PSpice 在電路優化設計中的應用

孟祥荔

（天津市第一輕工業學校，天津 300232）

工程人員進行電路設計時，必須結合項目給定的各項要求，用人工的方法去明確設計方案。同時，還要通過在實驗板上的實際測試，來進一步檢驗設計方案是否真正符合用戶需要。而且相關過程往往需要進行多次才能獲得最終的方案。多年的實踐表明，這種方法不僅是在成本的投入上不受控制，且開發周期往往過長，已難以與不斷發展的電路產業相適應。首先，準確性較差，存在一定程度的誤差；其次，考慮到需要處理的數據比較多，很難對它們進行全面分析；第三，需要花費大量無意義的時間。

為了有效地解決上述問題，再加上近年來相關電子技術的飛速發展，出現了許多可用于電路仿真的軟件工具，類似軟件的應用可大大提高開發效率，同時能夠盡快得知某些性能參數是否與設計標準相符，如存在誤差，可迅速加以調整以獲得更加理想的性能。PSpice 就是目前應用最為廣泛的仿真軟件之一，它的應用可從根本上改變以往傳統的技術手段，使得設計的電路更加穩定，它能夠根據給定的各項數據，對電路進行仿真模擬，利用計算機設備反復進行測試，以盡可能滿足設計要求，獲得最佳的技術指標。

1 PSpice 的特點分析

與Protel 類似，PSpice 同樣也是進行電路原理分析、設計等工作的常用軟件之一，實際上在具體的使用上前者的應用要更加普遍一些。當前很多高校專業都開設了有關的學習課程，主要是因為它更容易學習，在功能上也比較全面，而后者的使用要更加復雜，且版權的保護相對來說更加嚴格，使得其應用沒有前者那么廣泛，但其自帶的仿真功能是非常強大的，能夠有效的幫助人們進行設計方案的對比和選擇，進而達到電路優選的目的。當前來看，PSpice 在歐美等電子產業發展較為先進地區的應用已得到了大面積的推廣，作為一個多功能的電路仿真軟件，它有著極強的收斂性，在電路仿真過程中，表現出迅速、準確的特點。下面對其主要特點進行簡單的分析。

（1）簡單易學，操作方便。在進行電路仿真時，PSpice 是以圖形界面輸入，操作非常簡單，而且能自動的進行電路檢查，快速形成圖表，對相關數據進行計算分析。最新版本的軟件應用了更為高效的菜單式結構，人們在學習使用時變得更加簡單，動動鼠標和鍵盤就能進行操作，不僅大大的提高了作業效率，也進一步的加快了開發進度。

（2）具有強大的實用性、仿真性。作為當前應用較為廣泛的仿真軟件之一，與其它軟件相比，PSpice 的最大特點在于國際上許多著名電子開發公司都為其提供了可用的元件模型，使得仿真結果更具真實性，與實際的結果更為接近。在進行操作時，對某些數據的修改非常容易，可迅速進行仿真，過程上相當的高效。

（3）集成度高。它能夠對電路進行不同狀態的分析，以對設計電路進行各方面性能的優化。而且，它還匯集了很多的數學工具，不但可以方便的調用加、減、乘、除等最為基礎的運算功能，還實現了正弦、余弦等復雜的函數運算，這都是別的軟件所不具備的。此外，工作人員還可以在必要的情況下對窗口進行編輯，比如坐標的修改、窗口的添加等，還有著另存為、打印等功能，這些功能的提供大大方便了用戶，使得仿真工作更加快捷、方便。

2 電路優化設計的條件及步驟

通過分析可以發現，PSpice 在應用中表現出簡單易學，操作方便，實用性以及集成性的特點。但是，其應用也是有條件的，只有具備了電路優化設計的條件，才能獲得理想的結果。下面對電路優化設計的條件及步驟展開分析。

2.1 電路優化設計的條件

實際上，如果設計出來的電路在基本功能上還有所缺乏，那么用PSpice 進行優化也是難以取得理想效果的。一般來說，對電路進行優化設計需符合以下條件：首先，所提供的電路已基本上滿足設計需要；其次，其中至少包括一個模塊具有可變的值，且其變化與優化目標相一致；第三，具有某些算法，使得優化的性能可以成為以其中的部分參數為變量的函數，如此一來才能通過對相關參數的分析來對電路性能進行評價。

2.2 電路優化設計的步驟

電路性能的開發已基本滿足需要后，進一步明確與優化目標直接相關的各個要素，并結合各要素互相間的關系對其進行綜合考慮，就可以獲得所需調整的參數，只需對這些參數進行分析以獲得最優值。同時，對電路結構進行分析，明確其對電路所造成的影響，以此提升最終的優化效率。總的來看，我們可以將電路優化設計的步驟概括如下。

（1）對相關電路開展仿真分析，準確判斷設計方案是否具備各項基本功能。

（2）進一步明確需要進行優化的目標性能，以及需要做出調整的相關參數，并給定需要使用的算法，使得目標性能成為相關參數的函數。

（3）在電路中，對相關的符號進行設置，包括對應的參數以及涉及到的器件名稱。

（4）利用PSpice 進行優化設計，在相應窗口中對目標參數、優化指標進行詳細、準確的設置。

（5）開始進行優化并得到相應結果。具體的優化過程是受到相關條件的限制，從各個元件的初始值開始，依次計算各個優化指標對應的參數，并結合給定的優化要求，對有關參數的增減程度進行調整；同時，通過仿真分析，得到迭代運算的結果，并根據所得結果來對相關參數進行必要的調整，進而獲得經過一次迭代后參數的當前值，再將其與目標值進行對比分析，以判斷是否還需再次進行迭代，直至相關參數滿足最終的優化需要。

（6）對得到的優化結果進行分析。將所得結果與設計指標進行比較，看是否已達到了優化目的。如果已充分滿足設計要求，我們就可以用最終得到的優化數值，去代替對應的元件參數，從而也就實現了電路的優化設計。

3 PSpice 電路設計的方法

在電路開發過程中，使用PSpice 進行仿真分析，首先需要繪制原理圖，接著對相關參數進行設置，最后進行仿真分析，并得到優化參數。這里必須引起注意的一點是，所調用的器件必須包括PSpice 模型。通過各種仿真功能的綜合使用，對相關參數進行設置與更改，以對所設計的電路進行仿真，結合得到的結果與預期數值進行對比分析，從而得到最優指標，實現電路性能的優化。PSpice 的應用可從根本上改變以往傳統的技術手段，使得設計的電路性能更佳，根據給定的各項數據，對電路進行仿真，利用計算機多次進行測試，以充分滿足設計要求，獲得最佳的各項參數。

研究表明，在當前的模擬電路中，集成運算放大器的使用是較為普遍的。作為一種有著高電壓增益的放大電路，其輸入在多數情況下要用到差分電路，其主要原理是利用其具有的對稱特性來有效地提升整個電路的運行性能，同時還可以對零點漂移等進行較好的抑制。但是，差分電路的構成是極為復雜的，而且分析過程繁瑣，尤其是對不同輸入信號的分析，很難進行，因此一直以來都是電子開發中的難點。PSpice 的應用，較好的解決了這一問題。

4 PSpice 仿真分析

PSpice 的應用能夠對模擬電路進行各種輸入狀態的分析，已基本滿足了大部分開發工作的需要，下面我們通過幾種常見的仿真實驗進行詳細的探討。

4.1 直流分析

它是對電路直流特性的分析，假定電路中某個參數在相應范圍內發生變化，對其直流偏置特性進行分析。在這里，我們可以選擇某個三極管的電流放大系數是自變量，令其值進行線性增長，就可以對輸出電壓與電流放大系數的關系進行研究。

通過分析可知，由于電路結構的對稱性，三極管有著一致的直流狀態，隨著電流放大系數的不斷增加，集電極電位會隨之減小。而所得結果表明，在直流狀態時，輸出電壓的變化規律是趨于一致的，都是隨著電流放大系數的增加，而呈下降趨勢。可見，得到的仿真結果與理論層面的分析是一致的，這表明電路正確。

4.2 交流分析和噪聲分析

它是通過對頻率響應特性進行計算，并將各相關元件對相應輸出點形成的噪聲等效到輸入源上，對頻率特性的研究就是分析其在各種信號頻率下的增益等。

在這里，我們在一定范圍內設置掃描頻率，并按要求進行遞增。需要引起注意的一點是，使用PSpice 進行分析時，需要設置與之對應的激勵源，不然是難以實施仿真的。而所得結果表明，在激勵源不變的情況下，而頻率進行順序遞增，差分放大電路具有一定的低通特性。分析表明，這是因為在電路構成上采用的是直接耦合，從而有效的避免了阻容耦合狀態下對低頻性能所造成的影響。

4.3 瞬態分析

它指的是在給定輸入信號的前提下，對輸出端的瞬態響應進行計算，以對電路瞬態特性進行分析。這也是當前電路分析中最為常用的功能之一。對相關參數進行設置，進行PSpice 仿真，對差分電路的工作情況進行研究。

所得結果表明，在單端輸入的情況下，兩個差分對管是同時得到輸入信號，且得到的是一對差模信號，可見不同輸入狀態下的電壓放大倍數是一致的。但是所得輸出電壓信號的相位是相反的，這說明單端輸出時得到的信號電壓是雙端輸出的二分之一，表明電路正確可用。

4.4 溫度分析

對電路的溫度特性進行研究也是非常重要的，因為電子元件的一大不足就是其溫度穩定性普遍不理想，而很多元件的工作環境復雜多變，對其性能的影響是很大的。比如我們工作中常常用到的三極管，在所處環境發生意外變化時，就會引發很多系數的變化，甚至影響到電路的正常運行。溫度分析，也就是對電路在溫度下的特性進行計算分析，這是其獨有的仿真功能，具有較強的可用性。

所得結果表明，在溫度發生較大變化的情況下，電路的輸出電壓與頻率特性是基本不發生變化的。可見，差分結構的應用能夠有效提升電路的溫度特性，進而抑制由溫度變化所引發的電路特性改變。而這對確保電路的運行穩定性是非常重要的。

5 結語

總的來說，隨著電子產業的加快發展，電路規模隨之不斷擴大，傳統的電路設計方法已難以滿足實際需求，這就需要更多的用到仿真軟件來進一步提升開發效率。PSpice 就是目前應用最為廣泛的仿真軟件之一，它的應用有效地提升了電路的各方面性能。PSpice 在電路優化設計中的應用，可以方便的處理和分析實驗數據，生成較為直觀的數據圖表，極為方便快捷，其仿真性能不管是在精度上還是效果上都較為突出，能夠迅速、精確的對電路性能進行評價，大大的節省了開發時間和開發成本。此外，對于以往無法進行的數據分析也可以利用該軟件來實現，通過對多個設計方案的對比，可從中選出最優的方案，有效地改善電路質量，達到電路優化的最終目標。可以說，利用PSpice 對電路進行優化設計，省去了大量的人工操作，大大提高了設計效率，且可以使得電路性能變得更加理想。但需要注意的是，所提供的電路已基本滿足設計需要的前提下，才能夠開始進行優化，此外還需分析調整哪些參數才能優化電路的性能。