通信電子線路PSpice仿真的研究與實(shí)現(xiàn)

摘 要:應(yīng)用PSpice電子輔助仿真設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)對(duì)通信電子線路進(jìn)行仿真，仿真中采用了含小信號(hào)調(diào)諧放大的集電極調(diào)幅及二極管檢波綜合電路，并對(duì)電路元件參數(shù)優(yōu)化要求進(jìn)行分析，對(duì)各電路參量進(jìn)行仿真測(cè)量。仿真效果表明，通信電子線路的可行性設(shè)計(jì)可充分結(jié)合PSpice仿真平臺(tái)的高效性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞:PSpice; 通信電子線路; 諧振回路; 檢波電路

中圖分類(lèi)號(hào):TP393.01 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)11-0094-03

Realization of Experimental Simulation of Communication Electronic Circuit Based on PSpice

ZHANG Yi-Xiong1， WU Jun-hao1， HONG Zheng-bing2

(1. Deparment of Physics and Electronic Engineering， Hanshan Normal University， Chaozhou 521041， China;

2. Network and Educational Technology Center， Hanshan Normal University， Chaozhou 521041， China)

Abstract: The simulation of a communication electronic circuit was performed with PSpice in an experiment. The synthesis circuit including the circuit of collecting anode amplitude modulation and diode envelope detection was adopted to measure all the circuit parameters during the simulation experiment. The result of simulation shows that the PSpice system is efficient， and that the optimization design for communication electronic circuits can be implemented in combination with high efficiency of PSpice simulation platform.

Keywords: PSpice; communication electronic circuit; resonance circuit; detecting circuit

OrCAD/PSpice電子輔助仿真設(shè)計(jì)軟件經(jīng)過(guò)多年的快速發(fā)展，具備了強(qiáng)大的電路設(shè)計(jì)與仿真能力，提供了大量的電子元器件模型[1]，能實(shí)現(xiàn)各電路參量的測(cè)試、分析功能及電氣規(guī)則檢查與器件庫(kù)的構(gòu)建功能。在掌握電路原理的基礎(chǔ)上，能方便地利用電子輔助仿真設(shè)計(jì)軟件PSpice完成所需電路的模擬。本文通過(guò)通信電子線路電路仿真，證明PSpice輔助設(shè)計(jì)有利于完成電路的設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化、調(diào)試和測(cè)量。

1 通信電子線路中PSpice仿真的作用

在完成既定的非線性電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，逐步全面掌握電子輔助仿真軟件的使用，完善非線性電路的分析方法，從而有助于熟練掌握通信電子線路電路設(shè)計(jì)要求。通過(guò)完成通信電子線路中小信號(hào)調(diào)諧放大器的設(shè)計(jì)，理解高頻線路中各元器件參數(shù)的選擇，同時(shí)，利用軟件掌握對(duì)放大器處于諧振時(shí)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試。在完成二極管開(kāi)關(guān)混頻器[2-3]的設(shè)計(jì)中，學(xué)會(huì)利用電子輔助仿真軟件進(jìn)行電路頻譜分析;在高頻正弦波振蕩器設(shè)計(jì)測(cè)試中，通過(guò)電子輔助仿真軟件可以實(shí)現(xiàn)實(shí)際電路中未能觀察到的極短時(shí)間電路起振過(guò)程;PSpice能很好地完成變?nèi)荻O管調(diào)頻、集成模擬乘法器等高頻電子電路的各電參量掃描和仿真。對(duì)通信電子線路中綜合電路的仿真實(shí)現(xiàn)，更能提高對(duì)電路的全面分析、設(shè)計(jì)能力。下面通過(guò)通信電子線路中含小信號(hào)調(diào)諧放大的集電極調(diào)幅及二極管檢波的電路進(jìn)行仿真分析。

2 通信電子線路PSpice仿真電子原理圖

圖1所示為PSpice電路原理圖:集電極調(diào)幅及二極管檢波的電路。高頻小信號(hào)Vc經(jīng)諧振放大電路后作為集電極調(diào)幅電路的載波信號(hào)輸入，調(diào)制低頻信號(hào)則從調(diào)幅電路集電極輸入，再把調(diào)幅輸出信號(hào)輸送到二極管檢波電路解調(diào)[4-6]，因Q1級(jí)作為高頻小信號(hào)放大級(jí)，放大電路可工作在甲類(lèi)狀態(tài)，諧振回路作為輸出，就具有選頻作用。而集電極調(diào)幅放大級(jí)作為既要考慮功率放大作用，又要起到調(diào)制作用，所以采用丙類(lèi)放大工作狀態(tài)，如圖1中的Q2級(jí)放大所示。檢波采用的二極管檢波電路能夠滿(mǎn)足大信號(hào)的解調(diào)。

在確定好電路基本功能結(jié)構(gòu)后，需要設(shè)置每一電子元器件的具體參數(shù)，而優(yōu)化元器件參數(shù)的具體過(guò)程最能提高學(xué)習(xí)者的電路設(shè)計(jì)能力。如圖1中，Q1級(jí)甲類(lèi)放大電路，要考慮好交、直流通路的合理設(shè)置，選擇好放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，而且LC諧振回路的諧振頻率要滿(mǎn)足在載波信號(hào)頻率上。

圖1 含小信號(hào)調(diào)諧放大的集電極調(diào)幅及

二極管檢波的PSpice原理圖

集電極調(diào)幅級(jí)放大電路的參數(shù)需滿(mǎn)足較大的功率輸出、較高的放大器輸出效率、較好的信號(hào)調(diào)制效果。要滿(mǎn)足這些條件，要求元器件參數(shù):

Q2級(jí)放大器處于丙類(lèi)放大工作狀態(tài);在低頻調(diào)制信號(hào)幅值為零時(shí)，調(diào)節(jié)好高頻載波信號(hào)的大小，使Q2級(jí)放大器處于過(guò)壓工作狀態(tài)，此時(shí)流經(jīng)Q2級(jí)放大器發(fā)射極電流Ie波形成下凹，以確保放大器處于過(guò)壓工作狀態(tài)，這樣才能更好地實(shí)現(xiàn)集電極的調(diào)幅效果。

二極管檢波電路首先要考慮采用的檢波二極管PN結(jié)的結(jié)電容要盡量小，以減少結(jié)電容對(duì)二極管檢波結(jié)果的影響;其次應(yīng)注意要達(dá)到一定功率輸出時(shí)，交直流負(fù)載的大小選擇優(yōu)化，避免檢波的負(fù)峰值切割失真;再需設(shè)置好檢波電路中電阻與電容，滿(mǎn)足相應(yīng)的時(shí)間常數(shù)，避免檢波的惰性失真。

3 PSpice仿真分析

圖1中的載波信號(hào)Vc為10.7 MHz的正弦波;VΩ為1 kHz的調(diào)制正弦信號(hào)。選用輸入導(dǎo)納與輸出導(dǎo)納都小的晶體管，以及在接入系數(shù)小的情況下，兩級(jí)諧振頻率須在10.7 MHz處。

fp=12πLCT=12πL(C+P21Coe1+P22Cie2)

式中:P1為本級(jí)晶體管輸出端對(duì)諧振回路的接入系數(shù)[3];P2為下級(jí)晶體管輸出端對(duì)諧振回路的接入系數(shù);Coe1為晶體管的輸出電容;Cie2為下級(jí)晶體管的輸入電容。據(jù)此可以確定L，C并聯(lián)諧振回路的電感、電容值。當(dāng)圖1中C11=120 pF時(shí)，變壓器TX1的初級(jí)電感量約為2 μH。設(shè)置好參數(shù)后可以利用PSpice的交流分析掃描出電路的幅頻特性圖。圖2為Q1級(jí)諧振放大電路的PSpice幅頻特性。從圖2中能直觀地測(cè)定電路諧振點(diǎn)。

調(diào)整Q2級(jí)放大器工作狀態(tài)時(shí)，可以利用PSpice的電壓探針[7-10]測(cè)量出Q2級(jí)E極電流波形，使電流波形產(chǎn)生下凹，達(dá)到放大器工作在過(guò)壓狀態(tài)，以便調(diào)幅成功。從變壓器TX輸出的調(diào)幅信號(hào)如圖3所示。該調(diào)幅信號(hào)經(jīng)二極管檢波電路后的解調(diào)輸出如圖4所示。

圖2 調(diào)諧放大電路PSpice掃描的幅頻特性圖

圖3 集電極調(diào)幅波形圖

圖4 二極管檢波輸出波形

二極管檢波時(shí)，若把高頻載波信號(hào)描述為:

Vc=Vcmcos(ωct)

(1)

低頻調(diào)制信號(hào)為:

VΩ=VΩmcos(ωΩt)

(2)

則已調(diào)波表示為:

VAM=Vcm\\cos(ωct)

(3)

式中:ma為調(diào)幅系數(shù);

Ω為調(diào)制信號(hào)VΩ的角頻率;Vcm為高頻信號(hào)Vc的振幅;VΩm為調(diào)制信號(hào)VΩ的振幅;VAM為調(diào)幅波的振幅。

令二極管檢波電路中的直流負(fù)載為RL，交流負(fù)載為Rg，為克服惰性失真，則電路的時(shí)間常數(shù)RLC大小受到限制[7]。要求:

RLC≤(1-m2a)/(maΩ)

(4)

否則會(huì)產(chǎn)生圖5所示的PSpice仿真出的檢波對(duì)角線失真波形圖。

當(dāng)輸入低頻信號(hào)比較大，形成調(diào)幅波電壓的調(diào)幅系數(shù)ma較大，此時(shí)若設(shè)置二極管檢波電路中的交、直流負(fù)載不適當(dāng)時(shí)，造成交、直流負(fù)載較大差異，輸出的檢波信號(hào)就會(huì)在其負(fù)峰值附近被切平，形成如圖6所示 PSpice仿真的檢波負(fù)峰切割失真波形。

圖5 檢波對(duì)角線失真

圖6 檢波負(fù)峰切割失真

在PSpice仿真過(guò)程中，可以更好地掌握電路各分立元件的參量設(shè)置如何影響到電路輸出效果，從而避免所設(shè)計(jì)的電路產(chǎn)生對(duì)角線切割失真現(xiàn)象和負(fù)峰切割失真現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)電路中電參量波形的測(cè)量，易于理解產(chǎn)生各種現(xiàn)象的原因。

4 結(jié) 語(yǔ)

利用PSpice分析含小信號(hào)調(diào)諧放大的集電極調(diào)幅

及二極管檢波電路，通過(guò)電路設(shè)計(jì)目標(biāo)和元件參數(shù)要求及仿真結(jié)果來(lái)綜合體現(xiàn)PSpice電子輔助仿真設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用于通信電子線路仿真的高效性，進(jìn)而利用電子輔助仿真設(shè)計(jì)軟件提供的可自由開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行創(chuàng)新性電路設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1]趙雅興.PSpice與電子器件模型[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社，2004.

[2]嚴(yán)國(guó)萍，盧占超.通信電子線路[M].北京:科學(xué)出版社，2007.

[3]胡宴如，耿蘇燕.高頻電子線路[M].北京:高等教育出版社，2009.

[4]謝嘉奎，宣月清，馮軍.電子線路非線性部分[M].北京:高等教育出版社，2002.

[5]張肅文.高頻電子線路[M].北京:高等教育出版社，2004.

[6]劉靜波.高頻電子線路實(shí)踐教學(xué)的建設(shè)和探索[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28(4):87-90.

[7]楊翠娥.高頻電子線路實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2001.

[8]高遠(yuǎn)，姚澄，朱昌平.高頻電子線路仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28(2):85-89.

[9]吳少琴，宋寧.PSpice仿真中收斂問(wèn)題研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31(20):91-93.

[10]高燕梅.基于PSpice的振蕩器起振特性的仿真研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2007，24(2):91-93.