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目的

 

分析電路的組成部分在規(guī)定的使用溫度范圍內(nèi)其參數(shù)偏差和寄生參數(shù)對(duì)電路性能容差的影響，并根據(jù)分析結(jié)果提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

 

依據(jù)

 

GJB450A-2004《產(chǎn)品可靠性工作通用要求》

GJB/Z89-97《電路容差分析指南》

 

適用對(duì)象與適用時(shí)機(jī)

 

電路容差分析主要適用于系統(tǒng)內(nèi)的關(guān)鍵電路。電路容差分析工作應(yīng)在產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)階段已經(jīng)具備了電路的詳細(xì)設(shè)計(jì)資料后完成。

 

電路性能參數(shù)發(fā)生變化的原因

 

電路性能參數(shù)發(fā)生變化的主要表現(xiàn)有性能不穩(wěn)定、參數(shù)發(fā)生漂移、退化等，造成這種現(xiàn)象的原因有：

組成電路的元器件參數(shù)存在著公差

環(huán)境條件的變化產(chǎn)生參數(shù)漂移

退化效應(yīng)

 

電路容差分析程序

 

電路容差分析的流程圖，其主要步驟如下：

 

 

電路容差分析流程

 

No.1確定待分析電路

 

嚴(yán)重影響產(chǎn)品安全的電路；

嚴(yán)重影響任務(wù)完成的電路；

昂貴的電路；

采購或制作困難的電路；

需要特殊保護(hù)的電路。

 

No.2明確電路設(shè)計(jì)的有關(guān)基線：

 

被分析電路的功能和使用壽命；

電路性能參數(shù)及偏差要求；

電路使用的環(huán)境應(yīng)力條件(或環(huán)境剖面)；

元器件參數(shù)的標(biāo)稱值、偏差值和分布；

電源和信號(hào)源的額定值和偏差值；

電路接口參數(shù)。

 

No.3電路分析

 

對(duì)電路進(jìn)行分析，得出在各種工作條件及工作方式下電路的性能參數(shù)、輸入量和元器件參數(shù)之間的關(guān)系。

 

No.4容差分析

 

容差分析包括：

 

 （a）適當(dāng)選擇一種具體分析方法；

 （b）求出電路輸出性能參數(shù)的偏差范圍，找出對(duì)電路性能影響敏感度較大的參數(shù)并進(jìn)行控制，使電路滿足要求。

 

No.5分析結(jié)果判別

 

偏差范圍與電路性能指標(biāo)要求相比較，比較結(jié)果分兩種情況：

 

（a）符合要求，則分析結(jié)束；

（b）若不符合要求，則需要修改設(shè)計(jì)，直到所求得的電路性能參數(shù)的偏差范圍完全滿足電路性能指標(biāo)要求為止。

 

最壞情況分析法

 

最壞情況分析法是分析在電路組成部分參數(shù)最壞組合情況下的電路性能參數(shù)偏差的一種非概率統(tǒng)計(jì)方法。它利用已知元器件參數(shù)的變化極限來預(yù)計(jì)系統(tǒng)性能參數(shù)變化是否超過了允許范圍。最壞情況分析法可以預(yù)測(cè)某個(gè)系統(tǒng)是否發(fā)生漂移故障，并提供改進(jìn)的方向，但不能確定發(fā)生這種故障的概率。該法簡便、直觀，但分析的結(jié)果偏于保守。

 

No.1計(jì)算模型

 

應(yīng)用最壞情況分析法的基礎(chǔ)是建立數(shù)學(xué)模型，就是把電路性能參數(shù)X1,X2,......,Xn表示為設(shè)計(jì)參數(shù)的函數(shù)，即：

 

 

為了便于分析，最壞情況分析法采用靈敏度來度量設(shè)計(jì)參數(shù)偏差對(duì)電路性能參數(shù)的影響。設(shè)計(jì)參數(shù)的靈敏度計(jì)算公式如下：

 

 

式中：下標(biāo)“0”——標(biāo)稱值。

 

靈敏度還可以表達(dá)為：

 

 

式中:   Xi0 ——電路性能參數(shù)的標(biāo)稱值；

 

          △Xi ——設(shè)計(jì)參數(shù) Xi 的標(biāo)稱值；

 

          △Y ——設(shè)計(jì)參數(shù)的偏差；

 

          Y0 ——電路性能參數(shù)的偏差。

 

在確定了靈敏度的基礎(chǔ)上，計(jì)算性能參數(shù)最大偏差的方法包括線性展開法和直接代入法兩種。

 

1）線性展開法

 

電路性能參數(shù)的偏差可以采用下式進(jìn)行估算：

 

 

偏差的確定方法如下：

 

在求電路性能參數(shù)偏差的正極限值時(shí)，若Si＞0（Si'＞0），則△Xi=Xi最大—Xi0；若Si＞0（Si'＞0），則△Xi=Xi最小—Xi0。

 

在求偏差的負(fù)極限值時(shí)，若Si＜0（Si'＜0），則△Xi=Xi最大—Xi0；

 

若Si＞0（Si'＞0），則△Xi=Xi最小—Xi0。

 

2）直接代入法

 

直接代入法是將設(shè)計(jì)參數(shù)的極限值按最壞情況組合直接代入電路的函數(shù)表達(dá)式（*）中，求出性能參數(shù)的上限值和下限值。

 

在求電路性能參數(shù)的上限值時(shí)，若 Si＞0（Si'＞0），則參數(shù) Xi 取 Xi最大，若 Si＜0（Si'＜0），則參數(shù) Xi 取 Xi最小。在求電路性能參數(shù)的下限值時(shí)，若 Si＞0（Si'＞0），則參數(shù) Xi 取 Xi最大，若 Si＜0（Si'＜0），則參數(shù) Xi 取 Xi最大。

 

No.2實(shí)施步驟

 

采用最壞情況分析法進(jìn)行電路容差分析的實(shí)施步驟如下：

 

（a）確定電路設(shè)計(jì)參數(shù)的標(biāo)稱值和偏差（或者參數(shù)變化范圍）；

（b）推導(dǎo)出電路性能參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系；

（c）計(jì)算各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的靈敏度；

（d）在容差分析精度要求不高時(shí)，采用線性展開法計(jì)算出電路性能參數(shù)的偏差；在容差分析精度要求較高時(shí)，采用直接代入法計(jì)算出電路性能參數(shù)的偏差。

 

No.3計(jì)算示例

 

某串聯(lián)調(diào)諧電路在組成上包括：1個(gè) 50±10%μH 的電感器和1個(gè) 30±5%pF 的電容器。要求最大允許頻移為0.2MHZ，試采用最壞情況分析法進(jìn)行容差分析，確定出諧振頻率的偏差量，并判斷是否滿足要求。

 

（a）電路設(shè)計(jì)參數(shù)的標(biāo)稱值和偏差量如下所示：

 

 

（b）建立電路的函數(shù)關(guān)系。諧振頻率與電感L和電容C之間的函數(shù)關(guān)系如下所示：

 

 

（c）計(jì)算各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的靈敏度，如下：

 

 

（d）采用直接代入法計(jì)算電路性能參數(shù)偏差。

 

將L=50μH 和 C=30pF代入計(jì)算公式，得到諧振頻率標(biāo)稱值：

 

f0=4.2161MHz

 

將L=45?H和C=28.5pF代入計(jì)算公式，得到諧振頻率的上限值：

 

fu=4.41825MHz

 

將L=55?H和C=31.5pF代入計(jì)算公式，得到諧振頻率的下限值：

 

fl=3.80175MHz

 

因此，諧振頻率的偏差值為：

 

 

由于計(jì)算出的偏差值大于允許要求，因此該設(shè)計(jì)方案不能滿足容差要求。

 

仿真方法

 

目前很多EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）軟件都具有仿真計(jì)算和容差分析功能。

 

為了進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，必須首先建立待分析電路的仿真模型，即利用軟件提供的工具，建立待分析電路的原理圖，并進(jìn)行初步的電路功能仿真，驗(yàn)證建立的原理圖與待分析電路的一致性。然后可以根據(jù)需要選擇進(jìn)行最壞情況分析、蒙特卡羅分析，或者環(huán)境溫度影響分析。

 

各種方法的適用性：

 

下表給出各種容差分析方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。應(yīng)根據(jù)電路的特點(diǎn)、復(fù)雜程度、經(jīng)費(fèi)以及已有的條件，按下表來選擇容差分析方法。