某型设备电子元器件和电路容差分析

摘要在要求高可靠性的电子产品设计中，对电子元器件的选择以及电路的设计提出了要求。对所设计的电路进行必要的容差分析，能够降低设计的时间和成本，提高设计效率和产品可靠性，也能够提高在大批量生产时的产品合格率，保证产品的质量。

【关键词】电子元器件 电路 容差分析

在设计电子产品时，研究各个参量的变化对电路特性的影响是很重要的，这就是所谓的容差分析。电子元器件在生产过程中由于生产设备的加工工艺误差或材料等原因，使得生产出的电子元器件的电参数与设计标称值存在一定的容差，由于该容差的存在，在使用这些器件的电路中会出现通过计算设计的结果与实际测量结果有偏差的情况。因此在电路设计过程中，需要针对电子器件存在的电参数容差对设计电路的影响进行评估，并根据评估结果来选择器件合适的容差范围，从而提高电路的可靠性并有利于成本的控制。本文通过具体的容差分析对某通信设备的设计可靠性进行分析。

1 采用容差分析的原因及解决途径

容差分析方法实际上是性能参数稳定性预测方法。导致设备性能不稳定或达不到可靠性要求的主要原因有：

（1）组成设备的元器件参数通常是以标称值表示的，其实际数值存在着公差，忽略公差，电路参数可能超出允许范围，发生参数漂移；

（2）设备工作环境条件的变化；

（3）时间积累引起的器件参数的退化老化效应。

对于一个具体元器件来说，上述第一个原因产生的电路参数偏差是固定的。第二个原因产生的偏差在许多情况下是可逆的。即随着条件而变，参数可能恢复到原来数值。第三个原因产生的偏差是不可逆的。当上述几种偏差超过一定限度——设计容限，设备就会产生故障。

当出现这类故障时，用简单的故障隔离方法，无法确定出某个元器件是否失效或输入是否正常，通常只能通过以下两种途径来解决：

（1）更改电路设计，使电路允许元器件有较大的公差，属于电路优化设计的范畴；

（2）只对其中影响设备性能参数较大的元器件提出低公差要求，而对那些影响不大的元器件，则用一般公差要求。

2 容差分析需要考虑的参数

在进行电路容差分析时，需要考虑输入信号或电源电压、频率、带宽、相位等参数的最大变化及负载阻抗特性，也需要考虑电路节点参数、电路元件的过渡特性、时序作用的时间、电路的功率消耗以及在最坏情况下的电路与负载阻抗匹配等参数对电路性能影响。

3 确定待分析的电路

需要进行容差分析的电路是和设备的主要收发性能相关的电路，本通信设备的主要收发性能指标是发射功率、接收灵敏度，这两项指标在设备中主要由发射射频电路、接收射频电路组成，因此需要对这两个电路的通道特性进行电路容差性分析，这两个电路由多个子电路构成。

需要进行容差分析的电路包括：

（1）自己搭建设计的子电路（主要由RLC器件组成的射频滤波电路、匹配电路等）；

（2）外购电路组件；

（3）发射通道主要考虑各子电路的容差对射频信号增益的影响是否满足要求；

（4）接收通道主要考虑各子电路容差对其增益、噪声系数的影响是否满足要求。

4 明确电路设计的有关基线

被用于进行容差分析的各电路应有明确的设计目标的要求。在进行容差分析前必须提出其指标性要求，并确定最大恶化的基线，作为容差分析中的基准。

5 电路分析

发射通道主要由223MHz低通滤波器、数控衰减器、2个放大器，2个滤波器、功放电路及功放谐波滤波电路组成。其中223MHz低通滤波器和功放谐波滤波器是自设计电路。在进行系统级联分析前需要对这两个电路进行容差分析。

接收通道的自设计电路有像频抑制滤波器，本振滤波器，这两个電路要在进行通道级联设计前先进行容差分析。

6 容差分析

进行容差分析需要进行大量的计算工作，目前使用手工计算是不能够完成这样的工作量的，因此需要使用EDA工具(本文使用AWR公司的AWRDE电路仿真工具)进行仿真、分析，这样做起来比较快捷、准确。在设计阶段进行容差分析，可以确定所分析元器件及电路的选择原则，对于器件的采购和后期的调试会有很大的帮助。

确定需要分析的子电路，需要分析的子电路主要为自己设计的功能电路，外购电路、子电路采用厂家提供的性能容差数据来进行分析即可。

7 子电路容差分析

7.1 发射通道223MHz低通滤波器容差分析

223MHz低通滤波器的容差分析，该电路使用的电容是普通贴片电容，使用的高频电感是1008CS系列电感，电容电感的参数容差设计为5%。该电路的原理图如图3所示。

图3中各器件使用的都是厂家提供的模型，参数的容差的选择都是5%，对于滤波器的要求是在223MHz以内的插损不能超过1.5dB，二次谐波以上抑制要大于25dB。使用1000次随机容差仿真的结果如图4。

由软件的仿真结果说明使用5%容差的器件是可以满足设计的要求的。在1000次随机迭代曲线中，没有一条曲线是超过限制区的，说明该电路的成品率是100%。

7.2 功放输出滤波器容差仿真

功放输出滤波器主要作用是实现功放输出二次及高次谐波的抑制，其使用电感为自制线绕电感，使用的电容为高Q大功率电容。在仿真中使用Q值为200的电感模型来模拟自制线绕电感，使用Q值为400的电容模型来模拟高Q大功率电容，所有器件的参数容差都设计为5%如图5。

对于该电路的容差基线要求为223MHz以下的S21不比-2.5dB差，而348MHz以上的S21要小于-35dB。经过对该电路进行1000次随机迭代仿真后，得到的结果如图6。

由图6的仿真结果看出，有部分曲线在223MHz附近出现越界，由软件得到的电路成功率为99.2%。说明该电路的成品率是足够高的，而且由于电感是可调器件，可以对电容出现的容差进行调整弥补，还可以使该电路的成品率达到更高。

7.3 接收通道像频抑制滤波器的容差分析

该电路使用的电容是普通贴片电容，使用的高频电感是1008CS系列电感，电容电感的参数容差都设计为5%。该电路的原理图如图7。

对于该电路的容差基线要求为108MHz以下的S21不比-2.5dB差，而138.2MHz以上的S21要小于-35dB。经过对该电路进行1000次随机迭代仿真后，得到的结果如图8。

由图8的仿真结果看出，没有曲线出现越界现象，由软件得到的电路成功率为100%。

7.4 接收通道本振滤波器仿真

该电路使用的电容是普通贴片电容，使用的高频电感是1008CS系列电感，电容电感的参数容差都设计为5%。该电路的原理图如图9。

对于该电路的容差基线要求为88MHz以下的S21不比1dB差，而200MHz以上的S21要小于-35dB。经过对该电路进行1000次随机迭代仿真后，得到的结果如图10。

由图10的仿真结果看出，没有曲线出现越界现象，由软件得到的电路成功率为100%。

7.5 通道性能分析

发射通道的原理框图看图1，其主要电路子电路构成如表1。

由于AD9858的输出功率是-5dBm，到功放输出的功率要满足47dBm，因此整机的增益必须大于52dBm，由于功放可以调节增益，因此整机增益大于52dB的都能够满足设计的需求。使用上表的数据进行1000次随机迭代的结果如图11。

由仿真结果说明，在级联情况下各子电路的差异对发射通道的增益是有影响的。上图的仿真结果可以看出，所有迭代曲线都没有出现越界，说明发射通道的电路设计和器件的选型是能够满足整通道的设计要求的。

7.6 接收通道性能分析

接收通道的主要外购器件及其容差参数见表2。

在进行通道级联的增益仿真时，需要将之前仿真好的子电路代入到框图中进行仿真，对于接收通道的增益性能进行1000次迭代容差仿真结果如图12。

由图12可以看出，接收通道的增益设计要求是大于33dB，通过上图的分析结果可以看出各子电路的自身误差对接收通道的增益的变化区间落在了35dB-38dB之间，说明该通道设计中采用的电路、和自己设计的子电路是合理的，能够满足接收通道的增益的设计要求。

8 分析结论

通过上述对电路的仿真过程及仿真结果说明，自制子电路采用要求为5%容差的器件进行设计的电路是能够满足电路设计的要求的。

子电路与外购器件的容差性能对级联后的发射和接收通道的性能都没有恶化的现象，说明子电路设计是正确的，对外部器件的选型也是正确的。

因此可以得出结论，本设备的电子元器件选择和电路的容差设计是符合设计要求的。

作者简介

郑剑彪（1978—），男，广东省广州市人。现为中国电子科技集团公司第七研究所工程师。

作者单位

中国电子科技集团公司第七研究所广东省广州市510310

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