基于PSPICE的通信電子線路仿真

2011-05-12 05:06:08張偉

中國新技術新產品 2011年7期

張偉

（東營大明鉆井有限責任公司，山東東營 257000）

引言

電子設計自動化EDA技術的發(fā)展和應用對電子設計的發(fā)展起了巨大的推動作用。EAD技術是在電子CAD技術基礎上發(fā)展起來的計算機軟件系統(tǒng)，是指以計算機為工作平臺，融合了應用電子技術、計算機技術、信息處理及智能化技術的最新成果，進行電子產品的自動設計。利用EDA工具，電子設計師可以從概念、算法、協(xié)議等開始設計電子系統(tǒng)，大量工作可以通過計算機完成，并可以將電子產品從電路設計、性能分析到設計出IC版圖或PCB版圖的整個過程的計算機上自動處理完成。EDA技術的深入發(fā)展和廣泛應用，帶給電子設計師更完善的設計方法，更短的設計周期，使其產品更具競爭力。

隨著集成電路的發(fā)展,傳統(tǒng)的設計方法已遠遠不能滿足要求,EDA技術已滲透到電子系統(tǒng)和專用集成電路設計的各個環(huán)節(jié)。對于從事電路設計及相關領域的工作人員來說,掌握并應用EDA工具是非常必要的。設計人員借助開發(fā)軟件的幫助,可以將設計過程中的許多細節(jié)問題拋開,而將注意力集中在產品的總體開發(fā)上。這樣大大減輕了工作人員的工作量，提高了設計效率，減少了以往復雜的工序，縮短了開發(fā)周期，實現(xiàn)了真正意義上的電子設計自動化。程泓列舉傳統(tǒng)實驗存在的缺陷，以“共發(fā)射極放大器”為例說明了PSPICE在電子技術實驗中的應用[1]。陸敏恂采用PSPICE軟件中的受控電源模型,建立了一個發(fā)熱電阻的仿真模型.結合具體電路結構,從流量計基本方程中得出發(fā)熱電阻的PSPICE等效電路模型參數(shù).針對仿真電路的啟動特性進行了仿真,仿真結果與測試結果基本吻合[2]。

本文應用PSPICE軟件設計晶體管放大電路，介紹了電路設計的過程,并設計了兩種電路以比較其非線性效應。

1 PSPICE

即Personal SPICE是在PC機上使用的SPICE程序。SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)是由美國加州大學伯克莉分校于1972年開發(fā)的電路仿真程序。自從這個程序問世以來，由于它強大的功能，在全世界的電工、電子工程界得到了廣泛的應用。在大學里，它是工科類學生必會的分析與設計電路的工具；在科研開發(fā)部門，它是產品從設計、試驗到定型過程中不可缺少的工具。隨后，版本不斷更新，功能不斷增強和完善。1988年SPICE被定為美國國家工業(yè)標準。SPICE是通用電子模擬軟件，它可以對電子電路進行直流分析、交流分析、瞬態(tài)分析、噪聲分析、靈敏度分析、傅立葉分析、諧波失真分析以及在不同溫度下的電路性能分析。SPICE程序能夠代替面板、示波器等整個電子實驗室的功能，對復雜的電路與系統(tǒng)進行分析，這主要是由于SPICE程序含有高精度元器件模型。獲取準確的器件模型參數(shù)對于電路分析和設計人員來說是非常重要的。

在電路系統(tǒng)仿真方面，PSPICE可以說獨具特色，是其他軟件無法比擬的。它是一個多功能的電路模擬試驗平臺。PSPICE軟件由于收斂性好，適于做系統(tǒng)及電路級仿真，具有快速、準確的仿真能力。其主要優(yōu)點包括：a.圖形界面友好，易學易用，操作簡單；b.實用性強，仿真效果好；c.功能強大，集成度高。

本文應用PSPICE8.0進行電子線路設計與仿真。

2 電路設計

2.1 設計要求

設計一級具有穩(wěn)定偏置的放大器電路，晶體管選擇Q2N222（改參數(shù)IS=5E-16，Bf=60,Rf=100Ω），Vcc=12V,R1=3kΩ,Vi=10Mv,f=1kHz,Rs=600Ω。性能指標要求：①電壓增益大于40；②低界頻率約為100Hz；③輸入電阻大于1kΩ，輸出電阻小于3 kΩ。

2.2 設計過程

為獲得穩(wěn)定的靜態(tài)工作點，采用分壓式電流負反饋偏置電路。因放大器的上限頻率要求較高，故選用高頻率小功率管3DG6,其特性參數(shù)為：ICM=20mA，BUCEO>=20V，fr>=150MHZ,用晶體管特性圖示儀測量晶體管的特性參數(shù)，通常要求β>AV,故選β=60。

若取UBQ=3V,得RE=(UBQ-UBE)/ICQ=1.53kΩ，故RE取標稱值1.5kΩ，RB2=UBQ/I1=｛UBQ/(5～10)ICQ}*β=24kΩ，RB1=｛（UCC-UBQ）/UBQ}*RB2=72kΩ，為使靜態(tài)工作點調整方便，RB1由30kΩ固定電阻與100kΩ電位器串聯(lián)。

rbe=300+β*26mv/ICQ=1340Ω

AV=U0/Ui=-βRL'/rbe

RL'? AV rbe/β=0.89 kΩ

RL'=RL'RL/(RL-RL')=1.27 kΩ 取標稱值1.3 kΩ

CB>=(3～10)/2πfL(RS+rbe)=8.2uf 取標稱值10uf

CC>=(3～10)/2πfL(RC+RL)=3.7 uf 常取CC=CB=10 uf

CE>=(1～3)/2πfL ｛RE//[(RS+rbe)/(1+β)]}=91.5uf取標稱值100uf

根據(jù)上述參數(shù)，設計出一級具有穩(wěn)定偏置的放大器電路，如圖1。

3 電路仿真

為了對晶體管的非線性效應做更深入的觀察，設計如下兩種電路并比較其非線性失真：

①發(fā)射極電阻Re部分旁路的放大器，即在等效電路中有發(fā)射極電阻Re1的放大器的非線性失真，如圖2。

②將信號源串聯(lián)51kΩ的電阻，組成電流源如圖3，觀察簡單的共射極電路在以電流為輸入信號時的非線性失真。

3.1 Rb2值的增減影響分析

①對于電路一：隨著基極電阻Rb2值的減小（圖4、圖5），輸出信號的頻譜也發(fā)生了變化，即它的幅值逐漸減小，當減少到一定值如Rb2=1Ω時，在高頻處有噪聲干擾。

隨著基極電阻Rb2值的增大（圖6、圖7），輸出信號的頻譜也發(fā)生了變化，即它的幅值逐漸增大，但到一定限度時，如Rb2=100KΩ時，幅值反而減少，并且在臨近頻率處有噪聲干擾。

②對于電路二：同樣，隨著基極電阻Rb2值的減小，輸出信號的頻譜也發(fā)生了變化，即它的幅值逐漸減小，當減少到一定值如Rb2=1Ω時，干擾噪聲很嚴重；隨著基極電阻Rb2值的增大，輸出信號的頻譜幅度變化并不明顯，但到一定限度時，如Rb2=100KΩ時，幅值反而減少，并且在鄰近頻率處有噪聲干擾比較嚴重。