基于PSPICE的通信電子線路仿真

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技術的發展和應用對電子設計的發展起了巨大的推動作用。EAD技術是在電子CAD技術基礎上發展起來的計算機軟件系統，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、協議等開始設計電子系統，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。

隨著集成電路的發展,傳統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和專用集成電路設計的各個環節。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。設計人員借助開發軟件的幫助,可以將設計過程中的許多細節問題拋開,而將注意力集中在產品的總體開發上。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，縮短了開發周期，實現了真正意義上的電子設計自動化。程泓列舉傳統實驗存在的缺陷，以“共發射極放大器”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熱電阻的PSPICE等效電路模型參數.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對于電路分析和設計人員來說是非常重要的。

在電路系統仿真方面，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，適于做系統及電路級仿真，具有快速、準確的仿真能力。其主要優點包括：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

設計一級具有穩定偏置的放大器電路，晶體管選擇Q2N222（改參數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

為獲得穩定的靜態工作點，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，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，為使靜態工作點調整方便，RB1由30kΩ固定電阻與100kΩ電位器串聯。

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

根據上述參數，設計出一級具有穩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發射極電阻Re部分旁路的放大器，即在等效電路中有發射極電阻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。

3.2 Rc值的增減影響分析

①對于電路一：隨著基極電阻Rc值的減小（圖8、圖9），輸出信號的頻譜也發生了變化，即它的幅值逐漸減小，并無多大的噪聲干擾。

隨著基極電阻Rc值的增加（圖10、圖11），輸出信號的頻譜幅度逐漸減少，并且開始出現噪聲干擾。

分析：

②對于電路二：隨著基極電阻Rc值的減小，輸出信號的頻譜也發生了變化，即它的幅值逐漸減小，并無多大的噪聲干擾；隨著基極電阻Rc值的增加，輸出信號的頻譜幅度逐漸減少，并且開始出現噪聲干擾。

圖1 電路設計圖

圖2 電路一

圖3 電路二

圖4 Rb2=1KΩ

圖5 Rb2=1Ω

圖6 Rb2=60KΩ

圖7 Rb2=100KΩ

圖8 Rc=0.5KΩ

圖9 Rc=0.01Ω

圖10 Rc=10KΩ

圖11 Rc=100KΩ

綜合上述分析，我們可以看到電路一的輸出信號失真度較小，且調整電路參數Rb2、Rc時，電路一的輸出信號頻譜變化沒有電路二的幅度大，所以電路一的性能更好一些。

結論

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。為了深入觀察晶體管的非線性效應，設計了兩種電路，通過調整電路參數Rb2和Rc，比較了兩種電路的非線性失真。

[1]程泓，徐樹山，馬萬賓.電子技術實驗的PSPICE仿真.漯河職業技術學院學報（綜合版），2003.6，VOL2（2）：12.

[2]陸敏恂,林永佳,周愛國,周 全.基于PSPICE的熱式空氣流量計發熱電阻模型.中國工程機械學報，2009.12,vol7（4）：455-458.