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  第九章 电路优化设计
如前所述，电路模拟对给定的电路只能起到设计验证的作用。即只能证明该电路是否满足设计要求，但这种电路是否为最佳的设计，则不得而知。如果在电路模拟以后，再调用电路优化模块(PSpice Optimizer)，就可以自动调整元器件参数设计值，使模拟电路和数/模混合电路的特性得到改善，实现电路的优化设计。
本章在简要介绍电路优化设计有关概念的基础上，具体介绍如何调用PSpice Optimizer模块，对电路进行优化设计。
9-1 概  述
9-1-1 电路优化设计
1. 什么是电路的优化设计
电路的优化设计是指在电路设计已基本满足功能和特性指标的基础上，根据要求的电路特性约束条件(Constraints)(例如要求电路的延迟时间不能大于某一值)，调整电路中的元器件参数(例如调整偏置电阻)，使电路指标要求(Performance Goal，又称为目标参数)(例如电路的功耗)为某一数值。
2. 优化指标
上面提到的约束条件和目标参数都是在优化过程中必须满足的要求，因此又统称为优化指标(Specification)。实际上，在进行优化时，约束条件和目标参数可以互换。例如，上面提到的优化问题也可以表示为：在电路功耗不能大于某一值的条件下，如何调整元器件参数，使电路的延迟时间为某一数值。在这里，电路功耗作为约束条件，延迟时间为目标参数。优化过程中，系统在处理这两种优化指标时，将给予约束条件更大的权重，用户可根据实际情况，选定一部分优化指标作为约束条件，另一部分作为目标参数。
3. 电路优化设计过程
进行优化设计，实际上是在约束条件限制下，不断调整电路中元器件参数，进行电路模拟迭代，直到目标参数满足优化要求。因此，进行一次优化将包括多次电路模拟。优化过程中，如何调整元器件参数，包括确定参数的增减方向和调整幅度大小，以及迭代过程中模拟程序的调用和结果判断，都是由优化程序内部自动进行的。
9-1-2 PSpice Optimizer模块
1. PSpice Optimizer模块的功能
(1) 对电路进行优化设计(见9-7-1节例)。可以同时调整电路中8个元器件的参数，以满足最多8个目标参数和约束条件(其中至少要有一个目标参数)的要求。
(2) 根据给定的模型和一组晶体管端特性数据，优化提取晶体管模型参数(见9-7-2节例)。这时，不存在约束条件。晶体管模型参数类比于电路优化设计中的元器件参数，晶体管特性数据类比于目标参数。优化提取的过程就是不断调整晶体管模型参数值，使得由晶体管模型计算得到的晶体管特性与测量值尽量接近。
2. 调用PSpice Optimizer的前提条件
为了顺利调用PSpice中的优化模块，取得优化设计的效果，被优化的电路应满足以下几个条件。
(1) 电路设计应已通过常规的PSpice模拟，实现了要求的功能。这就是说，只能对一个基本满足要求的电路进一步进行优化设计。如果电路设计与要求的功能和特性指标差距很大，调用优化设计模块很难取得予计的效果。
(2) 通过电路模拟只能给出节点电压和支路电流。在优化时，一定要将约束条件(如功耗)和目标参数(如延迟时间)用节点电压和支路电流信号表示。如6-4节所述，PSpice已提供了一组Goal Function供选用，用户也可根据需要新建目标参数函数(见6-4节)。
(3) 进行优化设计时，应对电路工作原理有较深入理解，才能确定应调整那几个元器件参数，使要求的电路特性达到最优。
(4) 对触发器一类电路，即使某些元器件参数值变化不大，也可能使电路状态在ON和OFF之间突变。PSpice Optimizer对这种电路难以取得优化设计的效果。
9-1-3 电路优化设计的步骤
调用PSpice Optimizer进行电路优化设计包括下述4个阶段的工作。
(1) 按第二章介绍的方法新建设计项目，完成电路原理图设计。其中关键问题是在电路图中放置OPTPARAM符号，用于设置电路优化设计过程中需调整的元器件名称及有关参数值(见9-3-1节例)
(2) 根据待优化的特性参数类别，调用PSpice进行电路模拟检验。确保电路设计能正常工作，已基本满足功能和特性要求。
(3) 调用PSpice Optimizer模块，设置与优化有关的参数，包括可调整的电路元器件参数(见9-3节)，待优化的目标参数和约束条件(见9-4节)。这一步是优化设计的关键。优化参数设置是否合适将决定能否取得满意的优化结果。
(4) 启动优化迭代过程，输出优化结果(见9-5节)。
9-2 PSpice Optimizer程序的命令系统
本节介绍PSpice Optimizer程序的启动方法，及其窗口结构和命令系统。

图9-1 Capture中的PSpice
子命令菜单
9-2-1 PSpice Optimizer的启动
PSpice Optimizer电路优化程序是OrCAD软件系统中的一个功能模块，启动该模块的最简单方法是在调用第二章介绍的OrCAD/Capture软件完成待优化的电路设计项目原理图绘制后，选择Capture的PSpice主命令，从其下拉式子命令菜单中(见图9-1)，选择执行Run Optimizer子命令，调用PSpice Optimizer模块，屏幕上将出现Optimizer窗口，如图9-2所示。
说明：如9-1-3节所述，如果要对一个设计项目进行优化设计，在绘制好电路原理图后，一定要在图9-1中选择执行“Place Optimizer Parameters”子命令，在电路图上放置OPTPARAM符号，并按9-3-2节介绍的方法设置优化过程中待调整的元器件名称和有关参数值。如果电路图中未放置OPTPARAM符号，将无法对该电路进行优化设计，图9-1子命令菜单中的Run Optimizer子命令将为灰色显示，不可能被选择执行。
作为一个应用程序，PSpice Optimizer也可在Windows环境下直接调用。具体方法将在9-8-2节介绍。
9-2-2 PSpice Optimizer窗口结构
由图9-2可见，PSpice Optimizer窗口是一种Window窗口结构。在窗口区中包括3个区域。
1. 优化指标显示区与指标信息显示框
图9-2中带有Specifications小标题的区域为优化指标显示区。该区中每一个小方块代表一个约束条件或优化特性指标，称为指标信息显示框。如9-1-2所述，PSpice Optimizer最多可同时处理8个约束条件和优化特性指标。因此，该区域中最多可显示8个指标信息显示框。在刚刚调出Optimizer优化模块时，尚未进行优化运算，因此每个信息显示框未显示任何信息，如图9-2所示。

图9-2 Optimizer窗口结构
图9-3是9-7-1节中的实例优化结束以后，一个指标信息显示框中显示内容的实例。显示框由5个部分组成。

图9-3 指标信息
显示框

(1) 指标名称和选中状态：图9-3最上方Gain为优化指标的名称，其左侧小框内有选中标志“√”，表示这是一项在优化过程中要考虑的指标要求。
(2) 当前值：指标名称下方一行显示优化过程中该指标的当前值。图9-3中该行显示的19.914是优化结束后，该指标的最终优化结果。
(3) 初值：图9-3中最下方显示的是该指标的初值，即电路中元器件参数取设置初值时，该指标的计算值。






图9-4  三种优化
进程指示

(4) 优化进程指标：位于图9-3右侧的细管状图形为优化进程指示器。图9-4中是适用于不同优化指标的3种类型指示器。每种图形的区别在于图形右侧刻度线的数目和位置互不相同。
对约束条件，采用图9-4中那一种优化进程指示器图形，与约束条件的表达方式有关。如果约束条件是要求等于某一值，例如要求中心频率等于10Hz，则采用图9-4(a)图形。若要求大于等于某一值，例如要求增益大于等于10，则采用图9-4(b)图形。若要求小于等于某一值，例如要求功耗小于等于4mw，则采用图9-4(c)图形。对目标参数，其优化进程指示器只采用图9-4(a)所示形状。
优化进程指示器图形通过图中竖直黑粗线的高度变化表示优化的进程。当优化指标满足要求时，屏幕上指示器图形的颜色将由红色变为绿色。
说明：对晶体管模型参数提取这类优化问题，对应于目标参数的晶体管特性测试值(例如Ic)将包括有多个数据。相当于一个目标参数中包括有多个分目标。这时指标信息显示框中当前值和初值两项显示的数据以分数形式表示，分母为该目标参数中包括的分目标总数，分子为已满足优化要求的分目标数。这时优化进程指示器中竖直黑粗线升高的位置表示已满足优化要求的分目标比例数。只有当所有分目标均满足优化要求，优化进程指示器才由红色变为绿色。详细情况见9-7-2节例。
(5) 热点区域：图9-3所示指标信息显示框的右下方称为热点区域(hot spot)。用鼠标左键连击该区域，屏幕上将弹出优化指标参数设置框，(见图9-19)，用于设置或修改与约束条件或目标参数有关的参数设置(见9-4节)。
2. 元器件参数显示区和参数调整信息显示框

图9-5 元器件参数
调整信息显示框

图9-2中带有Parameters小标题的区域用于显示优化过程中被调整的元器件参数信息。该区中每一个小方块代表一个可调整的元器件参数，称为参数调整信息显示框，如图9-5所示。该显示区中最多可包括8个信息显示框，同时显示优化过程中8个元器件参数的调整变化情况。
与图9-4对比可见，图9-5中只是没有优化进程指示器，其他4部分(包括hot spot)与图9-4中相同，其含义也类似。
3. 优化信息显示区

图9-6 优化信息显示区

图9-2中最左边部分为优化信息显示区，如图9-6所示，包括4个部分。
(1) 目标参数误差指示器：该区域中竖直细条图形用于指示目标参数的当前值与要求达到的优化目标值之间的差距。开始优化时，该差距指示为100％，随着优化的进行，目标参数当前值向要求的优化目标值接近，指示器中粗黑线高度下降。
(2) 优化结果均方根(RMS: Root-Mean-Square)误差：每迭代一次，根据每个目标参数当前值与要求达到的优化目标值之间差值计算的均方根值显示在“RMS Error”一栏。RMS计算中只包括目标参数的优化结果，不考虑约束条件的情况。
(3) 迭代次数统计：优化过程中，每调整一次元器件参数值为一次迭代。在Iteration一栏显示的是优化过程中已进行的迭代次数。
(4) 模拟次数统计：优化过程中，为了在保证满足约束条件的前提下，确定元器件参数的调整方向和调整幅度，往往要进行几次PSpice模拟。在Simulations一栏显示的是优化过程中已进行的模拟次数。
9-2-3 PSpice Optimizer命令系统

图9-7 File子命令菜单

由图9-2可见，PSpice Optimizer中有5条主命令，下面介绍与这5条主命令相应的子命令菜单结构和作用。
1. File
在图9-2中选择File主命令后，其下拉式File子命令菜单如图9-7所示，共包括6条子命令。下面简要介绍这6条子命令的功能。
(1) New：结束当前优化过程，开始一个新的电路优化设计(见9-8-1节)。
(2) Open：打开一个已有的.OPT文件，调出该文件中存放的优化参数设置信息。
(3) Save：将当前电路优化设计参数设置存入.OPT文件，文件主名为设计项目名。
(4) Save As：将当前电路优化设计参数设置存入另外的文件中。
(5) Report：显示当前优化设计的有关信息和计算结果(见9-5-2节)
(6) Exit：退出PSpice Optimizer。

图9-8 Edit子命令菜单

2. Edit
在图9-2中选择Edit主命令后，其下拉式Edit子命令菜单如图9-8所示，共包括7条子命令，他们是在电路优化设计过程中调用较多的子命令。
(1) Parameters：用于新建、修改、删除待调整元器件参数的设置(见9-3节)
(2) Specifications：用于新建、修改、删除约束条件和目标参数的设置(见9-4节)
(3) Store Values：用于保存优化过程的中间结果(见9-6-5节)。
(4) Reset Values：在优化过程中或结束优化后，执行本条子命令，将恢复优化前的设置(见9-6-5节)。
(5) Round Nearest：优化结束后，将优化得到的最佳元器件值取为最接近的元器件系列标称值(见9-5-2节)。
(6) Round Calculated：按最近一次优化结果确定元器件优化值(见9-5-2节)。
(7) Update Schematic：用优化结果得到的元器件最佳值更新电路上相应元器件取值(见9-5-2节)。
3 Tune
图9-2所示优化窗口中Tune命令的主要作用是启动优化过程。选择执行Tune主命令，屏幕上出现的下拉式Tune子命令菜单如图9-9所示，共包括4条子命令。

图9-9 Tune子命令菜单

(1) Update Performance：根据当前元器件参数的设置值，调用PSpice程序，模拟分析电路特性(见9-5-1节)。
(2) Update Derivatives：根据当前设置值，分别计算每一个优化指标对每一个元器件的导数(见9-5-2节)。
(3) Show Derivatives：在屏幕上显示当前的导数计算值(见9-5-2节)。
(4) Auto：完成优化参数设置后，执行本条子命令，系统即开始优化计算过程(见9-5-1节)。
4 Options

图9-10  Options
子命令菜单

Options的主要作用是设置任选项参数。其下拉式子命令菜单如图9-10所示，只包括两条子命令。
(1) Defaults：用于设置与优化过程有关的任选项参数(见9-2-4节和9-2-5节)。
(2) Recalculate：在优化过程中，选择执行本条子命令，可以检查、分析优化参数变化时对优化结果的影响(见9-6-2节)。
5 Help
与OrCAD其他软件中的命令系统类似，Help用于提供帮助信息，主要有程序的版本信息，以及Internet网络资源Web Resources，包括OrCAD网址、经由Internet网提供的设计信息与知识信息等。
9-2-4 基本任选项参数(Default Options)



图9-11 基本任选项参数设置

本节和9-2-5节介绍Optimizer的两类任选项参数含义和设置方法。任选项参数设置结果与优化指标(9-4节)以及调整参数的设置结果(9-3节)一起，自动存放在以.OPT为扩展名的文件中。从图9-7所示File命令菜单中选择执行Report子命令，可显示任选项参数的设置结果(见9-5-2节)。
在图9-10所示Options命令菜单中，选择执行Defaults子命令，屏幕上将弹出基本任选项参数设置框，如图9-11所示，共有4项参数需要设置。
1. 导数计算中的步长控制(Delta)
(1) 优化过程中的导数计算：根据PSpice中采用的优化算法，在优化过程中，为了确定元器件参数的调整方向，需要计算目标参数对元器件参数的导数。对简单的一维情况，导数是通过下列有限差分公式计算的：
fˊ(x) [f(x+h)-f(x)]/h       (9-1)
式中x为元器件参数值，f(x)为目标参数与元器件参数之间的函数关系，h为步长。
(2) 步长的控制：图9-11中，Delta参数用于设置h值的相对大小。其内定值为0.01，即将h值取为元器件参数值的1％。对一般情况，这一内定设置值是合适的。由于f(x)一般为非线性函数，如果步长h太大，由(9-1)式计算导数的近似程度将变差。如果步长h太小，由于数值计算的不精确性，由(9-1)式计算导数值的数值误差将增大。
2. 最大迭代次数限制(Max. Iterations)
图9-11中“Max. Iterations”参数的设置值决定了优化过程中最多允许进行多少次迭代。当迭代次数达到这一设置值时，不管优化目标是否实现，也不管优化过程是否在不断向目标值靠近，PSpice Optimizer将终止优化过程。
3. 优化过程中信号波形显示的控制(Display)
如第五章所述，在Probe窗口中显示的PSpice A/D模拟结果信号波形可以通过执行Display Control子命令存储起来，供以后调用。在进行优化的过程中，也可以采用这种方式，在优化迭代过程中观察信号波形的变化情况。图9-11中，“Display”一栏文本框用于指定在PSpice Probe窗口中存储显示信号波形时采用的Display名称，同时应在其下方DC、AC和TRAN中选定显示信号的分析类型(见9-7-2例)。
4.  Probe文件名设置
在进行上述3中Display参数设置时，如果在PSpice A/D的Probe窗口中用Display Control存储显示信号波形的文件不是内定的.PRB文件，则需要在图9-11中Probe File一项填入该文件名称。
在优化过程中观察信号波形变化情况的具体方法将在9-7-2节介绍。
9-2-5 高级任选项参数(Advanced Options)
在图9-11中按“Advanced Options”按钮，屏幕上将出现如图9-12所示高级任选项参数设置框，包括3项参数。
1. 内部步长减小比例的控制(Cutback)

图9-12 Advanced Options设置框
在优化过程中，为了进一步获得最优结果，有时需要减小元器件参数变化的步长。图9-12中Cutback option的设置值决定了允许采用的步长减小最小比例。系统内定设置值为0.25。
2. 元器件参数调整步长的控制(Threshold)
优化过程中，调整元器件参数值时，允许采用的元器件参数最小变化量取决于图9-12中Threshold参数的设置值。例如，若将本选项设置为0.01，则优化过程中元器件参数变化步长至少为元器件参数当前值的1％。本选项的内定值为0。
3. 单个目标参数情况下优化算法的选定(Least Squares/Minimize)
无论是有约束优化还是无约束优化，PSpice Optimize提供有下面两种算法。
(1) 最小二乘算法(Least squares)：将每个目标参数值与其要求的优化目标值之差平方后再求和，构造一个最小二乘目标函数。通过使目标函数最小化的方法实现优化。
(2) 直接最小化算法(Minimize)：对功耗或传输时间这类目标参数，可以通过直接使其最小化的方法进行优化。如果目标参数(例如增益)的优化目标是使其尽量大，则取该目标参数的负数，就成为最小化优化问题。
在PSpice Optimize优化程序中，对多个目标参数的优化问题，均采用最小二乘算法。若目标参数只有一个，采用最小二乘算法还是直接最小化算法，取决于图9-12中One Goal一栏的参数选择。
9-3 待调整元器件参数的设置
如9-1-3节所述，调用PSpice Optimizer对电路进行优化的关键是设置好与优化有关的3类参数，即：待调整的元器件参数、目标参数和约束条件。9-3和9-4节将结合一个简单的实例，详细介绍这3类参数的设置方法。
本节介绍待调整元器件参数的设置、增添和修改方法。
9-3-1二极管偏置电流的优化确定(例)

图9-13 二极管电路的优化设计(例)

图9-13是一个简单的二极管电路。已知直流电源电压为5V，二极管型号为IN914。现在的问题是如何优化确定电阻R1阻值，使通过二极管的电流为1mA( 5uA)。
对上述问题，由于二极管是一种非线性器件，因此采用手工计算方法将很繁杂，而且很难得到最优解。若采用4-2节介绍的参数扫描分析方法，改变R1，进行DC参数扫描分析，也可以得到最终解。但是，需要进行的模拟次数将较多，特别是如果R1变化范围较大而扫描步长又较小时，参数扫描中需要进行的模拟次数将很多。下面以这一简单电路为例，说明优化参数的设置和电路优化的全过程。
采用第二章介绍的方法，调用OrCAD/Capture软件可以很方便地绘制图9-13所示电路。为了表示电阻R1是优化过程中的可调整参数，因此将其阻值设置为{R1Val}，同时还需要按下面9-3-2节介绍的方法在电路图上放置OPTOPARAM符号，设置待优化调整的元器件参数。绘制好电路图后，还应该像常规电路模拟那样，选择执行图9-1所示PSpice子命令菜单中的New Simulation Profile子命令，设置分析类型和分析参数。对图9-13电路，要求在V1＝5V情况下，二极管电流I(D1)=1mA，因此需要进行DC扫描分析，在如图4-2所示DC扫描分析参数设置框中完成下述参数设置：
Swept Var Type ：Voltage Source
Sweep Type    ：Value List
Name         ：V1
Values         ：5V
9-3-2在OrCAD/Capture中设置待调整的元器件参数
如9-2-1节所述，要对一个电路进行优化设计，首先必须在电路图上放置OPTOPARAM符号，设置待优化调整的元器件参数。
1. OPTOPARAM符号的放置

图9-14  OPTPARAM符号
在OrCAD/Capture环境下绘制好电路原理图(例如图9-13所示二极管电路)后，从PSpice主命令的下拉式子命令菜单(见图9-1)中选择执行Place Optimizer Parameters子命令，即调出如图9-14(a)所示待调整元器件参数符号。用户可以按放置电路元器件符号的方法将其放于电路图的任一位置。
说明：OPTPARAM符号未存放在图形符号库中，因此不能像调用一般元器件符号那样，通过选择执行Capture中Place主命令下的Part子命令放置，而必须如上所述选择执行PSpice主命令下的Place Optimizer Parameters子命令。但是，一旦在电路图上放置有该符号后，与该电路设计有关的本地符号库“Design Cache”中将包括有该符号。
2. 待调整元器件参数设置
OPTPARAM符号刚放置在电路图上时，该符号处于选中状态。这时按鼠标右键，从屏幕上弹出的命令菜单中选择执行Edit Properties，屏幕上将弹出待调整元器件参数设置框，如图9-15所示。共有7项参数需要设置。用鼠标左键连击OPTPARAM符号，也可调出图9-15所示参数设置框。
(1) Name：设置待调整的元器件参数名。采用的名称应该与电路图中已有的名称相一致。对图9-13电路实例，该项设置为R1Val。
(2) Initial：本项设置确定优化时待调整元器件的初值。显然，若设置的初值接近最优目标结果值，不但可加速优化过程，而且可保证优化过程的顺利完成。因此，如果可能的话，最好在优化之前，通过某种近似方法(例如：粗略手工估算，参数扫描分析等)，计算出该元器件参数的近似解。对图9-13所示电路，若不考虑二极管正向压降，要求在V1＝5V情况下要产生1mA电流，可以取R1＝5K作为初值。
(3) Current Value：优化过程中，该项将给出当前R1的优化计算值。刚开始进行优化时，将本参数设置为与初值相同。
(4) Tolerance：完成优化设计后，确定的最佳元器件参数值不一定是该类元器件标准系列值中的一个。如果要用最接近的系列值代替优化结果要求的数值，本参数用于指定采用什么精度等级的标准系列值(见9-5-2节)。对图9-13二极管电路，本参数取为10％。
(5) Lower：确定优化过程中，该参数允许取值范围的下限。
(6) Upper：确定优化过程中，该参数允许取值范围的上限。显然设置的上、下限应将最优解包括在其范围内，不然将无法得到最优解。对图9-13电路，电阻R1Val的上、下限分别取为10K和100欧姆。
(7) 优化起始点的确定：图9-15中Simulation with一栏用于确定以那一个值作为优化时的初值。在优化过程已进行了一段时间以后，Current Value与Initial Value并不相同。若选中Current Value，则从当前值开始，继续优化过程。若选中Initial Value，则从设置的初值开始，即从头开始重新进行优化。当然，刚开始优化时，这两个值相同，无论选中那一项，实际上都是从初值开始优化。


图9-15 待调整元器件参数设置框

完成上述设置后，按图中Add按钮，设置结果将如图9-15所示，出现在下半部分参数列表区中。同时也出现在电路图中OPTPARAM符号下方，如图9-14(b)所示。
3. 参数设置的添加
如果待调整的参数不止一个，可继续重复上述过程，在各栏中直接键入设置值以后，按Add按钮，完成其他可调整参数的设置，并使设置结果出现在图9-15的参数列表区和图9-14(b)所示电路图中OPTPARAM符号的下方。
4. 参数设置的修改
在图9-15参数列表区选中一个参数名，该参数的设置值将显示在图9-15中相应各栏内，用户可根据需要采用文本编辑方法修改参数设置，然后按图中Change按钮，即完成对该参数设置的修改。图9-15下半部分参数名列表区和电路图中OPTPARAM符号下方均显示出修改后的设置值。
5. 参数设置的删除
在图9-15参数列表区选中一个参数名后，若按图中Delete按钮，则被选中的参数设置全部被删除。
6. 参数设置状态的结束
完成上述设置后，按图中OK按钮，即完成待调整元器件参数的设置，并退出参数设置状态。这时可选择执行图9-1所示PSpice子命令菜单中Run Optimizer子命令，调用Optimizer模块。
9-3-3 在Optimizer中设置待调整的元器件参数
上面介绍了如何在OrCAD/Capture环境下设置、修改、删除待调整元器件参数的具体方法。这些工作也可以在PSpice Optimizer程序中完成。
1. 参数设置过程的启动


图9-16 待调整元器件参数设置框

调用Optimizer程序后，在图9-8所示Edit子命令菜单中选择执行Parameters子命令，屏幕上即弹出如图9-16所示设置框。在参数列表区中列出已设置的参数名称。若尚未设置任何参数，则列表区中只有一条处于选中状态的空白行。
2. 新增待调整参数设置(方法一)
在图9-16中按Add按钮，屏幕上即弹出图9-17所示新增参数编辑框。若在图9-16中用鼠标左键连击参数名列表区中已有参数的下方空行位置，也可调出图9-17编辑框。
图9-17中各项参数与图9-15中的相同。只是每一项中给出了“内定设置”，用户只需用常规文本编辑方法修改各项参数即可。另外图9-17中Enabled一项用于确定表中设置的参数在优化中是否要被考虑。
3. 待调整参数设置结果的修改


图9-17 Edit Parameter框

在图9-16参数列表区选中一个参数名后，按图中Change按钮，屏幕上即出现如图9-17所示参数编辑框，并显示出选中参数的设置值。用户可根据需要修改图中设置值，包括可以修改参数名Name的设置，然后按OK按钮，即完成对设置结果的修改。在图9-5所示元器件参数调整信息显示框中，连击位于右下角的热点区，也可调出图9-17参数设置编辑框，修改参数设置。
4. 参数设置的删除
在图9-16参数设置列表区选中一个参数设置名，按图中Delete按钮，则被选中的参数设置将被删除。
5. 新增待调整参数设置(方法二)
结合使用图9-16中Copy、Insert和Change按钮，按下述步骤可以在一个已有参数设置的基础上，新增一个参数设置。
(1) 在图9-16参数列表区选中一个参数名后，按图中Copy按钮，将该参数设置值存入内存缓冲区。
(2) 在图9-16中按Insert按钮，存入缓冲区的参数设置被调出并作为单独一项插于参数列表中。
(3) 在图9-16参数名列表区选中新插入参数名，按图9-16中Change按钮，屏幕上弹出图9-17所示参数设置编辑框，用户可将其Name改为新的参数名，并根据需要修改其他参数设置值，然后按OK按钮，即将插入的参数设置改为新增的参数设置。
9-4 目标参数和约束条件的设置
本节首先对目标参数和约束条件的有关问题作简单说明，然后详细介绍其参数设置方法。
9-4-1 与优化指标设置有关的几个问题
1. 优化指标和优化目标值
(1) 优化目标值：如9-1-1节所述，目标参数和约束条件都是在电路优化设计中需要满足的指标，因此又统称为优化指标。在优化设计中，对每个优化指标都有一个要求达到的优化目标值。
(2) 优化指标的个数：根据PSpice Optimizer模块的规定，对于一个电路优化设计问题，优化指标最多不能超过8个，而且其中至少要有一个是目标参数。
(3) 优化目标值的表示方式：对目标参数和约束条件进行设置时，其优化目标值的表示方式并不相同。目标参数的优化目标值用区间表示，例如要求作为目标参数的功耗优化目标值为(4 0.4)mw。对约束条件，其优化目标值可采用下述3种不同的表示方式：要求小于等于优化目标值，等于优化目标值，或大于等于优化目标值，没有区间表示方式。优化过程中，系统将给予约束条件较高的权重。考虑到优化目标值表示方式的区别，在对具体电路进行优化设计时，将那些优化指标作为目标参数，那些作为约束条件，是一个需要由用户考虑确定的问题。不同的划分方式将会导致电路优化设计的最终结果不完全相同。
(4) 优化目标值的提供方式：根据优化对象的不同，优化目标值的提供方式也不相同。对电路进行优化设计时，在设置目标参数和约束条件时，直接指定优化目标值。对晶体管模型参数优化提取一类优化问题，涉及的优化目标值数据较多，需要采用一个外部文件(详见9-7-2节例 )。
2. 优化指标的定量计算方法
电路优化设计的目的是通过调整元器件参数值，使优化指标得到满足。因此就要求能将优化指标定量表示为待调整元器件参数的“函数”，即根据元器件参数值，可以定量计算出优化指标。在PSpice Optimizer中，优化指标可以采用3种不同的表示方式。
(1) 直接采用电路模拟结果数据，包括模拟结果的运算表达式。例如图9-13所示二极管电路优化设计中，优化参数是流过二极管的电流，也就是电路模拟给出的结果I(D1)。如果电阻功耗也作为一个约束条件，可将功耗表示为I(R1)*V(R1:1,R1:2)。
(2) 特征值函数。如6-4节所述，采用特征值函数，可以从电路模拟结果波形中提取出特征值。在电路优化设计中，相当多的优化指标都可以用这些特征函数表示(见9-7-1节例)。OrCAD提供的几十种特征函数定义存放在ASCII码文件PSPICE.PRB中，可以直接调用。用户也可以根据6-4节介绍的定义格式，自行定义需要的特征值函数，添加到PSPICE.PRB文件中，或形成一个只用于当前电路设计的本地.PRB文件。
(3) 采用下述运算符和函数对待调整元器件参数进行运算的优化表达式：＋(加)、－(减)、*(乘)、/(除)、**(指数)、exp(以e为底的指数)、log(以e为底的自然对数)、log10(以10为底的常用对数)、sin(正弦函数)、cos(余弦函数)、tan(正切函数)、atan(反正切函数)。
3. 优化指标设置过程的启动
如9-3节所述，待调整元器件参数的设置，既可以在OrCAD/Capture环境下进行，也可以在PSpice Optimizer优化模块中进行。但是，要设置优化指标参数，必须首先启动优化模块，在图9-2所示Optimizer窗口中选择执行图9-8所示Edit子命令菜单中Specifications子命令，屏幕上即弹出如图9-18所示优化指标设置框。与图9-16对比可见，两个图的结构相同，都包括一个显示已有设置的列表区，同时带有Add、Change、Delete、Copy、Insert按钮，用于新增、修改、删除、复制和插入一个设置。因此优化指标的设置思路与待调整元器件参数的设置思路基本相同。
9-4-2 新增优化指标

图9-18 优化指标设置框

在图9-18中按Add按钮，屏幕上将弹出图9-19所示新增优化指标设置编辑框。若在图9-18中连击优化指标列表区中已有优化指标下方的空行位置，也可调出图9-19编辑框。图中显示的是针对图9-13二极管电路优化设计的目标参数设置实例。


图9-19 Edit Specification框

与图9-17元器件参数编辑框对比可见，图9-19优化指标编辑框要复杂得多，需要设置的项目有7类14项，比图9-17中的多。
1 Name
本项用于设置优化指标的名称。刚调出图9-19编辑框时，该项中已有名称<<new>>，用户可直接修改该名称。图9-19是针对图9-13电路的优化问题。由于要求流过二极管的电流为1mA 5uA，因此将Name项设置为Id1。
2 Enabled
只有使Enabled处于选中状态，在优化中才会考虑该项优化指标。
3 Reference
本项设置用于指定优化指标要达到的优化目标值要求来自何处。若选择该栏中的Internal，则同时在图9-19编辑框中下面的Internal一栏设定优化目标值。若选择该栏中的External，则优化目标值将由一个外部文件确定(见9-7-2节例)。
4 Weight
在有多项优化指标的情况下，本项设置值用于指定不同优化指标权重因子的相对大小。该项设置值大，在优化设计过程中给该项优化指标的相对权重就大。
5 Internal
若在上述Reference一栏选中Internal，则要达到的优化目标值要求将由本栏中的4项设置确定。
(1) Target：确定要达到的优化目标理想值。对图9-13电路，图9-19中设置为1mA。
(2) Range：确定优化目标值的允许范围。对图9-13电路，要求I(D1)电流为1mA 5uA，因此图9-19中Range一项设置为5uA。
(3) Constraint：本项设置用于指定图9-19设置的优化指标是目标参数还是约束条件。若使本项处于选中状态，则图9-19设置的是约束条件，否则为目标参数。
(4) Type：如果上述Constraint处于选中状态，即图9-19设置的是约束条件，就还需要进一步设置如何用上面设定的Target优化目标值表示约束条件。在Type右侧的下拉式列表中，有 <=target、=target和>=target共3项，分别表示约束条件是要求小于等于、等于、大于等于设定的target目标值，供用户选用。对图9-13二极管，I(D1)是优化参数，不是约束条件，因此Constraint未处于选中状态，Type一栏设置为灰色显示，表示不起作用。
6 External
若在上述Reference一栏选中External，则要达到的优化目标值要求由一个外部文件确定。本栏中的4项用于指定有关的几个问题。
(1) File：用于指定外部文件名称。在该项的右边有一个浏览按钮，可帮助用户尽快确定外部文件名。
(2) X Column Name和Y Column Name两项用于指定从外部文件中如何读取数据。详细内容见9-7-2节例。
(3) Tolerance：本参数用于确定优化的精度要求。只有当所有的优化分目标与外部文件中规定的优化目标值要求之差均不大于本项设置值时，才算满足优化要求。
7 Analysis
本栏包括的4项设置用于确定与优化指标定量计算有关的问题。
(1) 分析类型：用于指定优化指标定量计算是基于那一种类型的电路特性分析。设置时应从AC、DC、TRAN中选择一种。对图9-13二极管电路的优化问题，I(D1)为直流电流，因此DC处于选中状态。
(2) Simulation Profile or Circuit File：用于设置电路特性分析时采用的电路描述文件或电路特性分析类型描述文件。如果是按9-1-3节介绍的方法，在OrCAD/Capture中完成电路图设计后继续电路优化设计，则相应的电路文件名将自动出现在本项设置中。
(3) Probe File Containing Goal Functions：如9-4-1节所述，定量计算优化指标的方法之一是采用特征值函数，而且在OrCAD提供的PSPICE.PRB文件中提供有几十种特征值函数供选用。如果用户采用的是自行定义的特征值函数，并且未添加在PSPICE.PRB文件中，则应在本项中设置存放该特征值函数的文件名。
(4) Evaluate：这是一项关键的设置，用于指定按什么方式定量计算优化指标(见9-4-1节)。对图9-13所示二极管电路，目标参数为流过二极管D1的电流，是电路模拟的直接结果，因此本项设置为I(D1).
9-4-3 优化指标的编辑修改
对已设置好的优化指标进行修改、删除、添加等操作，与9-3-3节介绍的待调整元器件参数的修改、删除、添加等操作方法非常类似。
1 优化指标设置的编辑修改
在图9-18所示优化指标列表区选中一项优化指标后，按图中Change按钮，屏幕上即出现如图9-19所示优化指标编辑框，并显示出该优化指标的设置值。用户可根据需要修改图中设置值，包括可以修改优化指标名Name的设置，然后按图中OK按钮，即完成对该优化指标设置的修改。
在图9-3所示优化指标信息显示框中，连击位于右下角的热点区(hot spot)，也可以调出图9-19优化指标编辑框，修改有关设置。
2 优化指标设置的删除
在图9-18优化指标列表区选中一个优化指标后，按图中Delete按钮，则被选中的优化指标设置将被删除。
3 利用已有优化指标新增一个优化指标设置
与图9-16中待调整参数的设置情况类似，结合使用图9-18中Copy、Insert和Change按钮，按下述步骤，可以在一个已有优化指标设置的基础上，新增一个优化指标设置。
(1) 在图9-18优化指标列表区选中一个优化指标，按图中Copy按钮，将该优化指标设置值存入内存缓冲区。
(2) 在图9-18中按Insert按钮，存入缓冲区的优化指标设置将被调出，并作为单独一项插于优化指标列表区中。
(3) 在图9-18优化指标列表区选择新插入的优化指标，并按图中Change按钮，屏幕上将弹出图9-19所示优化指标设置编辑框，用户可将其Name改为新的优化指标名，并根据需要修改其他项目设置值，然后按OK按钮，即将插入的优化指标设置改为新增的优化指标设置。