兩級負(fù)反饋放大器的PSpice仿真

張 妍，張 華，宋 智

(1.大連海洋大學(xué) 信息工程學(xué)院，遼寧 大連116023；2.遼寧師范大學(xué) 物理與電子技術(shù)學(xué)院；3.大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院)

負(fù)反饋在電子電路中有著非常廣泛的應(yīng)用，雖然它使放大器的放大倍數(shù)降低，但能在許多方面改善放大器的動態(tài)指標(biāo)，在多級放大電路中引入深度負(fù)反饋，可以使整個(gè)電路的電壓放大倍數(shù)僅僅與兩個(gè)電阻有關(guān)，其中晶體管的更換幾乎不會給整個(gè)電路性能帶來什么影響.也就是說，其電壓放大倍數(shù)的穩(wěn)定性獲得了大幅度的提高.

負(fù)反饋的引入還可以給放大電路帶來其它影響，比如可以擴(kuò)展電路的通頻帶——降低下限截止頻率、提高上限截止頻率，可以降低環(huán)內(nèi)器件的噪聲，可以改善環(huán)內(nèi)器件引起的非線性，可以方便地改變輸入輸出電阻等.

本文以較常見的兩級負(fù)反饋放大電路為例，粗略介紹用PSpice仿真工作狀態(tài)的一般步驟.仿真選用的軟件是Orcad9.2，它是一個(gè)過渡版本，內(nèi)部包含pspice輸入工具schematics(在以后的版本中已經(jīng)取消了該輸入方式).Orcad的原理圖輸入工具Capture(和Capture CIS).仿真過程的操作以Capture CIS為主.

1 編輯電路原理圖

要對電路進(jìn)行仿真需要首先繪出電路原理圖繪出原件屬性，在Windows7環(huán)境下啟動Orcad Family Release 9.2/Capture CIS，在菜單欄中選擇FileNewProject，在name欄中輸入新建項(xiàng)目的名稱，在Create a New Project Using欄中選擇Analog or Mixed A/D，在Location欄中輸入項(xiàng)目文件保存的文件夾，然后單擊“OK”按鈕.在Create PSpice Project窗口中選擇，Creare a blank project，單擊“OK”按鈕，進(jìn)入Orcad Capture的空白繪圖頁.

放置晶體管符號：執(zhí)行P1ace/Part命令，在“Libraries”列表框中選擇“BIPOLAR”，在“Part”列表框中選擇“Q2N2222”，單擊“OK”，將晶體管移至合適位置，按鼠標(biāo)左鍵，按ESC鍵以結(jié)束繪制元器件狀態(tài).用同樣方法可以放置電阻R/ANALOG，電容C/ANALOG，直流電源VDC/SOURCE，正弦電源VSIN/SOURCE.放置的符號執(zhí)行P1ace/Ground命令，在“Libraries”列表框中，選擇“SOURCE”，在“Symbol”列表框中，選擇“0”，單擊“OK”.

元器件間的電連接執(zhí)行P1ace/Wire命令，將光標(biāo)移至互連線的起始位置處，點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵，移動鼠標(biāo)，互連線出現(xiàn)，在互連線終點(diǎn)，單擊鼠標(biāo)左鍵，繼續(xù)移動鼠標(biāo)，以繪制下一段互連線，單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇End Wire子命令，結(jié)束互連線繪制.

將鼠標(biāo)對準(zhǔn)要修改的名稱或者數(shù)值，雙擊鼠標(biāo)左鍵，出現(xiàn)“Display Properties”窗口，在“Value”欄填入所要改的名稱或者數(shù)值，單擊“OK”完成對元件屬性參數(shù)的修改.執(zhí)行P1ace/Junction命令，放置連接點(diǎn).執(zhí)行P1ace/Net Alias功能選項(xiàng)為網(wǎng)絡(luò)連接線命名，輸入連線為Vi，輸出連線為Vo.電路原理圖保存執(zhí)行File/Save命令.設(shè)置好的電路如圖1所示.

圖1 兩級負(fù)反饋放大電路電路圖

2 偏壓點(diǎn)分析

選擇菜單PSpice/New Simulation打開New Simulation對話框.在name欄內(nèi)輸入分組的文件名稱，然后單擊“Create”按鈕調(diào)出Simulation Setting-“文件名”對話框，這是設(shè)置“PSpice”仿真參數(shù)的集成對話框，在Analysis type欄內(nèi)選擇仿真類型Bias Point，同時(shí)在Output File Options域內(nèi)選定Include detailed bais point information for nonlinear controlled sources and semiconductors(.OP)，單擊“確定”按鈕退出此窗口，現(xiàn)在選擇菜單：PSpiceRun即可啟動PSpice仿真窗口，窗口上方是波形圖區(qū)，由于直流工作點(diǎn)不需要波形顯示，故此區(qū)域目前是深灰色，窗口左下方是輸出窗口，負(fù)責(zé)顯示本次仿真操作的進(jìn)度與執(zhí)行情況.執(zhí)行菜單：View/Output File功能選項(xiàng)，打開一個(gè)記錄了本次仿真結(jié)果的文本文件，圖2是仿真結(jié)果的一部分文本內(nèi)容，從中可以看出三極管的發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏即處于放大狀態(tài).

圖2 仿真結(jié)果部分文件

回到Orcad Capture繪圖窗口，選擇工具欄中的“V”符號Enable Bias Voltage Display.顯示靜態(tài)電壓；選擇“I”符號Enable Bias Current Display.顯示靜態(tài)電流.

3 瞬態(tài)分析

關(guān)閉偏壓點(diǎn)仿真窗口，選擇菜單：PSpiceEdit Simulation Setting在Analysistupe欄內(nèi)選擇Time Domain(transient)設(shè)置瞬態(tài)分析，將Run to time欄內(nèi)設(shè)為1ms、Start saving data after欄設(shè)為0、Maximum step size欄設(shè)為1000ns.就是從0秒開始觀察，1ms結(jié)束(一個(gè)正弦周期)，每1000ns內(nèi)至少記錄一點(diǎn).放置儀器探頭，執(zhí)行PSpice/Markers/Voltage Level命令，將電壓探頭拖至輸入端Vi、輸出端RL處，按ESC鍵，以結(jié)束儀器探頭放置.執(zhí)行PSpice/Run命令，屏幕上出現(xiàn)PSpice仿真分析窗口.執(zhí)行Trace/Cursor/Display命令，進(jìn)行波形測量，點(diǎn)擊分析窗口左下角“V(Vo)”，選擇輸出電壓波形，執(zhí)行Trace/Cursor/Peak命令，測量標(biāo)尺定位于輸出波形頂峰.執(zhí)行Plot/Label/Mark命令，顯示輸出波形頂峰標(biāo)尺坐標(biāo)，第一位置坐標(biāo)為頂峰處時(shí)間=745.802us，第二位置坐標(biāo)為頂峰處電壓=21.856mv；執(zhí)行Trace/Cursor/Trough命令，測量標(biāo)尺定位于輸出波形谷底，第一位置坐標(biāo)為谷底處時(shí)間=248.855us，第二位置坐標(biāo)為谷底處電壓=-21.160mv.也可用此方法測量輸入波形.

輸出峰峰值以及系統(tǒng)增益，將頂峰處電壓數(shù)值與谷底處電壓數(shù)值相減，得到輸出波形峰峰值Vopp=21.856-(-21.160)=43.016mV，Probe Cursor顯示結(jié)果為：在746.053us的時(shí)候，A1為輸出信號的幅度21.856mv，A2為輸出信號的幅度-3.1815mv.

輸出波形峰峰值Vopp與輸入波形峰峰值Vipp相除，得到系統(tǒng)放大增益

Av=Vopp/Vipp=43.016mV/(2×3.1815)mV=6.7674

圖3 瞬態(tài)分析圖

4 交流掃描分析

更換激勵(lì)信號源：刪除電壓儀探頭、信號源VSIN，執(zhí)行Place/Part命令，放置信號源VAC，在“Libraries”列表中選擇SOURCE，在“PART”列表中選擇VAC，單擊“OK”，將V1修改為Vi、5mVac、0Vdc；建立電路網(wǎng)表，執(zhí)行PSpice/Create Netlist命令；仿真參數(shù)類型設(shè)置：執(zhí)行PSpice/Edit Simulation Profile命令，Analysis Type欄選擇，AC Sweep/Noise，AC Sweep Type欄選擇，Logarithmic及Decade，Start 欄填寫1Hz，End欄填寫1000KHz，Points/Decade填寫100，點(diǎn)擊“確定”按鈕；運(yùn)行仿真分析程序：執(zhí)行PSpice/Run命令，屏幕上出現(xiàn)PSpice仿真分析窗口；系統(tǒng)幅頻特性分析：執(zhí)行Trace/Add Trace命令，在Add Traces對話窗口，Trace Expression欄填寫，DB(V[Vo]/V[Vi])，DB()為幅度函數(shù)，單擊“OK”按鈕.執(zhí)行Trace/Cursor/Display命令，標(biāo)尺對準(zhǔn)Av曲線中頻點(diǎn)，執(zhí)行Trace/Cursor/Peak命令，在中頻點(diǎn)處標(biāo)記位置坐標(biāo)，執(zhí)行Plot/Label/Mark命令，測量得第一為中頻處頻率fO=2.448kHz，第二為中頻處放大倍數(shù)20lg|Avo︱=16.633dB，換算放大倍數(shù)Avo=6.7866與之前的計(jì)算相符.測量低半功率點(diǎn)頻率fL，向左拖動十字標(biāo)尺，對準(zhǔn)中頻下降3dB處，即低半功率點(diǎn)，標(biāo)記低半功率點(diǎn)處坐標(biāo)，第一為低半功率點(diǎn)頻率fL=33.039Hz，第二為fL處放大倍數(shù)20lg|Av︱=13.634；測量高半功率點(diǎn)頻率fH，向右拖動十字標(biāo)尺，對準(zhǔn)中頻下降3dB處，即高半功率點(diǎn)，標(biāo)記高半功率點(diǎn)處坐標(biāo)，第一為

高半功率點(diǎn)頻率fH=202.247KHz，第二為fH處放大倍數(shù)20lg|Av︱=13.644dB.

執(zhí)行PlotADD Y Axis功能選項(xiàng)增加一個(gè)Y軸，在Add Trace對話框的Trace Expression欄內(nèi)鍵入P(V[Vo]/V[Vi])，同一窗口內(nèi)出現(xiàn)了相頻特性曲線.從曲線上可以看出在頻率為2.4448KHz時(shí)相位差為-179.689°已接近反相.

圖4 交流分析圖

5 輸入阻抗頻率特性分析

執(zhí)行Simulation/Run命令，執(zhí)行Trace/Add Trace命令，在Add Traces對話窗口，Trace Expression

欄填寫V[Vi:+]/I[Vi]，激勵(lì)源輸出電壓與電流之比即為放大器系統(tǒng)輸入阻抗Ri，單擊“OK”按鈕.同上測量方法測得低半功率點(diǎn)處坐標(biāo)第一為低半功率點(diǎn)頻率fL=36.712Hz，第二為fL處輸入阻抗Ri=33.803k；中頻點(diǎn)處第一為中頻點(diǎn)頻率fO=2.4484KHz，第二為fO處輸入阻抗Ri=28.006k；高半功率點(diǎn)fH處Ri，第一為高半功率點(diǎn)頻率fH=202.095KHz，第二為fH處輸入阻抗Ri=22.587K.與理論計(jì)算結(jié)果十分接近，說明仿真結(jié)果符合真實(shí)工作狀態(tài).

圖5 輸入阻抗頻率特性分析圖

參考文獻(xiàn)：

[1]汪漢新.基于PSp ice的電子電路特性分析[J].中南民族大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，22(1)：42～47.

[2]吳中華.用OrCAD PSpice仿真放大器工作狀態(tài)[J].職大學(xué)報(bào)，2001(4)：29～30.

[3]石煥玉.PSPICE在模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)用[J].瓊州大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，11(2)：23～25.

[4]張俊濤，陳曉莉.PSpice在電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2001(9)：31～33.