3 使用蒙特卡罗 SPICE 工具进行误差统计分析

大家好，欢迎来到TI ADC高精度实验室 讨论数据转换器的统计误差分析 本视频将介绍如何使用 称为蒙特卡罗分析的spice分析 来确定增益误差的统计有效估计值 本视频，将逐步介绍 基于Tina spice的蒙特卡罗分析方法 并解释如何解读结果 首先回顾一下 TI高精度实验室 标题为理解和校准AD系统的偏移与增益视频中的电路 在那个电路中 电流采样放大器的增益误差 可以在器件的规格数里找到 因为其增益是由内部电阻决定的 然而，在很多情况下 增益是由外部的分立电阻设定的 这里展示的电路 就是使用分立器件搭建的一个差分输入、差分输出的放大器 该电路的差分增益为 2倍的Rf除以Rg 在本例子中 记为0.04 因此，对于±100V的输入信号 输入到ADC的差分电压为±4V 该电路的增益精度 取决于整个电路Rf和Rg的精度 通常工程师会根据电阻精度进行最坏情况分析 但是，正如我们前面提到的一样 这样可能会产生在统计上不太可能出现的结果 业界Tina Spice和其他许多Spice仿真器 都提供了一种称为蒙特卡罗分析的工具 这对于进行统计误差分析非常有用 本视频将讨论如何使用Tina Spice蒙特卡罗分析工具 在进行蒙特卡罗分析之前 让我们看看这个电路的直流传递函数 在Tina中，选择直流分析 直流传输特性选项 在弹出的直流传输特性窗口中 选择Vin作为输入 在起始值和结束值 输入从+100V到-100V的电压范围 点确定，然后你会得到右图所示的曲线 此图显示，对于-100V的输入 差分的输出为+4V 对于+100V的输入差分的输出为-4V 做直流传递函数是确定理想传递函数的好方法 而蒙特卡罗分析 则可以在这个基础上 考虑电阻公差再进行分析 在运行蒙特卡罗分析之前 你还需要设置电路中每个电阻和电流的公差 只需要双击电阻器 一个列出电阻参数的窗口就会弹出 这个时候点击电阻值旁边省略号按钮 一个设置公差参数的窗口会弹出 在这个窗口中根据你的设计输入电阻公差 并使用高斯分布作为分布类型 在这个例子中我们使用1%精度的电阻 要打开蒙特卡罗分析 请在分析菜单下选择模式 在弹出的分析模式选择窗口中 选择「蒙特卡罗」 在分布百分比中输入「99.73%」 这将为蒙特卡罗分析的原器件误差 设置为正负三个标准差 我们在这里真正要做的 是使大部分高斯分布样本 都落在我们设定的容忍限度以内 请注意，默认值的68.26%只对应一个标准差 这对于电阻和电流的公差是不实际的 然后我们输入 将在仿真中运行的样本数量 在这个例子中 我们会运行最多1000次仿真 这将使仿真根据高斯分布 使用随机的电阻值重复运行1000次 一般来说 你应该将此数字设置的尽可能得大 已获得更好的统计结果 将最大限制值设大的唯一缺点 就是它可能会增加仿真时间 现在蒙特卡罗的功能已被打开 任何分析都将以蒙特卡罗分析的方式运行 在这个例子中 我们运行直流传输特性 所以每个仿真都会使用随机高斯分布的电阻值 模拟1000次来求取直流传递函数 仿真结果看起来虽然是一条曲线 但是它实际包含了1000条 紧密间隔的曲线 现在，我们想要使用这些曲线 来获得统计上有效的增益误差 要做到这一点 我们首先要通过按「Ctrl+Alt」来选择全部曲线 接下来，在进程菜单下 我们应该选择统计 在统计窗口下 我们要选择「Cut」选项 Cut，会根据X轴上的特定值 在Y轴上截取对应的分布曲线 这里，我们想看看传递函数末端 也就是Vin=100V的增益误差 在查看放大的传输特性时 你可以看到有许多间隔很近的曲线 对应着不同的随机电阻值 在切割及相邻的框中输入100V的X轴值 最后选择将在直方图中显示的方块数量 一般来说，选择10就足够了 然后，在统计窗口按计算 这样，截取集合的平均值和标准差都会被显示出来 这个信息现在可以用来计算我们增益电路的误差和百分比 典型增益误差对应一个标准差 我们将一个标准差除以平均值 并乘以100 即可得到典型增益误差的百分比 即±0.24% 此外，我们还可以使用前面介绍的统计因素 来评估最坏情况 例如，将典型值的增益误差乘以3 来计算最大值的增益误差 即±0.73% 其中，包含了99.73%的样本 感谢观看本视频 请尝试完成小测验 以巩固你对本视频内容的理解