PSpice在高頻電子線路實驗教學中的應用

喬世坤

（東北林業大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

“高頻電子線路”是電子、信息、通信類專業的必修課程，該課程具有很強的實踐性和工程性，實驗教學至關重要。在“高頻電子線路”的實驗教學中，由于實驗電路工作頻率高，電路調試困難，在硬件實驗中不易觀察到實驗現象，實驗內容也難以更新升級，實驗教學效果往往不夠理想。

在高頻電子線路實驗教學中適度加入仿真實驗，是提高實驗教學效果的有效途徑［1］。在眾多的電路分析軟件中，PSpice具有優良的仿真設計功能，并被廣泛應用到教學科研中［1－2］。

1 高頻電子線路實驗教學中應用PSpice的必要性

PSpice是一款通用的電路分析設計軟件，電路模擬精度高，仿真分析功能極為強大。利用該軟件可以實現對模擬電路、數字電路及模數混合電路的直流分析、交流分析、瞬態分析，噪聲分析、傅里葉分析等多種形式的電路性能分析［2－5］。

PSpice軟件應用于高頻電子線路實驗教學的優勢主要體現在以下幾個方面。

（1）有利于學生對理論知識的理解和掌握。利用PSpice，可以清楚地展示實驗的現象、過程及結果，使相關理論知識更易于理解。以高頻諧振功率放大器實驗為例，通過對PSpice的合理設置，可以直觀地觀察到諧振功率放大器欠壓、臨界、過壓3種工作狀態下輸出負載端電壓、晶體管集電極電流的變化情況，對于學習高頻功放的動態特性很有幫助。

（2）有利于彌補硬件實驗的不足。在高頻電子線路實驗教學中，采用硬件實驗教學存在實驗調試困難、元器件易損壞且不易更換等問題；應用PSpice軟件進行電路仿真，不但可以達到硬件實驗難以達到的實驗教學效果［1，6］，而且易于調試、不會有元器件的損壞。

（3）有利于減少復雜的數據運算。PSpice軟件能夠取代人工對高頻電子線路的分析和大量的繁瑣計算過程，提高了電路性能分析的效率。波形顯示和分析模塊Probe實現了對信號波形的多種運算分析處理，如信號波形的傅里葉變換，調諧放大器諧振點、通頻帶、矩形系數等參數的測量，為學習與掌握高電頻電路提供了方便。

（4）有利于學生實踐能力與創新能力的培養。利用PSpice進行電子產品的設計與開發，周期短、效率高［1，6］；利用PSpice進行高頻電子線路實驗教學，有利于掌握應用PSpice設計電子產品的方法，提高電子產品設計能力和創新能力。

2 PSpice在高頻電子線路實驗教學中的應用

筆者在高頻電子線路實驗教學中，利用Pspice軟件完成了高頻小信號放大器、丙類諧振功率放大器、LC正弦波振蕩器、模擬乘法器調幅電路及超外差無線電接收機設計等實驗內容。

2.1 高頻小信號放大器

高頻小信號調諧放大器是接收機和各種電子設備中廣泛應用的一種電壓放大器，它的主要特點是晶體管集電極負載不是純電阻，而是由電感和電容組成的并聯諧振回路，單調諧回路放大器仿真電路如圖1所示，C3與L1、L2組成并聯諧振回路，仿真時注意互感元件電感量用匝數來衡量［7］。

實驗步驟：①各組按實驗要求設置對照并貼上標簽（內容包括組別、實驗名稱、實驗日期、實驗材料名稱）；②各組將要暗處理的植物統一集中放在教師提供的暗室內3 d。

圖1 小信號調諧放大器仿真電路圖

對于小信號調諧放大器諧振電路展開頻率特性的分析，例如獲取中心頻率、增益、通頻帶、選擇性等電路性能指標，可以利用PSpice中的交流分析實現。在圖1電路中，進行起始頻率1MHz、終止頻率100MHz的交流分析，獲得的幅頻特性曲線仿真結果如圖2所示。當放大器增益最大時，處于諧振狀態，諧振頻率f0約為9.66MHz，此時輸出電壓U0最大值13mV，可知電壓增益為13倍，通頻帶2△f0.7約4MHz，矩形系數K0.1大約等于10。若對電路進行交流分析再配合參數掃描分析，可以進一步分析諧振回路品質因數的變化對放大器性能的影響。該仿真設置簡單、結果清晰明了，有利于學生對小信號調諧電路性能的學習。

圖2 小信號調諧放大器諧振曲線

2.2 丙類諧振功率放大器

諧振功率放大器是無線電發射機中的重要組成部分。丙類功率放大器晶體管發射結為負偏置，導通角小于90°，晶體管集電極電流是含有多次諧波成分的脈沖波形，利用負載諧振回路從電流脈沖中提取出基波分量，實現功率放大。丙類功放存在欠壓、臨界、過壓3種工作狀態，為了兼顧輸出功率和效率，通常選擇在臨界工作狀態。圖3是典型丙類功率放大器仿真電路［4］，仿真輸入為單一頻率信號，其中振幅Ubm＝0.83 V，頻率fi＝10MHz。

圖3 丙類功率放大器仿真電路圖

對圖3所示電路工作狀態的判斷可以采用瞬態分析方式，設置終止時間2μs，步長為20ns，仿真結果如圖4所示。集電極電流為脈沖電流，負載端輸出電壓波形是已放大的與輸入同頻的正弦波信號，由此可知，此時電路放大器工作在臨界或欠壓狀態。

圖4 丙類功率放大器工作狀態分析的輸出

采用瞬態分析配合參數掃描分析，能夠進一步分析改變輸入信號電壓振幅對丙類功率放大器工作狀態的影響。設置全局掃描參數Ubm從0.8V逐漸增大到0.86V，部分仿真結果如圖5所示。可以看到輸出負載端的電壓逐漸增大，脈沖電流值也增大，這是因為當Ubm增大，集電極基波電流振幅、直流分量也隨之增大，但此時電流波形出現下陷，由此可知隨Ubm的增加，工作狀態由欠壓變為臨界再到過壓的趨勢，輸入信號電壓振幅變化對工作狀態的影響被清晰展示出來。在瞬態分析時設置對集電極電流的傅里葉分析，還將在輸出文件中看到其各次諧波的振幅和相位值。

圖5 輸入信號電壓振幅變化對工作狀態影響

采用類似仿真方法，可用于對高頻功率放大器集電極電源電壓對工作狀態的影響等丙類諧振放大器性能的分析。

2.3 LC正弦波振蕩器

西勒振蕩電路是一種改進型的電容反饋振蕩器［8－9］，它的主要特點是保持了克拉潑電路中晶體管與回路耦合弱的特點，頻率穩定性比較高，應用非常廣泛。典型的仿真電路如圖6所示，此電路設計的工作頻率f0＝10.7MHz。已知

其中，電感L＝2.2μH，則CΣ＝100pF，C1、C2、C3串聯之后電容值經計算約為19pF，則回路中C4＝81pF。

采用瞬態分析驗證振蕩電路設計是否合理，電路負載端輸出電壓仿真波形如圖7所示，其輸出信號頻率為10.73MHz（t＝93.2ns），工作頻率基本符合理論計算結果，證實電路可以正常工作。

圖6 正弦振蕩電路

圖7 正弦振蕩輸出信號

關于正弦振蕩電路反饋系數、振蕩管特征頻率、振蕩管結電容變化對振蕩器特性的影響，可以采用瞬態分析輔以參數掃描分析（包括模型參數掃描）［4］。如在LC振蕩器電路設計中，為保證振蕩器的起振條件和頻率穩定性，一般選擇特征頻率fT比振蕩器工作頻率高5～10倍的晶體三極管作為振蕩管，在PSpice的三極管模型參數中正向渡越時間Tf與fT存在如下關系

當分析fT對振蕩電路起振的影響時，利用瞬態分析與模型參數掃描分析來實現，如圖8所示的仿真結果是fT（Tf）取不同值時輸出端的電壓波形，當fT分別等于500MHz、300MHz和100MHz時，其對應的起振時間分別為18.5μs、24.9μs、112.2μs，驗證了三極管的特征頻率對起振時間的影響，即：特征頻率高，有利于起振；特征頻率過低，電路起振困難。

同樣，采用類似仿真方式還可研究學習三極管的b－c結電容與回路電容對振蕩頻率的影響。可見應用PSpice軟件可以輕松掌握振蕩器的性能與元器件的參數對振蕩電路的影響，從而掌握正弦振蕩電路的性能。

圖8 正弦振蕩輸出信號

2.4 模擬乘法器調幅電路

在高頻電子線路中，振幅調制、同步檢波、混頻、倍頻、鑒相等調制與解調的過程都可視為2個信號相乘或包含相乘的過程，都可以采用集成模擬乘法器實現。模擬乘法器工作在時變參量線性工作狀態或開關函數工作狀態適合用于頻譜搬移電路。應用模擬乘法器的調幅電路［4］如圖9所示，載波信號經高頻耦合電容C2從UX端輸入，調制信號uΩ（t）經低頻耦合電容C1從UY端輸入，調幅信號U0從12腳單端輸出。腳2與腳3間接入負反饋電阻，以擴展調制信號的uΩ（t）的線性動態范圍。圖中R6、R7和電位器R9組成平衡調節電路，改變這三個電阻值可以使乘法器實現抑制載波的振幅調制或有載波的振幅調制。

圖9 模擬乘法器調幅電路

如圖參數設置，R6、R7均等于10kΩ，采用瞬態分析可以得到圖10（a）的波形，實現了抑制載波的振幅調制，調整輸入信號幅值并將R7的阻值改為750Ω，將實現有載波的振幅調制，結果如圖10（b）所示。

采用類似的方式還可以搭建模擬乘法器的混頻、同步檢波、鑒頻等仿真電路，對乘法器應用電路進行學習、分析與設計。

2.5 超外差無線電接收機設計

在高頻電子線路實驗教學中，通常還設置有關無線電發射機和接收機的綜合性設計實驗項目。超外差式接收機是應用廣泛的無線電接收系統，搭建的仿真電路［10－13］如圖11所示，電路由乘法器模塊模擬產生AM輸入信號，利用MC1496模擬乘法器實現混頻，再經過兩級放大器放大，最后采用大信號二極管包絡檢波器進行解調。部分仿真結果如圖12所示。

圖10 模擬乘法器調幅電路輸出波形

圖11 超外差式接收機仿真電路

采用PSpice進行接收機仿真綜合設計，實驗方案設計靈活，實驗效率較高，能夠提高學生對電路系統的綜合設計能力。

3 結束語

教學實踐證明，在高頻電子線路實驗教學中引入PSpice仿真軟件實驗與硬件實驗相結合的實驗教學模式，有利于學生對高頻電子線路理論知識的學習與掌握，有利于培養學生對電子產品的設計開發能力。PSpice在高頻電子線路實驗教學中的應用對于學生創新能力與科研意識的培養將會發揮積極的促進作用。

圖12 超外差式接收機電路輸出波形

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