【应用案例】怎样进行“LC滤波器元件的优化选型”？

品慧电子讯滤波器的作用是从具有不同频率成分的信号中，去除具有特定频率成分的信号，其中LC滤波器是一种无源滤波器，由电容器、电感和电阻器组合而成，可滤除某一次或多次谐波。LC滤波器按照功能可分为低通滤波器、带通滤波器、高通滤波器、全通滤波器和带阻滤波器。滤波器的设计难点包括各种拓扑结构和阶数的选择，同时由于电路器件数量较多，如何高效地优化器件，取得带内和带外指标的折中也是关键性的难题。

本文介绍了采用芯和半导体XDS软件进行LC滤波器的设计优化流程。XDS集成了原理图和版图两个仿真模块，拥有与之配套的电路仿真引擎和EM电磁场仿真引擎。利用XDS进行LC滤波器电路仿真，不但能很方便的得出最佳电路设计，也能对LC滤波器电路的容差特性进行分析，帮助用户进行性能优化和统计分析，从而提高设计的效率。

LC滤波器设计优化流程

1 原理图设计

XDS集成了LC滤波器的设计向导：打开Filter Design，选择滤波器的拓扑结构原理图，如图1所示。在这个模板上，用户可以设计低通、高通等多种类型的滤波器。在设置好滤波器的指标和类型后，点击OK，可生成Symbol，其中包含了滤波器用到的LC器件。

图1 利用Filter Design生成原理图

2 查看原理图

选中生成的Symbol，按Shift+I可进入到下一个层次，查看这个Symbol中子电路器件的连接关系，如图2所示。

图2 滤波器子电路

3 设置器件变量

在原理图界面中，我们对所用到的器件设置变量，如图3所示，添加一个Var变量编辑器控件，分别设置l1、l2、c1、c2、c3五个变量，并对每个变量设定一个初始值，如图3所示。

图3 设置变量及初始值

4 设置变量参数范围

在对变量进行优化之前，需要在变量管理窗口中分别对变量设置Tuning、Opt、DOE和Yield的参数范围，每个器件的变化范围可以输入如图4所示。

图4 设置各变量优化的参数范围

5 原理图调谐

添加Tuning Setup，可以对所设置的变量进行调谐。当变量值发生变化时，仿真结果会实时响应，如图5所示。

图5 原理图Tuning

6 原理图优化分析

添加Optimization Setup，设定仿真优化变量，并对优化的目标和优化算法进行设置，如图６所示。当达到变量收敛的目标时，算法判定为优化过程结束（图７），用户可以得到达到设计目标的最佳电路设计参数。

图6 设置优化目标

图7 优化收敛过程

7 原理图 DOE 分析

利用DOE仿真，可以用尽可能少的样本次数分析产品性能和设计参数间的相关性，发现多个变量对指标的敏感程度。添加DOE Setup，设置仿真的目标和所用的实验类型，就可得到各变量对结果的影响曲线，如图８所示，斜率越大，表示此变量对系统的敏感度越高。

图8 DOE结果显示

8 原理图容差分析

Yield分析是基于Monte Carlo方法的随机试验，电路中的器件参数变动满足正态分布或高斯分布。设计变量在容差范围内随机变化，产生不同的变量组合，结合设计指标判断出成功和失败的实验次数，从而估算出产品的试验合格率。添加Yield Setup，设定仿真的目标，利用Yield仿真进行电路的合格率分析，从而得到电路的最佳容差设计，如图9所示。

图9 Yield结果显示

总结

本文介绍了采用芯和半导体XDS软件来仿真LC滤波器的流程。借助XDS中的Parametric参数化优化、Optimization目标优化、DOE敏感度分析、Yield统计分析、Tuning实时调谐等优化功能模块，设计者可以快速实现LC滤波器各器件的优化设计，快速找到物料成本最低并且性能最好的参数组合，实现系统的最优设计。

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