【導(dǎo)讀】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。
推薦閱讀：
