節(jié)點(diǎn)得到仿真結(jié)果，所以仿真結(jié)果需要仔細(xì)檢驗(yàn)（PSPICE中沒有這一項(xiàng)的設(shè)置） 6. 設(shè)置ITL6=100，信號(hào)源步進(jìn)將所有直流激勵(lì)遞減，直到電路的DC直流偏置電確定或者電平降低到0V，然后反向迭代。（PSPICE中沒有這一項(xiàng)的設(shè)置） 瞬態(tài)收斂的方法： 1. 驗(yàn)證電路的直流分析是否收斂，確認(rèn)不收斂是否由瞬態(tài)分析造成。 2. 驗(yàn)證設(shè)定的時(shí)間步長(zhǎng)的分辨率大小適當(dāng)。時(shí)間步長(zhǎng)分辨率必須小于電路進(jìn)行開關(guān)波形正確仿真的時(shí)間。至少要比仿真電路最小周期小一個(gè)數(shù)量級(jí)。 3. 對(duì)于振蕩電路或者開關(guān)電路，設(shè)置METHOD=GEAR，這是對(duì)順態(tài)方程式選擇的一種方法，GEAR集成化可以應(yīng)用到所有的開關(guān)電路。（PSPICE中沒有這一項(xiàng)的設(shè)置 ） 4. 使用初始條件設(shè)置UIC，設(shè)置電容電感的初始值。 5. 設(shè)置ITL4=500 6. 設(shè)置RELTOL=0.01，降低仿真精度，減小仿真時(shí)間。需要記住的一個(gè)一般規(guī)則是：相對(duì)誤差數(shù)值減少一個(gè)數(shù)量級(jí)，仿真時(shí)間就會(huì)翻倍的增加 7. 減少脈沖元的上升和下降沿時(shí)間，電壓值的大幅度變化會(huì)導(dǎo)致不收斂的問題。 8. 設(shè)置TRTOL=40，聲明在進(jìn)行瞬態(tài)仿真時(shí)對(duì)使用的步長(zhǎng)大小可以成比例的設(shè)定。（無(wú)） 9. 如果電流/電壓值允許，減少ABSTOL/VNTOL的精度，這兩個(gè)紙值以設(shè)置為大于其缺省值8個(gè)數(shù)量級(jí)的大小，要注意設(shè)置的只要小于最大電流和電壓值。 10. 如果可以，設(shè)置RAMPTIME=10ns，這個(gè)聲明設(shè)定了所有獨(dú)立信號(hào)源從零值上升到瞬態(tài)分析的開始值的上升斜率。（無(wú)） 交流收斂的方法： 不要使用直流收斂解決方法中的35，使用這些方法將不能建立一個(gè)有效的直流工作點(diǎn)，而直流工作點(diǎn)的建立對(duì)SPICE對(duì)電路進(jìn)行線形分析是非常關(guān)鍵的，一旦實(shí)現(xiàn)了電路的直流收斂，其交流分析也會(huì)收斂。 參考文獻(xiàn)：SPICE電路分析，Steven M. Sandler，Charles Hymowitz著作 收斂性與步長(zhǎng)太小問題 Pspice采用Newton-Raphson算法進(jìn)行迭代計(jì)算，它在滿足一下條件的情況下可解。 1. 非線性方程可解 2. 方程連續(xù) 3. 方程可導(dǎo) 4. 初始值必須足夠接近解析解 在滿足上面條件的同時(shí)，由于硬件條件的限制，電路當(dāng)中的取值還要受到一定的限制。 1. 電壓與電流在 +-1e10 之間 2. 導(dǎo)數(shù)在1e14以內(nèi) 3. 15位的雙精度。 例如1兆伏除以1豪歐，得到1e12AMP的電流，超過了電流值的最大值，因此不收斂！ 通常情況下，需要注意沒有限制的器件模型，以及含有表達(dá)式的手控源。很容易寫出計(jì)算值極大的表達(dá)式。 在實(shí)際情況中，方程總是連續(xù)的，但是變化值有可能超出PSpice表達(dá)值得極限！ 導(dǎo)數(shù)的物理意義是小信號(hào)電導(dǎo)，跨導(dǎo)，增益，不切實(shí)際的器件模型可能會(huì)使導(dǎo)數(shù)超過1e14的限制，主要需要當(dāng)心含有表達(dá)式的行為模型！ Newton-Raphson is guaranteed to converge only if the analysis is started close to the answer. Also, there is no measurement that can tell how close is close enough.（FUNNY） 仿真最艱難的事起步階段，即找到偏執(zhí)點(diǎn)！PSpice先試著按照100%的供電電壓去計(jì)算偏執(zhí)點(diǎn)，如果計(jì)算不成功，那么就把電壓降到幾乎為零，這樣許多的非線性都被關(guān)掉了，當(dāng)一個(gè)電路變?yōu)榫€性之后，必定可以找到一個(gè)解，然后PSpice再將偏執(zhí)點(diǎn)反推到100% 供電的情況下?。ㄗ儾介L(zhǎng)） 一旦得到了偏執(zhí)解，那么瞬態(tài)仿真就可以進(jìn)行了，他每次都從一個(gè)已知點(diǎn)（偏執(zhí)點(diǎn)）開始迭代，得到下一步的解. DC掃描采用混合逼近的方法去求解，他首先采用偏執(zhí)點(diǎn)計(jì)算邏輯起步（變電壓），之后每次以上一步的解作為初始值去逼近，掃描步長(zhǎng)不是可變的，如果某一步不能得到解的話，他就在此使用偏執(zhí)點(diǎn)算法去求解！整個(gè)DC 掃描主要依賴于連續(xù)性，同時(shí)它也要求當(dāng)電源關(guān)掉時(shí)，電路是線性的，像偏執(zhí)點(diǎn)計(jì)算那樣！ 關(guān)于GMIN：GMIN算法不是系統(tǒng)默認(rèn)執(zhí)行的，可以在選項(xiàng)卡中使能這種算法，當(dāng)使能這種算法的時(shí)候，如果100%供電時(shí)計(jì)算不收斂，就先采用GMIN算法，如果這種算法還不收斂的話，就再將電壓降到幾乎為零，再進(jìn)行下一步的計(jì)算！ 幾乎為零的電壓定義為:0.001% supply power 對(duì)于半導(dǎo)體器件，首先要避免使用不切實(shí)際的模型參數(shù)！其次是避免出現(xiàn)不受限的PN結(jié)，（無(wú)串聯(lián)阻抗），第三是避免出現(xiàn)無(wú)漏電阻的情況，比如一個(gè)電流源輸出電流到一個(gè)反偏的PN結(jié)，由于反偏結(jié)不含有漏電阻，因此需要一個(gè)并聯(lián)電阻，否則結(jié)的電壓會(huì)超過1e10的值。 PSpice的開關(guān)在過渡區(qū)存在增益，如果多個(gè)開關(guān)級(jí)聯(lián)起來(lái)的話，累計(jì)增益有可能超過導(dǎo)數(shù)的極值限制（1e14）。這種情況可能出現(xiàn)在圖騰柱門極的情況中或者多個(gè)開關(guān)級(jí)聯(lián)的情況中！一般情況下，兩個(gè)開關(guān)級(jí)聯(lián)可以工作，但是多于兩個(gè)就可能出現(xiàn)問題！ 表達(dá)式含有分母的尤其要注意，不能出現(xiàn)除零的情況！ 例如GLOAD 3, 5 VALUE = 2Watts/V(3,5)，當(dāng)開始時(shí)，（，）。出現(xiàn)問題 PSpice使用一種壓縮算法將受控源在電壓幾乎為零時(shí)壓縮成線性連續(xù)模式！ 但是這種壓縮算法也不能處理以上那種除零的情況。 壓縮算法可以很好的關(guān)掉不帶分母的表達(dá)式， 通常情況下，使表達(dá)式處于一個(gè)合理的物理范圍將會(huì)十分有幫助！ Example: A first approximation to an opamp that has an open loop gain of 100,000 is: VOP