基于OrCAD的高頻電子線路仿真分析

本文基于OrCAD／Pspice電子線路計(jì)算機(jī)輔助分析設(shè)計(jì)軟件以實(shí)現(xiàn)高頻電子線路的綜合電路分析仿真為目的，針對(duì)回路使用的信號(hào)頻率比較高，電路實(shí)現(xiàn)的功能多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造成OrCAD設(shè)計(jì)軟件在仿真過程時(shí)運(yùn)算量大，電路調(diào)試過程變得復(fù)雜、電路的元器件參量?jī)?yōu)化難度大，通過采用復(fù)雜電路的仿真調(diào)試關(guān)聯(lián)優(yōu)化的方法對(duì)變?nèi)荻O管調(diào)頻與功率放大及發(fā)射電路的仿真過程進(jìn)行分析，仿真效果表明，采用關(guān)聯(lián)優(yōu)化方法能有效提高優(yōu)化設(shè)計(jì)效率。

OrCAD／Pspice 是個(gè)通用的電子線路計(jì)算機(jī)輔助分析設(shè)計(jì)軟件，是電路計(jì)算機(jī)仿真程序中極為優(yōu)秀的一款軟件。具備強(qiáng)大的電路設(shè)計(jì)與仿真能力，能夠方便地實(shí)現(xiàn)電子線路的直流分 析、交流分析、瞬態(tài)分析、噪聲分析、靈敏度分析、傅里葉分析、諧波失真分析以及在不同溫度下的電路性能分析，完成電子線路的元器件參量?jī)?yōu)化。提供了豐富的 電子元器件模型，能實(shí)現(xiàn)各電路參量的測(cè)試、分折功能及器件庫的構(gòu)建功能。隨著OrCAD／Pspice快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)各種功能時(shí)操作變得越為簡(jiǎn)化，受編程 過程限制越少，且對(duì)電路的計(jì)算和仿真越為準(zhǔn)確。在掌握電路原理的基礎(chǔ)上，能方便地利用電子輔助仿真設(shè)計(jì)軟件Pspice完成所需電路的設(shè)計(jì)分析和器件特性 分析。筆者將對(duì)可變電容調(diào)頻與功率放大及發(fā)射電路的仿真過程進(jìn)行分析探討。

1 OrCAD／Pspice在高頻電子線路仿真中的優(yōu)勢(shì)作用

高 頻電子線路中的振蕩電路、調(diào)幅電路、混頻電路、調(diào)頻電路、解調(diào)電路在生活中應(yīng)用非常廣泛，在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中，利用OrCAD／Pspi ce來輔助分析所需高頻電路的各項(xiàng)功能和特性指標(biāo)，能方便實(shí)現(xiàn)高頻電子線路各種設(shè)計(jì)需要。而且應(yīng)用OrCAD／layout phus能快速完成滿足線路性能要求的實(shí)際印制電路板的設(shè)計(jì)。最為重要的是OrCAD／Pspice軟件計(jì)算準(zhǔn)確，使設(shè)計(jì)仿真的指標(biāo)更符合電路的實(shí)際效 果。高頻電子線路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，OrCAD電路軟件的高效性，使得OrCAD／Pspice進(jìn)行高頻電子線路設(shè)計(jì)、仿真、分?jǐn)?、制造時(shí)，更充分體現(xiàn)了 OrCAD輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)制造項(xiàng)目的整體效率，節(jié)約了設(shè)計(jì)成本；利用OrCAD中的靈敏度分析、容差分析、噪聲分析、最 壞情況分析、優(yōu)化參量分析功能，使得質(zhì)量得到提高和保證；OrCAD大量的單元設(shè)計(jì)和豐富的元器件模型及易于調(diào)整的模型參數(shù)，為復(fù)雜的設(shè)計(jì)分析提供了便 利。雖然，OrCAD提供了高效平臺(tái)，但對(duì)設(shè)計(jì)分析高頻綜合電路時(shí)，還得學(xué)習(xí)掌握OrCAD分析、調(diào)試、優(yōu)化電路的方法，才能讓OrCAD效能得以更好的 體現(xiàn)。如在OrCAD／Pspice電子線路計(jì)算機(jī)輔助分析設(shè)計(jì)軟件在進(jìn)行高頻電子線路的綜合電路分析仿真時(shí)，因回路信號(hào)頻率高，電路復(fù)雜，造成仿真運(yùn)算 量大，仿真調(diào)試過程復(fù)雜、優(yōu)化參量難度大，若非有意識(shí)地提高設(shè)計(jì)效率，很多設(shè)計(jì)者會(huì)浪費(fèi)大量的精力在調(diào)試和參量?jī)?yōu)化過程中。

2 仿真電子原理圖

如 圖1所示為實(shí)用變?nèi)荻O管謂頻、功率放大及發(fā)射電路，左端IN接口為調(diào)制信號(hào)輸入。右端OUT天線為調(diào)頻信號(hào)經(jīng)功率放大后發(fā)射輸出，電路中三極管Q1與電 容C1、C2、C3、C4、電感L1及變?nèi)荻O管D10組成載波信號(hào)的形成和調(diào)制信號(hào)的調(diào)頻工作級(jí)，調(diào)頻好的信號(hào)經(jīng)電容C12耦合輸入到三極管Q2和電容 C11、變壓器TX1組成的小信號(hào)諧振放大級(jí)，該級(jí)放大電路工作在甲類放大狀態(tài)，調(diào)頻信號(hào)經(jīng)Q2級(jí)諧振放大后輸入功率放大Q3級(jí)，Q3級(jí)作為功率輸出級(jí)要 求兼顧高功率和高效率輸出，所以在丙類放大，且要求工作在臨界弱過壓狀態(tài)。最終經(jīng)過合理放大后從OUT發(fā)射出去。

要 理想地完成變?nèi)荻O管調(diào)頻、功率放大及發(fā)射綜合電路設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)要需要認(rèn)真分析各級(jí)功能電路的性能指標(biāo)，合理計(jì)算好各元器件的參數(shù)，否則，將很難調(diào)試成 功。即使初步設(shè)置好了各參數(shù)，若在綜合電路里調(diào)試分析，也將因回路信號(hào)頻率高，電路復(fù)雜，造成仿真運(yùn)算量大，優(yōu)化參量難度大。很多設(shè)計(jì)者在調(diào)試時(shí)，因?yàn)?OrCAD提供的Probe模塊能方便判斷測(cè)量點(diǎn)的信號(hào)波形是否失真，判斷出某測(cè)量點(diǎn)波形失真時(shí)，就重復(fù)地優(yōu)化各元器件參數(shù)，沒考慮到綜合電路中的調(diào)試是 極為耗時(shí)的，更為重要的一點(diǎn)，綜合電路中某一測(cè)量點(diǎn)性能的不達(dá)標(biāo)，還因電路前后級(jí)聯(lián)接而造成電路相互的影響。就如圖1變?nèi)荻O管調(diào)頻、功率放大及發(fā)射電 路，中間經(jīng)常會(huì)加入一緩沖隔離級(jí)，一般采用非諧振的普通甲類放大級(jí)，目的是將振蕩級(jí)與功放級(jí)隔離，以減少功放級(jí)對(duì)振蕩級(jí)的穩(wěn)定性的影響。因?yàn)殡娐分星昂蠹?jí) 的互相影響存在，且各級(jí)小失真的迭加，造成即使易判斷出某點(diǎn)波形失真，仍優(yōu)化困難。為了提高設(shè)計(jì)效率，就應(yīng)該從每一功能分立級(jí)電路獨(dú)立設(shè)計(jì)做起，再一級(jí)級(jí) 關(guān)聯(lián)優(yōu)化，畢竟高頻電路比低頻電路運(yùn)算量是成高量級(jí)變化的，且高頻中要充分考慮元器件和接線分布阻抗的。

3 關(guān)鍵功能電路仿真分析

圖 1變?nèi)荻O管調(diào)頻、功率放大及發(fā)射電路設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者應(yīng)先完成Q1振蕩級(jí)設(shè)計(jì)，再加入變?nèi)荻O管和調(diào)制信號(hào)的設(shè)計(jì)，否則未產(chǎn)生振蕩時(shí)，不能判斷是振蕩級(jí)設(shè) 計(jì)未好，還是變?nèi)荻O管參數(shù)未確定好，變?nèi)荻O管有一系列關(guān)鍵參數(shù)，都需計(jì)算設(shè)置的。攝蕩級(jí)在調(diào)頻電路中不采用穩(wěn)定性低的普通電容三點(diǎn)式振蕩電路和克拉潑 振蕩電路，而是采用穩(wěn)定性高的西勒振蕩電路，如圖2所示。

在西勒振蕩電路中，改變與電感L1上相并的C4容量值，回路的振蕩頻率就可調(diào)整，而C3用數(shù)值固定的電容，當(dāng)C1>>C3，C2>>C3時(shí)，振蕩頻率近似為

當(dāng)選取C3為40 pF，C4為40 pF，其他元器件按設(shè)計(jì)要求設(shè)置時(shí)，振蕩器仿真波形如圖3所示，仿真產(chǎn)生的振蕩信號(hào)頻率與計(jì)算設(shè)計(jì)的頻率差不多相等，都約為4MHz。

對(duì) 于Q3級(jí)功率放大級(jí)，如圖4所示，則要求放大器輸出功率大，效率要高，即諧振功率放大器一般工作在臨界狀態(tài)，因?yàn)榕R界狀態(tài)的諧振功率放大器輸出功率最大， 效率也高，最能符合設(shè)計(jì)要求，而過壓狀態(tài)具有較高的效率，所以工作點(diǎn)可以靠近過壓狀態(tài)，比靠近欠壓狀態(tài)好。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先獨(dú)立進(jìn)行Q3級(jí)功率放大電路工作狀 態(tài)的調(diào)節(jié)，否則，會(huì)因?yàn)榕袛喙ぷ鳡顟B(tài)電流波形受前后級(jí)電路影響因素多，而難于優(yōu)化參量。圖5為設(shè)置好負(fù)載值，Vct及Vbb參量后，仿真得到弱過壓的臨界 狀態(tài)(如圖5所示的上部分波形)和強(qiáng)過壓狀態(tài)(如圖5所示的下部分波形)時(shí)通過發(fā)射極的電流Ie波形，從該波形圖可以判斷調(diào)節(jié)好功率放大級(jí)的工作狀態(tài)。

在每個(gè)獨(dú)立功能電路設(shè)計(jì)分析成功的基礎(chǔ)上，前級(jí)開始逐步往下一級(jí)關(guān)聯(lián)起來調(diào)試分析，考慮相關(guān)級(jí)的影響，從而完成整個(gè)綜合電路的設(shè)計(jì)要求，這將很大程度上提高電路參數(shù)優(yōu)化效率。

4 結(jié)束語

通過OrCAD／Pspice設(shè)計(jì)高頻電子線路一綜合電路圖——變?nèi)荻O管調(diào)頻、功率放大及發(fā)射電路的仿真過程分析，設(shè)計(jì)者在高頻綜合電路的調(diào)試優(yōu)化時(shí)，應(yīng)充分考慮前后級(jí)電路間的相互影響和仿真過程運(yùn)算量的影響，采用關(guān)聯(lián)優(yōu)化方法能高效實(shí)現(xiàn)高頻電子線路的優(yōu)化設(shè)計(jì)。