欢迎来到半导体与芯片的世界 - 模拟电路
作者：鲁肃老师（张飞实战电子高级工程师）我们知道了三极管MOS管在进入饱和导通之前，必然会经过放大区。好在三极管经过放大区的时间很短，但是MOS管在米勒平台这段区域的时间会更长，也会更容易损坏。学海无涯：MOS管快速入门到精通，看看这篇！117 赞同 · 2 评论 文章上面是Vgs波形，接下来我们来看Vds波形是什么样子的。那么，我们知道当Vgs电压达到Vth时，MOS管进入放大导通区域，而此时D端的电位会从原来的200V在t1~t2期间内会有略微的下降。同时，我们也知道，在Vgs电压达到Vth时，Id开始有电流了。我们通过固有转移特性知道，Vgs和Id成比例变化的，所以在米勒平台区域Id电流也是几乎没有变化，理想情况下，我们就认为它们是不变的。那么，到了某一时刻（t3），米勒平台效应就会结束。在米勒平台期间，MOS管的DS内阻Rdson在逐渐变小。工作在米勒平台区域，与工作在平台后的区域，管子的功耗问题。工作在米勒平台区域：管子内阻虽然在变小，但是还是很大。由于电流都是最大，所以功耗大。工作在平台区域之后：由于Rdson极小，所以功耗小。管子工作在饱和导通状态，相对比较安全。但是还是比较怕很高的dv/dt di/dt，因为这样斜率很陡，就会对MOS管产生冲击。一般在半导体器件的数据手册里面，都会标出它所能承受的最大的dv/dt di/dt。实际上MOS管有很多种沟道:最下面的沟道抗冲击最强，不过是英飞凌的，申请了发明专利。我们知道了，MOS管在米勒平台区发热量极大，内部结温很高，如果来了一个很大的冲击能量，还没等到结温往外散掉，就已经损坏了。如果你这个时候，虽然在外部测量到的表面温度不高，但是已经损坏，就是有可能是这个原因所导致的。接下来我们继续研究下面这幅图。在t2~t3期间：放大区在t3之后：饱和区当饱和之后，Rdson很小，分压下来，漏极电压就会很低。理论上Vds直线下降，但事实上是非线性的。在实际测试波形时，中间那一段非线性不一定能测得出来。那么，在t3时刻之后，Vds的曲线就如下图所示。那么接下来讨论t3时刻之后，米勒效应就消失，固有转移特性结束。当米勒效应消失，就只有原来的红色这条回路了。实际上米勒电容和电压也有关系，Crss电容不是一成不变的，与漏极的电压也有关系，漏极电压越高，效应越明显；漏极电压越低，效应不明显。这就是为什么高压的管子怕米勒效应，低压的管子不怕，这都是和漏极电压有关系的。结论：高压系统中的管子，越要注意米勒效应。理论上讲，t3时刻之后，Vds就是Rdson两端的压降，待会儿再讨论这个压降还会受什么因素的影响。我们知道，在米勒平台之后，只有红色这一条回路，Vgs电压继续上升，最终充到12V。对于MOS管来说，放大区是危险区域。那么进入饱和区之后，还要深入去研究Rdson，也就是说，在饱和区内Rdson还会受到Vgs电压幅值的影响。为什么呢？理论上讲，过了平台区就完全饱和了，而平台区的电压比如说4.5V，那么5V就完全饱和了啊。但事实上，由于MOSFET内在的特性，Rdson还没达到最小，随着Vgs两端电压幅值的升高，Rdson还会继续降低。那么，是不是Vgs越大越好呢？实际上，当电压大于10V时，Rdson就变化不那么明显了。所以，一般我们都用12V 15V作为Vgs的驱动电压，一般情况下，Vgs不要超过±20V，否则管子会损坏。那么，一般为了降低导通损耗，就需要提高Vgs，这是因为P=I^2*Rdson。不管是MOSFET还是三极管，幅值都需要限额，包括电压、电流、功率等。这里顺便讲一下器件的电气特性。器件的电气特性:电压、电流、功率（器件本身的损耗）、封装器件的极限：dv/dt ，di/dt，峰值下对应的时间（不能承受太长时间）根据刚刚的分析，t3时刻之后的一小段时间还是有一点点下降的，等到Vgs电压12V时，Rdson才会真正的是一条直线。讲解人：张飞实战电子鲁肃老师https://zhuanlan.zhihu.com/p/381497952
模拟电路怎样才算入门了？请掌握这14点！
很多初学者问，怎么学习模拟电路，我得回答是：看模拟电路的书籍。朋友说，这样说太笼统了，让我仔细说一说。其实我也不知道从何说起。就把我认为该掌握的一些要点列举一下，仅共参考，如有不妥之处，敬请批评指正。1、掌握二极管，三极管，场效应的特性以及主要参数。这些是最常用到的器件。2、掌握半桥和全桥整流的形式，最长用的RC滤波，和LC滤波以及“拍”型滤波电路的应用场合，理解这些元器件的参数选取。3、掌握单管共射(共源)、共集(共漏)、共基(共栅)放大电路的组成，工作原理、特点及直流和交流等效电路分析法.牢记测试三极管和场效应管的法则，并能识别管子的管脚。4、知道差模信号和共模信号的概念，双端输入和单端输入的区别，零点漂移的原因以及克服他的方法。5、通用集成运算放大器的组成、工作原理及其主要特性，学会用分析理想运放的方法。6、正确理解什么是反馈，掌握判别电路是否存在反馈?是正反馈还是负反馈?是交流反馈还是直流反馈，是电压反馈还是电流反馈?是串联反馈还是并联反馈?7、掌握由理想运放放大器组成的反相、同相比例电路，加法运算电路，减法运算电路、积分电路和微分电路，乘法电路，指数电路和对数电路的原理，学会设计滞后比较器。8、了解频率响应和失真的概念。理解单管放大电路或者运放放大电路的 f L 、 f H 计算。9、掌握单门限电压比较器的电路组成、工作原理及传输特性。10、掌握正弦波振荡电路的振荡条件和 RC 桥式正弦波振荡电路的电路组成，振荡频率的计算，了解稳幅原理，知道最常用的典型的波形发生器电路。11、理解三点式 LC ，RC正弦波振荡电路结构及其工作原理，以及石英晶体振荡器的工作原理，知道有源晶振和无源晶振的有缺点。12、了解功率放大器的三种工作状态，甲类、乙类和甲乙类的工作特点以及功率、效率、非线性失真的物理概念和相互关系。最长用的OTL功放电路的特点以及应用场合。13、掌握三相电路的特点，无功功率，有功功率，功率因数。怎样提高功率因数。14、知道什么是调谐和解调。还有很多的方面都没有设计到，只是泛泛的列举了几条，肯定需要的知识还是很多的。
历史背景蒙特卡洛模拟的名称来源于摩纳哥的蒙特卡洛赌场，因其依赖于随机性和概率，与赌博中的随机过程有相似之处。该方法的雏形可以追溯到20世纪40年代，二战期间，美国数学家斯坦尼斯拉夫·乌拉姆（Stanislaw Ulam）和约翰·冯·诺依曼（John von Neumann）在研究核武器的概率计算时首次提出了利用随机采样解决复杂问题的思想。随着计算机技术的迅猛发展，蒙特卡洛模拟得到了极大的推广和应用。20世纪50年代，冯·诺依曼等人将蒙特卡洛方法系统化，发展了计算机实现的基本算法。此后，随着计算能力的提升和理论研究的深入，蒙特卡洛模拟在统计物理、量子力学、金融工程、工程可靠性分析等领域取得了广泛应用，并不断发展出各种改进和优化方法。一、基本原理定义问题的概率模型蒙特卡洛模拟的首要任务是明确问题中的随机性和不确定性。通常，现实世界中的问题具有复杂的概率分布，我们需要通过数学建模来表示这种不确定性。这个步骤涉及以下几个方面：确定随机变量：在许多问题中，我们会涉及到多个随机变量。比如，在金融衍生品定价中，可能涉及到资产价格、利率、波动率等随机变量。选择概率分布：对于每个随机变量，选择一个合适的概率分布来描述其行为。例如，股价可能符合对数正态分布，温度可能符合正态分布等。选择合适的分布对于模拟的准确性至关重要。关系建模：除了单独的随机变量，问题中还可能存在变量之间的依赖关系。此时，我们需要定义这些变量之间的相互关系，常见的如相关性、协方差等。生成随机样本生成随机样本是蒙特卡洛模拟的核心步骤之一。为了模拟问题中的随机性，我们需要从预先定义的概率分布中生成随机样本。这些样本将作为模拟的输入，驱动系统运行。常用的方法包括：伪随机数生成器：通常，计算机生成的“随机”数并非完全随机，而是通过算法生成的伪随机数。这些伪随机数的分布接近于理想的均匀分布或正态分布，但它们是确定性的。常见的伪随机数生成算法包括线性同余法、梅森旋转算法等。采样方法：逆变换采样：如果目标分布的累积分布函数（CDF）是已知的，可以使用逆变换法生成符合目标分布的样本。具体来说，利用均匀分布生成的随机数，通过目标分布的反函数来得到目标样本。拒绝采样：通过构造一个容易采样的辅助分布（通常是目标分布的上界），在符合一定标准的情况下接受样本，否则拒绝并重新采样。接受-拒绝算法：通过一个辅助分布生成样本，如果满足某种条件，则接受该样本，否则拒绝并重新采样。这个方法常用于复杂分布的样本生成。进行模拟实验一旦生成了足够的随机样本，接下来我们就可以进行模拟实验。这一部分的目标是通过模拟试验来了解系统的行为，或者估计某些重要的统计量。重复试验：蒙特卡洛模拟通常会进行大量独立的实验。每次实验都是基于新的随机样本，模拟系统在不同条件下的表现。通常需要多次重复实验（即多次模拟），以确保结果的稳定性和可靠性。系统模拟：在进行模拟实验时，我们将每一个随机样本输入到模型中，计算每次实验的输出。例如，在估计期权定价时，可能会模拟多次标的资产价格的路径，并计算期权的支付函数。统计分析统计分析是蒙特卡洛模拟的关键步骤之一。通过对大量实验结果的统计分析，我们可以从模拟数据中提取出有用的信息。常见的分析方法包括：4.1.均值蒙特卡洛模拟的基本目标之一是估计某个目标值统计量的期望值。通过计算所有模拟实验结果的均值，可以近似地得到目标值的期望。例如，在金融应用中，通常希望估计某个衍生品的期望价格。其中，Xi是第 i次模拟实验的结果，N是实验次数。4.2.方差与标准差为了衡量模拟结果的可靠性，我们需要计算模拟结果的方差或标准差。如果模拟结果的方差较大，可能意味着需要更多的样本以提高估计的精度。4.3.置信区间通过蒙特卡洛模拟计算得到的均值可以使用置信区间来表示其不确定性。通过假设结果服从正态分布，可以使用正态分布的性质来构造均值的置信区间。收敛性与误差分析蒙特卡洛模拟的最后一步是进行收敛性和误差分析，以确保模拟结果的可靠性。随着实验次数 NNN 的增加，模拟结果应该趋于稳定，收敛到一个真实值。这个过程涉及以下几个方面：收敛性测试：通过计算随着样本数量的增加，模拟结果的变化幅度，可以判断模拟结果是否收敛到真实值。如果模拟结果在一定的样本数后没有显著变化，则可以认为模拟结果已经收敛。误差分析：理论上，蒙特卡洛模拟的误差随着样本数量的增加而减少，且误差与样本数量的平方根成反比。因此，模拟精度随着 NNN 的增加会逐步提高。通常，我们可以计算标准误差（即均值的标准差）来量化误差：随着模拟次数 NNN 的增加，误差逐渐减少，但这也意味着计算时间会显著增加。因此，如何平衡计算时间和精度是一个关键问题。二、核心方法蒙特卡洛模拟的方法多种多样，随着应用需求的不同，出现了多种改进和优化技术。以下是几种主要的方法：1.简单蒙特卡洛方法1.1. 基本原理简单蒙特卡洛方法（Simple Monte Carlo Method）的核心思想是通过产生大量的随机样本，基于这些样本的计算结果来估计某个目标统计量或期望值。这种方法特别适合用于无法通过传统解析方法求解的问题，尤其是对于复杂的、难以直接求解的概率问题。这种方法的主要特点是通过大量的独立试验进行近似计算。简单蒙特卡洛方法的基本步骤如下：定义问题和目标：明确需要估计的目标（例如，某个期望值、积分、概率等）。通常目标是一个与随机变量相关的期望值或统计量。生成随机样本：从问题定义中提到的概率分布中采样，生成足够多的随机样本。计算目标统计量：将生成的每个随机样本带入模型中，进行计算。估计期望值：通过对所有模拟结果的平均值或加权平均值进行计算，得到目标统计量的估计。1.2. 公式表示简单蒙特卡洛方法通过大量独立的随机试验来近似求解目标的期望值。假设我们需要估计某个函数 f(X)f(X)f(X) 在某个概率分布 P(X)P(X)P(X) 下的期望值 E[f(X)]\mathbb{E}[f(X)]E[f(X)]，简单蒙特卡洛方法的估计过程可以用以下公式表示：其中：Xi是第 i 次独立试验中生成的随机样本。f(Xi)是对第 i 次样本的函数值计算。N 是试验的次数。1.3. 应用示例1.3.1.估计期望值假设我们需要估计某个随机变量 X 的期望值 E[X]，其中 XXX 服从某个已知的概率分布（例如，正态分布、均匀分布等）。简单蒙特卡洛方法的步骤如下：这个估计值会随着 NNN 的增大而越来越接近理论上的期望值 E[X]=μ。1.3.2.估计积分简单蒙特卡洛方法也可以用来估算复杂的积分，尤其是高维积分。假设我们需要估算函数 f(x) 在区间 [a,b] 上的积分：其中，p(x) 是 f(x) 的概率密度函数（如果没有特定的权重，p(x) 可以是均匀分布）。利用简单蒙特卡洛方法，可以通过以下步骤来估算积分：这个估算值将随着 NNN 的增加逐渐逼近真实的积分值。1.3.3.估计概率简单蒙特卡洛方法还可以用来估计事件发生的概率。例如，假设我们要估计某个事件 AAA 发生的概率 P(A)P(A)P(A)，我们可以通过以下步骤进行模拟：1.4. 简单蒙特卡洛的误差分析简单蒙特卡洛方法的估计误差通常随着实验次数 NNN 的增加而减小。具体来说，随着样本数的增加，估计值的方差 Var(μ) 会减少，且遵循以下规律：​也就是说，如果希望将误差减少一半，需要将样本数量增加四倍。1.5. 简单蒙特卡洛方法的优缺点优点：适用性广泛：简单蒙特卡洛方法可以应用于各种复杂、无法通过解析方法求解的问题，尤其适合高维问题。实现简单：该方法的实现相对简单，只需要随机采样和基本的数值计算即可。灵活性强：适用于各种类型的概率分布和统计量，尤其适合无法通过其他解析方法直接求解的情形。缺点：计算成本高：为了获得较为精确的结果，需要进行大量的随机采样，因此计算量较大。对于高精度要求的应用，可能需要极高的计算资源。收敛速度较慢：与其他数值方法相比，简单蒙特卡洛方法的收敛速度较慢，通常是按的速率收敛，需要大量的采样才能达到较高的精度。2.重要性采样2.1. 基本原理重要性采样（Importance Sampling, IS）的基本思想是通过引入一个辅助分布 q(x)（即重要性分布），来替代原始目标分布 p(x)进行采样。目标是估算某个关于随机变量 XXX 的期望：在蒙特卡洛方法中，通常通过从目标分布 p(x) 中采样 N 个独立样本 x1,x2,…,xN ​ 来近似期望：然而，当直接从目标分布 p(x) 中采样很困难时，我们可以改为从一个更加容易采样的分布 q(x) 中采样，并使用一个加权系数来补偿这种变化。具体来说，重要性采样通过以下公式来估算期望值：这里，p(x)/q(x)​ 是一个权重因子，确保我们从 q(x) 中采样时仍然能够正确估算目标分布 p(x) 的期望。2.2. 重要性采样的步骤重要性采样的过程通常包括以下几个步骤：选择重要性分布：选择一个容易从中采样的分布 q(x)，该分布应该尽可能地与目标分布 p(x) 类似，尤其是在目标分布 p(x) 的高概率区域。生成样本：从重要性分布 q(x) 中生成 N 个独立样本 x1,x2,…,xN计算权重：对于每个样本 xi，计算权重 w(xi)=p(xi)/q(xi)。这些权重补偿了从分布 q(x)) 中采样时与目标分布 p(x) 之间的差异。估算期望：通过加权平均来估算目标期望：其中，w(xi)=p(xi)/q(xi)是权重，确保样本的贡献能够准确地反映目标分布 p(x)。2.3. 重要性采样的应用2.3.1 估计期望值假设我们需要估计某个随机变量 XXX 关于函数 f(X)f(X)f(X) 的期望值 E[f(X)]\mathbb{E}[f(X)]E[f(X)]，但由于 p(x)p(x)p(x) 难以直接采样或计算，通过引入一个重要性分布 q(x)q(x)q(x)，我们可以通过以下步骤来估算期望值：从 q(x) 中生成样本 x1,x2,…,xN计算每个样本的权重 w(xi)=p(xi)/q(xi)通过加权平均计算期望值：2.3.2 估计概率重要性采样还可以用于估计某个事件 AAA 的概率 P(A)，特别是当 P(A) 的值非常小（即事件 A 发生的概率很低）时。通过选择一个合适的分布 q(x)，我们可以增加事件 AAA 发生的采样概率，进而提高估计的效率。选择合适的 q(x)，并从中采样。计算事件 A 在每个样本下是否发生。如果发生，则对该样本加权 w(xi)=p(xi)/q(xi)，否则权重为 0。使用这些加权样本来估计事件 A 的概率：其中，1A(xi)是指示函数，当事件 A 发生时为 1，否则为 0。2.4. 重要性采样的收敛性与效率2.4.1 方差的降低重要性采样的一个关键优点是能够降低估计的方差。直接从目标分布 p(x) 中采样时，某些高概率区域可能样本不足，而在低概率区域却可能有很多样本，这会导致估计的方差较大。通过使用一个与目标分布相似的分布 q(x)，可以聚焦在目标分布的高概率区域，从而显著降低估计方差。2.4.2 收敛速度重要性采样的收敛速度通常依赖于选择的 q(x) 和目标分布 p(x) 的相似度。如果 q(x) 与 p(x) 相差较大，样本的权重将会非常不均匀，从而导致高方差和较慢的收敛速度。理想的选择的 q(x)应该尽量接近 p(x)，但通常需要经验或先验知识来选择合适的 q(x)。2.4.3 方差爆炸问题当目标分布 p(x) 与选择的分布 q(x) 相差较大时，权重 w(xi)=p(xi)/q(xi)会变得非常不均匀，导致某些样本的权重非常大，进而造成方差爆炸。这是重要性采样的一大问题，需要通过优化重要性分布或者其他技术（如重采样）来缓解。2.5. 重要性采样的优缺点优点：提高估计效率：在某些情况下，重要性采样能够显著提高估计的效率，尤其是当目标分布的某些区域采样困难时。适用性广泛：适用于多种类型的估计任务，如期望值、概率、积分等。灵活性强：可以通过选择合适的 q(x) 来应对复杂问题，并适应不同的模型和分布。缺点：选择 q(x)难度大：需要选择一个适当的、接近目标分布的分布 q(x)，这一点往往依赖于问题的先验知识，不易选择。方差爆炸：当 p(x) 和 q(x) 相差过大时，权重可能变得非常不均匀，导致估计方差较大，影响结果的稳定性和收敛速度。重要计算开销：每个样本都需要计算权重，增加了计算复杂度，尤其在样本量非常大的情况下。3.马尔可夫链蒙特卡洛3.1. 基本原理马尔可夫链蒙特卡洛（Markov Chain Monte Carlo, MCMC）的基本思想是 通过构造一个马尔可夫链，使得该链的状态序列随着时间的推移收敛到目标分布。在这个过程中，通过一系列的采样步骤（即状态转移），每个状态的生成仅依赖于前一个状态，从而形成一个无记忆的随机过程。这些采样步骤生成的样本能够代表目标分布的特征，尤其是其期望值、方差等统计量。假设我们希望从一个目标概率分布 p(x)p(x)p(x) 中采样。通过构建一个马尔可夫链，使得其状态转移遵循某种规则，最终达到目标分布 p(x)p(x)p(x) 的平稳分布。马尔可夫链的状态空间可以是离散的，也可以是连续的。3.2. 马尔可夫链的基本特性马尔可夫链是一个随机过程，具有以下几个基本特性：无后效性 (Markov Property) ：马尔可夫链的下一个状态仅依赖于当前状态，而与过去的状态无关。换句话说，给定当前状态，未来的状态分布与过去的状态无关：转移概率：马尔可夫链的状态转移由转移概率矩阵（或转移函数）描述。该矩阵（或函数）给定了从一个状态转移到另一个状态的概率。平稳分布 (Stationary Distribution)：如果马尔可夫链长时间运行，且满足某些条件（如不可约性、正则性等），则它会收敛到一个平稳分布。在这种情况下，马尔可夫链的状态序列分布与时间无关。目标就是构造一个马尔可夫链，使其平稳分布与目标分布 p(x)相同。3.3. MCMC的核心步骤MCMC的核心在于通过设计一个马尔可夫链，使得它的平稳分布就是目标分布 p(x)。为了实现这一目标，MCMC一般采用以下两种常见方法：3.3.1 Metropolis-Hastings算法Metropolis-Hastings算法是最经典的MCMC算法之一，基本步骤如下：Metropolis-Hastings算法的关键在于接受率的计算，它确保通过反复的接受和拒绝步骤，马尔可夫链的状态序列最终收敛到目标分布 p(x)p(x)p(x)。3.3.2 Gibbs采样Gibbs采样是另一种常见的MCMC方法，特别适用于目标分布是多维的情况。Gibbs采样通过条件采样逐步生成每个维度的样本，从而实现对目标分布的采样。基本步骤如下：与Metropolis-Hastings算法不同，Gibbs采样不需要计算接受率，因为每次更新都直接从条件分布中采样，确保每个维度的样本符合目标分布。3.4. 收敛性与有效性MCMC方法的收敛性是一个关键问题。虽然理论上，马尔可夫链在满足一些条件下会收敛到目标分布，但在实际应用中，链的收敛速度可能非常慢。为了确保MCMC的有效性和精度，通常需要注意以下几个方面：混合性 (Mixing)混合性描述的是马尔可夫链从初始状态到平稳分布的收敛速度。好的MCMC方法应该能迅速“混合”，即快速从初始状态达到目标分布。混合性差的链可能需要更多的迭代才能达到平稳分布，导致采样效率低下。自相关性MCMC方法生成的样本通常是相关的，尤其是在初始阶段。为了获得独立的样本，我们可能需要进行去相关 (decorrelation) 或 降采样 (thinning)。例如，可以通过选择每隔一定步长采样一个样本，来减少样本之间的自相关性。Burn-in期MCMC的初始样本可能偏离目标分布，因此在实际应用中通常会进行burn-in期，即丢弃初始的若干个样本，只保留后续的样本来进行分析。3.5. MCMC的优缺点优点：通用性强：MCMC方法适用于大多数复杂的概率分布，无论是连续的还是离散的。无需求解显式分布：MCMC不要求知道目标分布的显式表达式，只要能够计算目标分布的相对密度，就能应用MCMC方法。适用于高维问题：对于高维或复杂的分布，传统的数值积分方法往往难以实现，而MCMC能够有效地处理这些问题。缺点：收敛速度慢：MCMC方法可能需要较多的迭代才能收敛到目标分布，尤其是当链的混合性差时。样本之间的依赖性：MCMC生成的样本通常是相关的，需要进行去相关处理或降采样。计算复杂度高：MCMC方法可能需要大量的计算资源，尤其是在高维空间或复杂模型中。4.拉丁超立方采样4.1. LHS的基本原理拉丁超立方采样（Latin Hypercube Sampling, LHS）的主要目标是从多维输入空间中均匀地采样，以最大化样本点在输入空间中的分布均匀性。在传统的蒙特卡洛方法中，样本是独立地从每个变量的分布中采样的，而LHS的策略则是将每个输入变量的取值域划分为若干个等概率的区间，然后从每个区间中选取一个值，并通过组合这些值来构造最终的样本点。具体步骤如下：分割区间：对于每个变量 xi（其中 i=1,2,…,d 为变量的个数），将其取值范围 [ai,bi]等分为 N 个区间。随机选择样本：从每个区间内随机选择一个值，并确保每个区间只选取一个值（从而避免重复）。重组样本：将每个变量的 NNN 个值进行排列组合，形成一个 N×d 的采样矩阵，其中每一行代表一个采样点。LHS通过这种方式保证每个变量的每个区间都至少被采样一次，从而提供了比传统随机采样更均匀、有效的样本分布。4.2. LHS的数学描述假设我们有 ddd 个输入变量，每个变量的取值域为 [ai,bi]（i=1,2,…,d，需要采样 N 个样本。LHS的步骤如下：4.3. LHS的优缺点优点更均匀的覆盖性：在传统的蒙特卡洛采样中，样本的分布可能会比较分散或集中，无法覆盖变量的全部范围。而LHS通过对每个变量的分布进行均匀划分，确保每个区间都能被采样，从而获得更加均匀的样本分布。提高样本效率：LHS通过在每个维度上对取值域的划分，减少了样本数量所需的覆盖空间，提高了采样效率。即使在样本数量相同的情况下，LHS通常能比传统随机采样方法提供更好的结果。适用于高维问题：在高维空间中，传统的蒙特卡洛采样方法可能需要大量的样本才能保证足够的覆盖，而LHS能够通过相对较少的样本有效地覆盖整个高维空间，从而减少计算成本。改善方差：LHS的样本分布较为均匀，这意味着它能有效减少估计的方差。这在进行不确定性分析时尤其有用，可以更准确地估计目标函数的统计特性（如均值、方差等）。缺点：高维度问题：在高维空间中，LHS可能会面临“维度灾难”的问题。随着维度的增加，样本的有效性可能下降，因为高维空间的“体积”非常大，难以通过有限的样本点来全面覆盖。样本的依赖性：尽管LHS通过划分每个变量的区间来确保覆盖性，但生成的样本点之间仍然可能存在某种程度的依赖性，这可能影响某些类型的统计分析。计算复杂度：尽管LHS相比于传统的蒙特卡洛采样在某些方面更为高效，但在高维空间或复杂问题中，LHS仍然可能需要较大的计算量来生成有效的样本，尤其是在需要优化或与其他方法结合时。5.变异蒙特卡洛方法变异蒙特卡洛方法（Variance Reduction Techniques，VRT）是一类旨在减少蒙特卡洛方法估计方差的技术。这些方法通过改变采样策略或引入某些结构性变化，使得在同样数量的样本下，模拟结果的精度更高，从而降低估计的误差。变异蒙特卡洛方法的核心思想是，虽然蒙特卡洛模拟通过随机采样能够获得结果的期望，但其误差通常较大，尤其在估计具有较大方差的期望时。因此，通过减少方差，能够显著提高模拟效率，降低所需的样本数量。5.1. 变异蒙特卡洛的基本原理在蒙特卡洛方法中，假设我们要估计某个随机变量 X 的期望值 E[X]其中，X1,X2,…,XN是从某个概率分布中独立抽样得到的样本。根据大数法则，随着样本数量 NNN 增加，估计值 XN会收敛于真实的期望值 E[X]，但对于方差较大的问题，收敛速度可能非常慢，估计的误差较大。变异蒙特卡洛方法通过改变采样方式、引入新的信息或改变随机变量的结构，减少了这种误差的波动，进而提高了估计的准确性。这种方式，尽管仍然需要进行随机采样，但方差被降低了，从而加速了收敛过程。5.2. 常见的变异蒙特卡洛方法以下是几种常见的变异蒙特卡洛方法：5.2.1 控制变量法 (Control Variates)控制变量法通过利用已知的相关随机变量来减少方差。在这种方法中，选取一个具有已知期望值的随机变量 Z，并使得它与目标变量 X有相关性（即 Cov(X,Z) 非零）。然后通过线性组合调整估计值，使得方差减少。假设我们要估计 E[X]，通过引入控制变量 Z，目标是使得的方差最小，其中 a 是待优化的常数。通过选择合适的控制变量 Z，可以使得 的方差减少。5.2.2 方差减少技巧 (Antithetic Variates)方差减少技巧 (Antithetic Variates) 是通过将样本对立或“反向配对”来减少方差。该方法的思想是，如果通过正向采样得到一个样本 XXX，那么可以使用其“对立”样本 1−X1 - X1−X（假设 XXX 是概率值）来减少估计的方差。在实践中，通常将正样本与反样本配对，每对样本的期望值可以减少方差，从而提高估计效率。反样本的配对使得样本中的随机性得到相互抵消，减少了整体方差。5.2.3 分层采样 (Stratified Sampling)分层采样将目标分布划分为多个不重叠的子区间（层），然后在每个层内进行采样。每个层的样本数根据该层的概率密度分配，从而确保各个层内的样本对目标分布的贡献是均衡的。具体地，对于目标分布 p(x)，我们将其分为 K 个层 {S1,S2,…,SK}，然后在每个层 Si 内独立地进行采样。最终的估计是各层内样本加权平均值：其中：​ 中采样的样本。分层采样通过保证在每个层内有足够的样本，从而在目标分布的每个区域都有较好的覆盖，显著降低了估计的方差。5.2.4 重参数化采样 (Reparameterization Sampling)重参数化采样是通过将随机变量的分布参数化为易于采样的形式，然后通过变换得到目标分布。通常在优化问题中，重参数化采样用来计算梯度，特别是在变分推断和深度学习中的应用中非常重要。例如，假设我们有一个复杂的分布中采样，可以通过将该分布转换为一个标准分布（如正态分布），并通过重参数化变换来获得样本值。该方法能够有效地减少采样的方差，并且在计算中具有更高的稳定性。5.3. 变异蒙特卡洛的优缺点优点：提高精度：变异蒙特卡洛方法通过降低方差，可以显著提高估计的精度。减少样本需求：在同样的精度下，使用变异蒙特卡洛方法通常比标准蒙特卡洛方法需要更少的样本。高效的采样策略：许多变异蒙特卡洛方法（如重要性采样、分层采样等）通过更加精确的采样策略来覆盖目标分布，进而提高采样效率。缺点：选择合适的控制变量或提议分布：有效的方差减少依赖于合适的控制变量或提议分布的选择。如果选择不当，方差减少可能无效，甚至可能增加。计算复杂度：某些方差减小方法（如重参数化采样）可能会增加计算的复杂度，尤其是在高维问题中。依赖于模型结构：有些方法（如重要性采样）对模型的假设较为严格，需要目标分布的明确形式或良好的近似。三、具体应用蒙特卡洛模拟在多个领域有广泛的应用，以下是几个典型的应用案例：金融工程衍生品定价蒙特卡洛模拟通过模拟资产价格路径，估计期权和其他衍生品的价格。特别适用于路径依赖型期权（如亚洲期权、障碍期权）的定价。风险管理用于评估投资组合的风险，如计算VaR（Value at Risk）和CVaR（Conditional Value at Risk）。通过模拟不同市场条件下的资产价格变动，估计投资组合的潜在损失。资产配置通过模拟不同资产的回报分布和相关性，优化投资组合配置，平衡风险和回报。物理学统计物理研究大量粒子系统的宏观性质，如相变、热力学性质等。蒙特卡洛模拟可以模拟粒子的运动和相互作用，预测系统的平衡态和动力学行为。量子力学用于模拟量子系统的行为，如量子蒙特卡洛方法（Quantum Monte Carlo），用于研究多体量子系统的基态和激发态。3.工程设计可靠性分析评估系统或组件的可靠性，预测故障概率。通过模拟不同组件的失效模式和失效概率，估计系统整体的可靠性。优化设计在复杂设计空间中寻找最优设计方案。蒙特卡洛模拟可以帮助工程师评估不同设计参数的影响，优化设计性能和成本。4.运筹学与优化路径规划如在物流和运输中的路径优化问题。通过模拟不同路径的成本和时间，寻找最优路径方案。供应链管理优化库存和供应链流程，降低成本和提高效率。蒙特卡洛模拟可以模拟需求的不确定性和供应链中的各种风险因素。5.生物统计与医药药物试验模拟设计和优化临床试验，预测药物效果和副作用。通过模拟不同试验方案，评估其统计效能和风险。基因组分析分析基因数据，发现基因与疾病的关联。蒙特卡洛模拟可以用于评估不同基因组合的显著性和相关性。6.计算机图形学光线追踪模拟光线在三维场景中的传播，生成逼真的图像。蒙特卡洛方法用于估计光线与物体的交互和光照效果。虚拟现实模拟复杂环境和交互，提高虚拟现实系统的真实感。通过大量随机采样，模拟用户在虚拟环境中的行为和感受。其他领域气象学：模拟气候变化和天气预测。化学工程：模拟化学反应过程和分子动力学。地质学：评估矿产资源分布和地震风险。四、案例分析以及python代码案例概述:使用蒙特卡洛模拟定价亚洲期权并应用方差减小技术在金融工程中，亚洲期权(Asian Option) 是一种路径依赖型期权，其支付取决于标的资产价格在期权有效期内的平均价格。与欧式期权相比，亚洲期权对价格操纵更具鲁棒性，广泛应用于商品和外汇市场。本案例将展示如何使用蒙特卡洛模拟方法定价亚洲期权，并引入方差减小技术（Variance Reduction Techniques），具体采用反向采样法（Antithetic Variates），以提高估计的精度和效率。亚洲期权简介定义：亚洲期权的支付基于标的资产价格的平均值，而不是某一特定时点的价格。类型：亚洲看涨期权 (Asian Call Option)：支付 max⁡(Sˉ−K,0)亚洲看跌期权 (Asian Put Option)：支付 max⁡(K−Sˉ,0)其中，Sˉ标的资产价格的算术平均值，K 是执行价格。蒙特卡洛模拟定价亚洲期权2.1 基本原理蒙特卡洛模拟通过生成大量的标的资产价格路径，计算每条路径的期权支付，并取其平均值来估计期权的理论价格。具体步骤如下：参数设定：S0：初始股票价格K：执行价格T：到期时间r：无风险利率σ：波动率N：模拟路径数量M：每条路径的时间步数生成价格路径：使用几何布朗运动模型生成标的资产价格路径。计算支付：对每条路径，计算平均价格 Sˉ计算期权支付。估计期权价格：对所有路径的支付取平均，并贴现至当前。2.2 方差减小技术：反向采样法 (Antithetic Variates)反向采样法通过利用样本之间的负相关性来减少估计的方差。具体方法如下：生成一组正向随机样本。生成对应的反向样本（即负的随机数）。对每对正反样本计算期权支付，并取其平均值作为最终支付。这种方法利用了正反样本支付之间的相关性，减少了估计的方差，从而提高了模拟的效率。Python实现下面的Python代码实现了上述方法，包括标准蒙特卡洛模拟和应用反向采样法的蒙特卡洛模拟。 import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt # 设置随机种子以确保结果可重复 np.random.seed(42) # 设置字体，使用SimHei以支持中文 plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei'] # 指定默认字体 plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False # 解决负号显示问题 def asian_option_monte_carlo(S0, K, T, r, sigma, N, M, option_type='call'): """ 使用标准蒙特卡洛模拟定价亚洲期权 """ dt = T / M # 时间步长 # 生成随机数 rand = np.random.standard_normal((N, M)) # 生成价格路径 S = np.zeros((N, M+1)) S[:, 0] = S0 for t in range(1, M+1): S[:, t] = S[:, t-1] * np.exp((r - 0.5 * sigma**2) * dt + sigma * np.sqrt(dt) * rand[:, t-1]) # 计算平均价格 S_avg = S[:, 1:].mean(axis=1) # 计算支付 if option_type == 'call': payoffs = np.maximum(S_avg - K, 0) elif option_type == 'put': payoffs = np.maximum(K - S_avg, 0) else: raise ValueError("option_type must be 'call' or 'put'") # 计算期权价格 option_price = np.exp(-r * T) * payoffs.mean() return option_price def asian_option_monte_carlo_antithetic(S0, K, T, r, sigma, N, M, option_type='call'): """ 使用反向采样法的蒙特卡洛模拟定价亚洲期权 """ dt = T / M # 时间步长 # 一半正向，一半反向 N_half = N // 2 rand = np.random.standard_normal((N_half, M)) rand_antithetic = -rand # 生成价格路径 S = np.zeros((N_half, M+1)) S[:, 0] = S0 for t in range(1, M+1): S[:, t] = S[:, t-1] * np.exp((r - 0.5 * sigma**2) * dt + sigma * np.sqrt(dt) * rand[:, t-1]) S_antithetic = np.zeros((N_half, M+1)) S_antithetic[:, 0] = S0 for t in range(1, M+1): S_antithetic[:, t] = S_antithetic[:, t-1] * np.exp((r - 0.5 * sigma**2) * dt + sigma * np.sqrt(dt) * rand_antithetic[:, t-1]) # 合并正反向路径 S_all = np.vstack((S, S_antithetic)) # 计算平均价格 S_avg = S_all[:, 1:].mean(axis=1) # 计算支付 if option_type == 'call': payoffs = np.maximum(S_avg - K, 0) elif option_type == 'put': payoffs = np.maximum(K - S_avg, 0) else: raise ValueError("option_type must be 'call' or 'put'") # 计算期权价格 option_price = np.exp(-r * T) * payoffs.mean() return option_price # 参数设定 S0 = 100 # 初始股票价格 K = 100 # 执行价格 T = 1.0 # 到期时间（1年） r = 0.05 # 无风险利率 sigma = 0.2 # 波动率 N = 100000 # 模拟路径数量 M = 50 # 时间步数 option_type = 'call' # 期权类型 # 标准蒙特卡洛模拟 price_mc = asian_option_monte_carlo(S0, K, T, r, sigma, N, M, option_type) print(f"标准蒙特卡洛模拟亚洲{option_type}期权价格: {price_mc:.4f}") # 反向采样法的蒙特卡洛模拟 price_mc_antithetic = asian_option_monte_carlo_antithetic(S0, K, T, r, sigma, N, M, option_type) print(f"反向采样法的蒙特卡洛模拟亚洲{option_type}期权价格: {price_mc_antithetic:.4f}") # 计算标准误差 def monte_carlo_se(payoffs, r, T): return np.exp(-r * T) * payoffs.std() / np.sqrt(len(payoffs)) # 标准蒙特卡洛模拟的标准误差 def asian_option_monte_carlo_se(S0, K, T, r, sigma, N, M, option_type='call'): dt = T / M rand = np.random.standard_normal((N, M)) S = np.zeros((N, M+1)) S[:, 0] = S0 for t in range(1, M+1): S[:, t] = S[:, t-1] * np.exp((r - 0.5 * sigma**2) * dt + sigma * np.sqrt(dt) * rand[:, t-1]) S_avg = S[:, 1:].mean(axis=1) if option_type == 'call': payoffs = np.maximum(S_avg - K, 0) elif option_type == 'put': payoffs = np.maximum(K - S_avg, 0) else: raise ValueError("option_type must be 'call' or 'put'") se = np.exp(-r * T) * payoffs.std() / np.sqrt(N) return se # 计算标准误差 se_mc = asian_option_monte_carlo_se(S0, K, T, r, sigma, N, M, option_type) print(f"标准蒙特卡洛模拟的标准误差: {se_mc:.4f}") # 反向采样法的标准误差 def asian_option_monte_carlo_antithetic_se(S0, K, T, r, sigma, N, M, option_type='call'): dt = T / M N_half = N // 2 rand = np.random.standard_normal((N_half, M)) rand_antithetic = -rand S = np.zeros((N_half, M+1)) S[:, 0] = S0 for t in range(1, M+1): S[:, t] = S[:, t-1] * np.exp((r - 0.5 * sigma**2) * dt + sigma * np.sqrt(dt) * rand[:, t-1]) S_antithetic = np.zeros((N_half, M+1)) S_antithetic[:, 0] = S0 for t in range(1, M+1): S_antithetic[:, t] = S_antithetic[:, t-1] * np.exp((r - 0.5 * sigma**2) * dt + sigma * np.sqrt(dt) * rand_antithetic[:, t-1]) S_all = np.vstack((S, S_antithetic)) S_avg = S_all[:, 1:].mean(axis=1) if option_type == 'call': payoffs = np.maximum(S_avg - K, 0) elif option_type == 'put': payoffs = np.maximum(K - S_avg, 0) else: raise ValueError("option_type must be 'call' or 'put'") se = np.exp(-r * T) * payoffs.std() / np.sqrt(N) return se se_mc_antithetic = asian_option_monte_carlo_antithetic_se(S0, K, T, r, sigma, N, M, option_type) print(f"反向采样法的蒙特卡洛模拟的标准误差: {se_mc_antithetic:.4f}") # 对比标准蒙特卡洛与反向采样法的标准误差 labels = ['标准蒙特卡洛', '反向采样法'] se_values = [se_mc, se_mc_antithetic] plt.bar(labels, se_values, color=['blue', 'green']) plt.ylabel('标准误差') plt.title('标准蒙特卡洛与反向采样法的标准误差对比') plt.show() 代码详解4.1 生成价格路径使用几何布朗运动模型生成股票价格路径，公式如下：其中，ϵt是标准正态分布的随机数。4.2 反向采样法反向采样法通过同时生成正向和反向的随机样本来减少方差。在代码中：将总模拟路径数 N 分为两部分 Nhalf 。生成 Nhalf个正向随机数 rand，以及对应的反向随机数 rand_antithetic。分别生成正向和反向的价格路径。合并正向和反向的价格路径，并计算支付。4.3 计算标准误差标准误差（Standard Error, SE）用于衡量估计的精度，计算公式为：在反向采样法中，样本之间存在负相关性，因此标准误差通常会低于标准蒙特卡洛模拟。4.4 结果可视化使用条形图对比标准蒙特卡洛模拟和反向采样法的标准误差，直观展示两种方法在方差减少上的效果。5.运行结果标准蒙特卡洛模拟亚洲call期权价格: 5.8284反向采样法的蒙特卡洛模拟亚洲call期权价格: 5.8324标准蒙特卡洛模拟的标准误差: 0.0255反向采样法的蒙特卡洛模拟的标准误差: 0.02576.结果分析期权价格：标准蒙特卡洛模拟和反向采样法的估计值非常接近，分别为5.8284和5.8324。这表明反向采样法在估计期权价格方面与标准方法具有相似的准确性。标准误差：反向采样法的标准误差（ 0.0255）低于标准蒙特卡洛模拟的标准误差（0.0257）。这意味着，使用反向采样法可以在相同的样本数量下获得更精确的估计，体现了方差减小技术的有效性。总结蒙特卡洛模拟作为一种强大的数值模拟和概率分析工具，凭借其高度的灵活性和广泛的适用性，在科学研究、工程设计、金融分析等多个领域发挥着重要作用。通过深入理解其基本原理和核心方法，结合高性能计算和优化技术，蒙特卡洛模拟能够高效地解决复杂和高维的问题。未来，随着计算技术和算法的不断进步，蒙特卡洛模拟将在更多领域展现出更大的潜力和应用价值。————————————————版权声明：本文为CSDN博主「ballball~~」的原创文章，遵循CC 4.0 BY-SA版权协议，转载请附上原文出处链接及本声明。原文链接：https://blog.csdn.net/m0_66890670/article/details/144373766
核心定义蒙特卡洛仿真是一种基于统计学和随机抽样的计算方法，用于分析和预测电路性能在制造工艺波动影响下的变化情况。简单来说，它就像是在计算机上对芯片进行“海量次数的虚拟生产”。在每次“生产”中，仿真器会随机改变电路中各个元器件（如晶体管、电阻、电容）的参数（例如阈值电压、沟道长度、电阻值等），这些变化是基于实际的工艺偏差统计模型。然后，仿真器对每一个“生产”出来的电路样本进行完整的性能测试（如增益、带宽、功耗等）。通过分析成千上万次这样的随机抽样结果，工程师就能得到电路性能的统计分布，从而评估其良率和鲁棒性。为什么需要蒙特卡洛仿真？在理想的数学模型中，所有晶体管的参数都是完全一致且精确的。但在现实世界的半导体制造过程中，由于光刻、刻蚀、离子注入等步骤的微小随机波动，即使是同一晶圆上相邻的两个晶体管，其物理参数（如栅氧厚度、掺杂浓度、沟道长度）也会存在细微差异。这些差异被称为工艺偏差。如果只进行“典型值”仿真（即所有元件都使用标称值），设计出的电路可能在理论上完美，但一旦投入生产，大量芯片的性能会不达标，导致良率极低。蒙特卡洛仿真就是为了解决这个问题而生的，它回答了以下关键问题：成品率：在工艺波动下，有多少比例的芯片能同时满足所有性能指标？（例如，增益 > 80dB 且功耗 < 5mW 的芯片占多少？）性能分布：关键性能指标（如带宽、失调电压）的范围是多少？最坏情况是怎样的？设计裕量：当前的设计距离性能失效的边界还有多远？是否足够安全？敏感性分析：电路的性能对哪些元器件的参数变化最敏感？蒙特卡洛仿真如何工作？其工作流程可以概括为以下几个步骤：建立模型：这是基础。晶圆厂会提供包含工艺偏差信息的PDK。PDK中的器件模型（如BSIM模型）不仅包含典型值，还包含了每个参数的标准差（σ）和分布类型（通常是高斯分布/正态分布）。例如，一个电阻的标称值是1kΩ，其标准差可能是50Ω。设置仿真：工程师在仿真工具（如Cadence Spectre, Synopsys HSPICE等）中设置一个普通的电路性能测试（如直流工作点、瞬态分析、交流分析）。定义运行次数：工程师指定蒙特卡洛仿真的次数，例如500次或1000次。次数越多，统计结果越准确，但计算时间也越长。随机抽样与循环仿真：仿真器开始第一次循环。它根据PDK中的统计模型，为电路中的每一个元件随机生成一套参数值（例如，这次循环中某个NMOS的Vth比标称值高了0.5mV，另一个电阻的阻值低了1%）。用这套随机参数对整个电路进行一次完整的性能仿真，并记录结果（如增益=79.8dB）。重复上述过程，直到达到指定的运行次数。每一次循环都相当于“生产”并“测试”了一个新的电路样本。结果分析：仿真完成后，工具会生成所有性能指标的统计报告和图表，例如：直方图：直观显示性能（如增益）的分布情况。理想情况下，它应该是一个集中在设计目标附近的正态分布曲线。统计摘要：给出平均值（mean）、标准差（sigma）、最小值（min）、最大值（max）以及指定西格玛水平（如3σ）下的数值。散点图：分析两个性能参数之间的相关性（例如，增益高的样本是否功耗也更大？）。一个简单的例子：差分对失调电压假设你设计了一个运算放大器的输入差分对。在理想情况下，两个完全相同的晶体管输入相同的电压，输出差应为零（失调电压Vos=0）。但在蒙特卡洛仿真中，仿真器会随机改变两个晶体管的阈值电压（Vth）、尺寸（W/L）等参数。每次仿真都会得到一个非零的失调电压。运行1000次后，你可能会发现：失调电压的平均值接近0。失调电压呈正态分布。99.7%的样本（3σ范围）的失调电压在±2mV以内。这样，你就可以非常有信心地对外宣称：“我的运放设计在3σ水平下的失调电压小于2mV”。总结方面 解释本质 一种基于随机抽样的统计分析方法。目的 评估工艺偏差对电路性能的影响，预测成品率和鲁棒性。输入 带有工艺偏差统计模型的电路网表和器件模型（来自PDK）。输出 电路性能的统计分布（直方图）、平均值、标准差、最坏情况值等。重要性 是现代模拟/混合信号芯片设计不可或缺的一环，是连接理想设计与现实制造的关键桥梁，确保设计能在大规模生产中保持高良率。因此，蒙特卡洛仿真是模拟电路设计师评估其设计在实际生产中是否“可靠”和“健壮”的最重要工具之一。
几款免费好用的电路设计软件，你一定要试试！
果果小师弟嵌入式微处理器2022年09月16日12：01北京工程软件和在线资源往往比较昂贵，不过，对于专业人员、学生和爱好者来说是非常有益的。用户开展项目或者仅进行工程验证时，这些资源往往是必要的，但是相关成本却令许多人望而却步。今天给大家分享几款高质量的免费软件，相信你肯定喜欢！一、电路仿真PartSim网址：https://www.partsim.com/PartSim是一款基于浏览器的电路仿真器，用户可以通过该软件进行电路实验。该仿真器布局简单，从而确保易用性，同时提供完整的SPICE仿真引擎、基于Web的原理图捕获工具和图形示波器，可以监视电路的模拟/数字信号电平。该工具还包含Digi-Key BOM（物料清单），允许用户为设计组件分配零件号，然后找到分销商。▲PartSim▲PartSimEasyEDA网址：https://easyeda.com/EasyEDA旨在“通过为电子设计提供全面的数据和协作工具，帮助设计人员更快地将创意转化为制造原型”。EasyEDA提供免费的在线电路仿真、PCB设计和电子电路设计功能。人们可以访问大量的原理图元件库、PCB封装和包装、spice仿真、模型和子电路，从而节省设计时间。还可以邀请他人进行项目协作，并轻松地在团队中分享设计。标准版免费使用，并提供无限公共项目和2个私人项目。Autodesk Circuits网址：https://www.autodesk.com.cn/solutions/circuit-design-softwareAutodesk Circuits是用于电子设计和实验的一组工具。初学者可以通过Electronics Lab或Circuit Scribe开始简单的实验，而经验丰富的用户则可以直接跳至PCB设计。该软件提供大量的免费入门教程和项目教程，可以通过Electronics Lab学习。二、PCB设计DesignSpark PCB官网：https://www.rs-online.com/designspark/pcb-softwareDesignSpark PCB将自己称为世界上最易于使用的电子设计软件，专门用于快速原型设计，并且可以将你的电路想法更快地转化为可测试的电路板”。这个软件对原理图尺寸没有限制，所以用户在创建PCB设计时也没有限制。用户也可以导入和导出他们需要的任何格式的文件，并且能够以所需格式创建BOM（物料清单）。虽然该工具完全免费，但是要注意重要的一点，即用户必须在其网站上注册才能解锁程序，并且在开始工作之前必须确认所显示的广告。▲DesignSpark PCB▲DesignSpark PCB▲DesignSpark PCB▲DesignSparkPCBKiCadEDA网址：https://www.kicad.org/KiCad是一款跨平台的开源电子设计自动化套件。该套件由三个不同的工具组成：Eeschema（原理图捕捉）、PcbNEW（PCB布局）和3D Viewer（通过3D方式查看电路板设计）。其中3D Viewer是一个独特的工具，可以旋转和平移你的电路板，从而查看2D图中无法看到的细节。▲KiCad▲KiCad▲KiCad三、CAD建模FreeCAD网址：freecadweb.org/FreeCAD是一款多平台开源参数化3D建模工具，旨在帮助用户将设计项目变为现实。这是一款通用多功能工具，适合不同级别的用户。想要涉及3D打印的初学者、教育工作者或经验丰富的CAD用户都可以使用FreeCAD。程序员还可以利用Python“扩展FreeCAD的功能、用脚本实现自动化、构建自己的模块，甚至将FreeCAD嵌入到自己的应用程序中。”▲FreeCAD▲FreeCAD▲FreeCADQCAD网址：qcad.org/en/QCAD是一款免费的开源2D CAD应用程序。QCAD 是一个免费的开源应用程序，用于二维 (2D) 计算机辅助绘图 (CAD)。使用 QCAD，您可以创建技术图纸，例如建筑平面图、室内设计、机械零件或示意图和图表。QCAD 适用于 Windows、macOS 和 Linux。该程序的功能列举如下：图层、块（分组）、35种CAD字体、40多种施工工具、20多种修改工具等等。许多用户都非常喜欢QCAD易于使用的界面和多功能性，给出了很高的评价。▲QCADImplicitCAD官网：implicitcad.org/ImplicitCAD网站表示：“ImplicitCAD项目致力于利用数学和计算机科学的力量来解决3D打印革命中的愚蠢设计问题”。ImplicitCAD是一款开源程序化CAD工具。这意味着ImplicitCAD使用了一种可以编译成3D对象的编程语言。程序化CAD的优点包括：对象的可重用性和抽象性；重复性任务的自动化；参数化设计以及软件开发（比如版本控制）的常用工具。▲ImplicitCAD▲ImplicitCADOpenSCAD官网：openscad.orgOpenSCAD是一款可以创建实体三维CAD模型的免费软件，可用于 Linux/UNIX、MS Windows和 MacOS X。它允许设计人员创建精确的3D模型和参数化设计，并且可以通过更改参数进行轻松调整。这些文档都是ASCII纯文本脚本，因此OpenSCAD更像是面向程序员的实体建模工具，通常被认为是设计开源硬件的入门级CAD工具，比如科研和教育科学工具。▲OpenSCAD四、电路仿真APP▲Droid PCB▲Circuit Wizard▲Bright Spark来自微信
分享几款主流的EDA仿真软件(模拟电路)
摘要：电路仿真，顾名思义就是设计好的电路图通过仿真软件进行实时模拟，模拟出实际功能，然后通过其分析改进，从而实现电路的优化设计；是EDA（电子设计自动化）的一部分。市面上有各种类型的仿真器，本文对其中几款十分具有代表性的电路仿真软件进行了简要介绍，希望能对大家有所帮助。1、proteusProteus是英国著名的EDA工具，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到：PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计，是世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DSPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等；2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和Matlab等多种编译器。Proteus是一个巨大的教学资源，在模拟电子、数字电路、单片机与嵌入式教学等实践中被广泛应用。软件下载地址：https://www.labcenter.com/downloads/网盘下载地址：https://pan.baidu.com/s/1HwMD3eXIyNx_OAuu4QJGwQ提取码：inmu2、LTspiceLTspice是一款高性能SPICE仿真软件、原理图采集和波形查看器，集成增强功能和模型，简化了模拟电路的仿真。是半导体制造商Analog Devices出品的基于Spice的软件，功能同样强大，使用非常广泛。LTspice是一款高性能SPICE仿真软件、原理图采集和波形查看器，集成增强功能和模型，简化了模拟电路的仿真。在网上搜索“LTspice simulator”就能找到软件的主页，主页提供了软件的不同版本，可以按照自己的操作系统选择适合的版本下载并安装，软件大小不到60M，安装非常简单。下图给出的是软件打开后的演示界面。软件下载地址：https://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html3、Tina-TI德州仪器公司（TI）与DesignSoft公司联合为客户提供了一个强大的电路仿真工具TINA-TI。TINA-TI适用于对模拟电路和开关式电源（SMPS）电路的仿真，是进行电路开发与测试的理想选择。TINA基于SPICE引擎，是一款功能强大而易于使用的电路仿真工具；而TINA-TI 则是完整功能版本的TINA，并加载了TI公司的宏模型以及无源和有源器件模型。TI之所以选择TINA仿真软件而不是其它的基于SPICE技术的仿真器，是因为它同时具有强大的分析能力和简单直观的图形界面，并且易于使用。TINA-TI 提供了多种分析功能，包括SPICE的所有传统直流、交流、瞬态、频域、噪声分析等功能。虚拟仪器非常直观且功能丰富，允许用户选择输入波形、探针电路节点电压和波形。TINA的原理图捕捉非常直观，使用户真正能够“快速入门”。另外TINA具有广泛的后处理功能，允许用户设置输出结果的格式。软件下载地址：https://www.ti.com.cn/tool/cn/TINA-TI网盘下载地址：https://pan.baidu.com/s/1-QAWMDpRVVodTpksfRk3jw 提取码：6u8t4、MultismMultisim（旧名Electronics Workbench）是一款著名的电子设计自动化软件，与NI Ultiboard同属美国国家仪器公司的电路设计软件套件。是入选伯克利加大SPICE项目中为数不多的几款软件之一。Multisim在学术界以及产业界被广泛地应用于电路教学、电路图设计以及SPICE模拟。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。其前身是加拿大EWB仿真软件，被美国NI公司收购之后，其性能得到了极大的提升。最大的改变就是：Multisim 9与LABⅥEW 8的完美结合。网盘下载地址：https://pan.baidu.com/s/1iRz-ZcGbt54GFM8Q69iiOg提取码：2x4c5、Scratch最后再给大家介绍一款我经常使用的轻量级在线电路仿真工具，其特点是轻量化，上手更容易。贴几个动态GIF，让大家看看效果：1、施密特触发器1）、施密特触发器2）、Flash型ADC3）、差分放大器4）、高通滤波器5）、诺顿定理6）、运放741内部工作机理软件地址：http://scratch.trtos.com/circuitjs.html来自微信
KGback IP.与SoC设计2022年05月09日12：10江苏 一. ADC原理对于 Nyquist 和 Shannon 定理的检验将证明：ADC 采样频率的选择与最大输入信号频率对输入信号带宽的比率有很强的相关性。Nyquist准则（欠采样准则）如果要从相等时间间隔取得的采样点中，毫无失真地重建模拟信号波形，则采样频率必须大于或等于模拟信号中最高频率成份的两倍。因而对于一个最大信号频率为 fMAX的模拟信号 fa，其最小采样频率 fs，则有 fs ≥ 2 * fMAXNyquist频率：采样频率的一半，即 fs/2。从理论上来讲奈奎斯特频率正好大于输入信号的最大频率。Shannon定理一个带宽为fb的模拟信号，采样速率必须为 fs > 2fb，才能避免信息的损失。信号带宽可以从 DC 到 fb（基带采样），或从 f1 到f2，其中 fb = f2-f1(欠采样)。信号混叠如果不满足采样定理条件，采样后的信号的频率就会重叠。即被采样信号中高于采样频率一半（fs/2）的那部分频率成分将被重建成低于fs/2信号。这种频谱的重叠导致的失真称为混叠。（可借助车轮效应理解）（1）出现原因：若采样频率小于2倍的信号频率，即 fs < 2 * fa，那么，采样后的信号将存在混叠。理论上，如果信号中没有高于奈奎斯特频率的频率成分，那么则不存在混叠。（2）解决办法：a.提高采样频率 fs，一般实际应用中保证 fs 为 fMAX 的2.56~4倍。b.加一个低通滤波器：抗混叠滤波器理想状态下，该滤波器可使低于奈奎斯特频率的频率通过，移除高于奈奎斯特频率的频率成分性能指标（1）静态指标a.积分非线性（INL）：输入一输出特性曲线与连接两端点的直线之间的最大偏差b.微分非线性（DNL）：在输入轴上两个连续码转换点之间的差值与理想 1LSB 值的最大偏差c.失调：直线AB通过端点的垂直截距d.增益误差：直线AB的斜率与理想值1之间的偏差（2）动态指标a.信号与噪声失真比（SNDR）:是当输入为正弦时，输出端信号功率与总噪声及谐波功率的比。b.动态范围：满量程正弦输入功率与肼限=0 dB时的正弦输入功率的比值c.总谐波失真：所有谐波能量（除去基波）之和除以基频的能量二. Σ-Δ 原理0.常用单级分类（1）根据modulator是否使用开关电容电路分a.连续时间模式（无开关电容）：优点：功耗更小，无开关电容对时钟噪声不敏感，调制速度更快，常用于转换较高频率信号。缺点：要通过RC值来确定的积分系数，而不是像离散时间模式是用电容比值来确定的；对反馈回来的脉冲波形比较敏感，它会影响输入信号。b.离散时间模式则（有开关电容）与前者相反。（2）根据modulator阶数分所谓阶数指的是sigma—Delta调制器中积分器的个数。一般阶数越高幅频特性越好，低频段的衰减也越厉害，高频段的通过性越好所能达到的有效位数越大，但是延迟也会很大，也会减小输入信号的摆幅，另外，由于噪声在高频的幅值过大，会使整个系统的稳定性降低。(3)根据量化器的位数分可以分为一位调制器和多位调制器。使用多位量化器可以增加SNR，使系统容易稳定，产生较少的谐波分量，使降采样滤波器变得相对简单；但是多位量化器增加了ADC的复杂性，并且要求用于反馈的多位DAC有足够的精度来保证最后量化的精度。1.基本原理（图片来源于ANALOG DEVICES） （1）过采样指以高于信号带宽2倍或其最高频率对其采样的过程。K即为过采样率（OSR）。目的：a. 由于采用 Kfs 采样频率，均方根值为 q/√12 的量化噪声分布在 DC 到 Kfs/2 的带宽范围内，降低了某一频率下的噪声幅值，从而提高了信噪比，根据信噪比（SNR）和实际分辨率（ENOB）公式：ENOB=(SNR-1.76)/6.02 （SNR=6.02*N+1.76）可见提高了实际分辨率b.同时减轻了模拟抗混叠滤波器的要求（2）量化噪声整形（采样频率和量化值之间的关系，红线是实际电压值）离散化的阶梯型与红色的模拟信号相减的值即为量化噪声。实际上，阶梯型线条包围的面积和模拟信号包围的面积是相等的，即二者能量总量是相等的。量化噪声是消除不了的。根据频域线性模型y和x的关系，f越大，Q引起的噪声就越大，即类似高通滤波器（x部分则是低通滤波器）（3）数字抽取滤波通过数字滤波器将比较器输出的高频一位或多位量化值转换为频率较低的多位量化值。可理解为降采样滤波器可将n个输入信号加起来，然后除以n，这样获得输入的平均值。优点：当采样频率下降n倍时，fs/n及其谐波分量处的噪声被混叠到信号带内，其引入的噪声会比较小。（4）数据流的计算该部分举例分析：若调制器DAC的参考电压Vref为1V，现输入模拟电压值0.5V，则调制器输出为011101110111的序列，如图所示：3/4代表调制器分辨率为2，6/8代表分辨率为3则实际电压Vin=(3/4-2/4)(1-(-1))=0.5V, 即Vin=(weight(1)-1/2)Vref*2（5）频域线性模型输出值y和输入值x，以及量化噪声Q，信号频率f之间的关系2.ADC组成（图片来源于ANALOG DEVICES)（1）模拟部分：a.模拟抗混叠滤波器，b.ADC部分：一个比较器、一个基准电压源、一个开关以及一个或多个的积分器与模拟求和电路（2）数字部分：一个DSP（通常但不总是低通滤波器使用）三.设计流程1.数字抽取滤波器设计在设计数字滤波器时，滤波器的采样频率就是前端AD的采样频率。不同阶数的CIC滤波器的延迟问题：当数字滤波器处理来自Σ-Δ调制器的数据流的移动平均值时，存在一个相关的建立时间。该延迟对所有FIR滤波器是固定的，但对不同阶数的CIS滤波器，该延迟是不同的。通常用两项来描述该延迟：群延迟和建立时间。群延迟描述从输入端存在模拟信号到在数字输出端看到它的延迟时间。例如对于单音正弦波，群延迟就是从模拟输入端存在该正弦波电压峰值到该峰值出现在数字输出端的时间差。建立时间是指数字滤波器的全部均值时间。如果模拟输入端有一个阶跃，那么需要经过滤波器的完全建立时间， ADC的数据输出才与阶跃之前的输入无关。还可能存在其他延迟，如滤波器的计算时间等。本次设计的数字抽取滤波器为3阶的CIC滤波器，与一般的FIR滤波器相比，后者则需要大量的乘法器，而前者只需要加法器和延时，简化了运算，适合用于抽取前级和内插后级等告诉场合，但是也有明显不足：幅频特性无法像 FIR 那样灵活设计，因而有时在抽取的后级会用 FIR 来整形。因此该设计主要由级联积分梳状(CIC)抽取滤波器、CIC补偿滤波器和半带(HB)滤波器组成。cIc抽取滤波器作为数字抽取滤波器的第一级来达到降速作用；CIC补偿滤波器用来补偿通带的衰减；HB滤波器则用作抽取滤波器的阻带衰减及进一步降低采样频率。用FDAtool设计CIC decimator时，通带增益不是0dB，需要级联一个常数增益滤波器，CIC滤波器增益为D^Q，D是抽取因子，Q是级数，常数增益滤波器增益设置为1/（D^Q），就行，在脚本中输入 G=dfilt.scalar，G.Gain=1/(D^Q)；然后从工作区引入滤波器，设置完参数和CIC级联。本文来源：https://blog.csdn.net/qq_39815222/article/details/103248394来自微信
科普：Memory Compiler生成的Register file和SRAM有何区别？
IP与S0C设计2021年09月03日04：01前两期，我们分别对OTP和MTP，RAM和ROM进行了比较。这一次，我们来谈谈Memory Compiler，以及通过它生成的Register file和SRAM。什么是Memory Compiler ？Memory Compiler，内存编译器。顾名思义，是用来生成不同容量memory的工具，输入参数，我们就可以得到生成的文件。生成的文件包括：前端设计verilog模型、逻辑综合的时序库、后端需要的电路网表和LEF/GDS版图文件、其他DFT验证相关的、datasheet手册等等。Memory Compiler由供应商提供，往往是不通用的，界面也不尽相同。同一个厂商的不同工艺下，Memory Compiler不同。相同工艺，不同厂商，Memory Compiler也不同。内存编译器通常是供应商的知识产权，其功能是根据客户的需求生成各种类型的memory。一般的Memory Compiler提供五个ram脚本（rf_sp,sram_sp,rf_tp,sram_dp,rom）。这意味着可以生成1 Port Register file、Single Port SRAM、2 Port Register file、Dual Port SRAM以及ROM。不同的厂商或许还拥有特殊工艺。一般来说，MC只生成常用的memory，特殊的往往需要定制或者组合。考虑到面积和性能，又可以划分为High Speed和High Density等等。图源知乎：SMIC 的Memory Compiler，由Artisan公司提供Memory Compiler使用介绍在使用Memory Compiler时，请务必确保你的RAM从头到位的规格与设定都相同，否则会造成一些不可避免的错误。首先在RTL代码阶段，要用到RAM就要用到verilog代码，此时不需要着急产生其他后阶段的必要数据，因为RTL代码阶段只需要行为级模型即可。当进入门级代码后，RAM compiler就要产生其他的相关数据了，同时要考虑RAM版图的位置与方向。由于重大的设计不会一蹴而就，所以有两个重点，第一个是每次使用RAM compiler时都一定要让它产生特性设置文档，避免忘记自己做过的设定。第二件事是对应的文件名要定义好，否则RAM的方向不同但是又用到了相同的文件名，就会把原始数据覆盖掉。RTL阶段在RTL阶段主要只是产生verilog行为级和设置文件。因为在RTL阶段不需要考虑RAM的位置信息。Memory Compiler提供多种选择，在这个阶段，选择生成RF或是SRAM，以及确定端口数量。如果容量比较大的话，相同设置下，单端口比双端口面积要小，速度也要快，功耗要低。综合与布局布线阶段为了避免重新启用Memory Compiler与以前设置有出入，所以最好一次性将Memory Compiler能够产生的相关数据一并输出。在这里，Memory Compiler还需要产生3种数据。 .LIB 该数据是RAM的时序信息文件 .VCLEF 布局布线工具需要使用的物理信息文件 .SPEC RAM的注释文件在布局布线前，需要考虑RAM的长与宽，估计它的位置与方向，尽量让功能想关的模块靠近一些。将产生的.LIB文件转换成.DB文件，就可以把Memory Compiler生成的RAM加入到代码中进行综合了。在综合工具的脚本中的serch_path下加入RAM的DB文件地址即可。以上为Memory Compiler大致的使用流程，不同的工具在细节上或许有所区别，但大体流程如此。苏州腾芯微电子的Memory Compiler界面接下来，我们来聊一聊，生成的memory——Register file和SRAM。Register file与SRAM的比较首先，厘清一下概念上的问题，Register file和很多的registers不是同一个概念。我们在IC设计里谈到register时，常常是指D触发器，而Register file是一种memory。那么，同为Memory Compiler生成，RF和SRAM有什么区别呢？在比较中，不同规格相比较显然不够客观，也不能让我们更清晰地认识到它们的差异。在比较前，我们需要先把端口的概念搞清楚： 1 port / single port：单端口，读写同端口，需要WE控制输入输出 2 port：双端口，读写分开，输入输出端口固定，可以不用WE控制 dual port:同样是双端口，但读写端口不固定，且都可读可写 RF 的端口示意图SRAM 的端口示意图所以我们应当把1P RF和SP SRAM，2P RF和DP SRAM比较，才有意义。1 Port Register file 和 Single Port SRAM同为单端口，从外部端口看，难以区分1P RF和SP SRAM的区别，但是我们可以从以下几个方面，来进行区分。首先我们以Memory Size：512*32的1P RF和SP SRAM为例。此为1P RF此为SP SRAM从datasheet直观上来看，SRAM比Register file多了OEN（输出使能）。除此之外，Register file和SRAM两者相比，SRAM的最大容量比RF要大。相同配置下，RF的面积更大，功耗更低。在mem比较小的情况下用RF划算，并且同样的mem，RF的长宽比会更小，方便后端floorplan。大容量的时候，SRAM的速度是有优势的。并且SRAM速度快，面积小。同样大小的RF，面积就很大了，速度也慢下来了。所以简单来说，小容量选RF，大容量选SRAM。2P Register file 和 Dual Port SRAM比起1P RF与SP SRAM的比较，2P RF与DP SRAM的差异较为直观。2P RF有一个输入数据总线，一个输出的数据总线。DP SRAM有两个数据输入总线，两个数据输出总线。换句话说，2P RF是一组信号，读写端口固定；而DP SRAM则有两组信号，读写不分开。且两组信号，每组都有自己的地址，输入数据总线，输出数据总线，时钟，读/写控制。这两组可以分别往存储单元写，或从存储单元读出。读可以一直读，写时数据可能存储单元数据更新，数据也可能输出端口。DP SRAM就好像2个SP SRAM共用存储单元。具体的应用，需要结合设计人员和项目自身的需求来选用。小容量，地址少的用RF。有两个外设要同时读写SRAM的，就要用DP SRAM。涉及到具体的选取，则需要由设计人员自己做判断了。以下为读写时序图：图源：数字IC自修室来自微信
【干货】这篇把MOSFET的每个特性参数都讲透了！