PSpice在高频电子线路实验教学中的应用

2015-05-03乔世坤

实验技术与管理 2015年11期

乔世坤

（东北林业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨 150040）

“高频电子线路”是电子、信息、通信类专业的必修课程，该课程具有很强的实践性和工程性，实验教学至关重要。在“高频电子线路”的实验教学中，由于实验电路工作频率高，电路调试困难，在硬件实验中不易观察到实验现象，实验内容也难以更新升级，实验教学效果往往不够理想。

在高频电子线路实验教学中适度加入仿真实验，是提高实验教学效果的有效途径［1］。在众多的电路分析软件中，PSpice具有优良的仿真设计功能，并被广泛应用到教学科研中［1－2］。

1 高频电子线路实验教学中应用PSpice的必要性

PSpice是一款通用的电路分析设计软件，电路模拟精度高，仿真分析功能极为强大。利用该软件可以实现对模拟电路、数字电路及模数混合电路的直流分析、交流分析、瞬态分析，噪声分析、傅里叶分析等多种形式的电路性能分析［2－5］。

PSpice软件应用于高频电子线路实验教学的优势主要体现在以下几个方面。

（1）有利于学生对理论知识的理解和掌握。利用PSpice，可以清楚地展示实验的现象、过程及结果，使相关理论知识更易于理解。以高频谐振功率放大器实验为例，通过对PSpice的合理设置，可以直观地观察到谐振功率放大器欠压、临界、过压3种工作状态下输出负载端电压、晶体管集电极电流的变化情况，对于学习高频功放的动态特性很有帮助。

（2）有利于弥补硬件实验的不足。在高频电子线路实验教学中，采用硬件实验教学存在实验调试困难、元器件易损坏且不易更换等问题；应用PSpice软件进行电路仿真，不但可以达到硬件实验难以达到的实验教学效果［1，6］，而且易于调试、不会有元器件的损坏。

（3）有利于减少复杂的数据运算。PSpice软件能够取代人工对高频电子线路的分析和大量的繁琐计算过程，提高了电路性能分析的效率。波形显示和分析模块Probe实现了对信号波形的多种运算分析处理，如信号波形的傅里叶变换，调谐放大器谐振点、通频带、矩形系数等参数的测量，为学习与掌握高电频电路提供了方便。

（4）有利于学生实践能力与创新能力的培养。利用PSpice进行电子产品的设计与开发，周期短、效率高［1，6］；利用PSpice进行高频电子线路实验教学，有利于掌握应用PSpice设计电子产品的方法，提高电子产品设计能力和创新能力。

2 PSpice在高频电子线路实验教学中的应用

笔者在高频电子线路实验教学中，利用Pspice软件完成了高频小信号放大器、丙类谐振功率放大器、LC正弦波振荡器、模拟乘法器调幅电路及超外差无线电接收机设计等实验内容。

2.1 高频小信号放大器

高频小信号调谐放大器是接收机和各种电子设备中广泛应用的一种电压放大器，它的主要特点是晶体管集电极负载不是纯电阻，而是由电感和电容组成的并联谐振回路，单调谐回路放大器仿真电路如图1所示，C3与L1、L2组成并联谐振回路，仿真时注意互感元件电感量用匝数来衡量［7］。

实验步骤：①各组按实验要求设置对照并贴上标签（内容包括组别、实验名称、实验日期、实验材料名称）；②各组将要暗处理的植物统一集中放在教师提供的暗室内3 d。

图1 小信号调谐放大器仿真电路图

对于小信号调谐放大器谐振电路展开频率特性的分析，例如获取中心频率、增益、通频带、选择性等电路性能指标，可以利用PSpice中的交流分析实现。在图1电路中，进行起始频率1MHz、终止频率100MHz的交流分析，获得的幅频特性曲线仿真结果如图2所示。当放大器增益最大时，处于谐振状态，谐振频率f0约为9.66MHz，此时输出电压U0最大值13mV，可知电压增益为13倍，通频带2△f0.7约4MHz，矩形系数K0.1大约等于10。若对电路进行交流分析再配合参数扫描分析，可以进一步分析谐振回路品质因数的变化对放大器性能的影响。该仿真设置简单、结果清晰明了，有利于学生对小信号调谐电路性能的学习。

图2 小信号调谐放大器谐振曲线

2.2 丙类谐振功率放大器

谐振功率放大器是无线电发射机中的重要组成部分。丙类功率放大器晶体管发射结为负偏置，导通角小于90°，晶体管集电极电流是含有多次谐波成分的脉冲波形，利用负载谐振回路从电流脉冲中提取出基波分量，实现功率放大。丙类功放存在欠压、临界、过压3种工作状态，为了兼顾输出功率和效率，通常选择在临界工作状态。图3是典型丙类功率放大器仿真电路［4］，仿真输入为单一频率信号，其中振幅Ubm＝0.83 V，频率fi＝10MHz。

图3 丙类功率放大器仿真电路图

对图3所示电路工作状态的判断可以采用瞬态分析方式，设置终止时间2μs，步长为20ns，仿真结果如图4所示。集电极电流为脉冲电流，负载端输出电压波形是已放大的与输入同频的正弦波信号，由此可知，此时电路放大器工作在临界或欠压状态。

图4 丙类功率放大器工作状态分析的输出

采用瞬态分析配合参数扫描分析，能够进一步分析改变输入信号电压振幅对丙类功率放大器工作状态的影响。设置全局扫描参数Ubm从0.8V逐渐增大到0.86V，部分仿真结果如图5所示。可以看到输出负载端的电压逐渐增大，脉冲电流值也增大，这是因为当Ubm增大，集电极基波电流振幅、直流分量也随之增大，但此时电流波形出现下陷，由此可知随Ubm的增加，工作状态由欠压变为临界再到过压的趋势，输入信号电压振幅变化对工作状态的影响被清晰展示出来。在瞬态分析时设置对集电极电流的傅里叶分析，还将在输出文件中看到其各次谐波的振幅和相位值。

图5 输入信号电压振幅变化对工作状态影响

采用类似仿真方法，可用于对高频功率放大器集电极电源电压对工作状态的影响等丙类谐振放大器性能的分析。

2.3 LC正弦波振荡器

西勒振荡电路是一种改进型的电容反馈振荡器［8－9］，它的主要特点是保持了克拉泼电路中晶体管与回路耦合弱的特点，频率稳定性比较高，应用非常广泛。典型的仿真电路如图6所示，此电路设计的工作频率f0＝10.7MHz。已知

其中，电感L＝2.2μH，则CΣ＝100pF，C1、C2、C3串联之后电容值经计算约为19pF，则回路中C4＝81pF。

采用瞬态分析验证振荡电路设计是否合理，电路负载端输出电压仿真波形如图7所示，其输出信号频率为10.73MHz（t＝93.2ns），工作频率基本符合理论计算结果，证实电路可以正常工作。

图6 正弦振荡电路

图7 正弦振荡输出信号

关于正弦振荡电路反馈系数、振荡管特征频率、振荡管结电容变化对振荡器特性的影响，可以采用瞬态分析辅以参数扫描分析（包括模型参数扫描）［4］。如在LC振荡器电路设计中，为保证振荡器的起振条件和频率稳定性，一般选择特征频率fT比振荡器工作频率高5～10倍的晶体三极管作为振荡管，在PSpice的三极管模型参数中正向渡越时间Tf与fT存在如下关系

当分析fT对振荡电路起振的影响时，利用瞬态分析与模型参数扫描分析来实现，如图8所示的仿真结果是fT（Tf）取不同值时输出端的电压波形，当fT分别等于500MHz、300MHz和100MHz时，其对应的起振时间分别为18.5μs、24.9μs、112.2μs，验证了三极管的特征频率对起振时间的影响，即：特征频率高，有利于起振；特征频率过低，电路起振困难。

同样，采用类似仿真方式还可研究学习三极管的b－c结电容与回路电容对振荡频率的影响。可见应用PSpice软件可以轻松掌握振荡器的性能与元器件的参数对振荡电路的影响，从而掌握正弦振荡电路的性能。

图8 正弦振荡输出信号

2.4 模拟乘法器调幅电路

在高频电子线路中，振幅调制、同步检波、混频、倍频、鉴相等调制与解调的过程都可视为2个信号相乘或包含相乘的过程，都可以采用集成模拟乘法器实现。模拟乘法器工作在时变参量线性工作状态或开关函数工作状态适合用于频谱搬移电路。应用模拟乘法器的调幅电路［4］如图9所示，载波信号经高频耦合电容C2从UX端输入，调制信号uΩ（t）经低频耦合电容C1从UY端输入，调幅信号U0从12脚单端输出。脚2与脚3间接入负反馈电阻，以扩展调制信号的uΩ（t）的线性动态范围。图中R6、R7和电位器R9组成平衡调节电路，改变这三个电阻值可以使乘法器实现抑制载波的振幅调制或有载波的振幅调制。

图9 模拟乘法器调幅电路

如图参数设置，R6、R7均等于10kΩ，采用瞬态分析可以得到图10（a）的波形，实现了抑制载波的振幅调制，调整输入信号幅值并将R7的阻值改为750Ω，将实现有载波的振幅调制，结果如图10（b）所示。

采用类似的方式还可以搭建模拟乘法器的混频、同步检波、鉴频等仿真电路，对乘法器应用电路进行学习、分析与设计。

2.5 超外差无线电接收机设计

在高频电子线路实验教学中，通常还设置有关无线电发射机和接收机的综合性设计实验项目。超外差式接收机是应用广泛的无线电接收系统，搭建的仿真电路［10－13］如图11所示，电路由乘法器模块模拟产生AM输入信号，利用MC1496模拟乘法器实现混频，再经过两级放大器放大，最后采用大信号二极管包络检波器进行解调。部分仿真结果如图12所示。