基于PSpice的功率放大電路輸出功率和效率的分析

張 妍，王化群

（大連海洋大學(xué) 信息工程學(xué)院，遼寧 大連116023）

PSpice是國際上著名的通用電路分析程序，是一個(gè)多功能的電路模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)。PSpice軟件幾乎完全取代了電路和電子電路實(shí)驗(yàn)中的元件、面包板、信號(hào)源、示波器和萬用表。它可以進(jìn)行各種各樣的電路仿真、激勵(lì)建立、溫度與噪聲分析、模擬控制、波形輸出、數(shù)據(jù)輸出、并在同一窗口內(nèi)同時(shí)顯示模擬與數(shù)字的仿真結(jié)果。有了PSpice軟件就相當(dāng)于有了電路和電子學(xué)實(shí)驗(yàn)室。下面以“分析功率放大電路輸出功率和效率”為例，說明PSpice在電路模擬和數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用。

1 分析方法

1.1 直流掃描分析（DC Sweep）

直流掃描分析是當(dāng)電路中某一參數(shù)（可定義為自變量）在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)應(yīng)自變量的每一個(gè)取值，計(jì)算出電路中的各直流偏壓值（可定義為輸出變量），并應(yīng)用Probe功能觀察輸出變量的特性曲線。

通過直流掃描分析，得到電路的輸入輸出特性曲線，從曲線上可讀出最大輸出幅度；得到電路的輸出功率和電源提供的功率隨輸出電壓變化的曲線，從曲線上讀出最大輸出功率或某一輸出幅值下的功率。但這一方法不能用于有隔直電容的電路。

1.2 瞬態(tài)分析（Transient）

瞬態(tài)分析是一種非線性時(shí)域分析方法，它可以在給定激勵(lì)信號(hào)（或沒有任何激勵(lì)）的條件下，計(jì)算電路的時(shí)域響應(yīng)。類似于利用示波器觀察各節(jié)點(diǎn)電壓或電流的波形。

根據(jù)功率的定義，輸出功率等于負(fù)載上瞬時(shí)電壓與瞬時(shí)電流的乘積在一個(gè)周期內(nèi)積分的平均值，即：同理，電源提供的功率用Probe中信號(hào)運(yùn)算的功能得到上述積分曲線，在t等于周期T時(shí)刻曲線上的值，就是相應(yīng)的功率值。通過瞬態(tài)分析可得到用于計(jì)算的各物理量的時(shí)域波形，借以分析晶體管的工作狀態(tài)，使觀察各物理量隨時(shí)間變化的狀態(tài)更直觀，這也是與直流分析法互補(bǔ)的地方。這一方法適用于有隔直電容的電路。

2 分析過程及數(shù)據(jù)處理

仿真電路為消除交越失真的OCL電路，如圖1所示。

圖1 OCL功率放大電路

在理想情況下，即飽和管壓降可忽略不計(jì)的情況下電路最大不失真輸出電壓幅度Vom＝VCC／2，最大不失真輸出功率Pom＝（Vom）2／2RL＝V2CC／8RL＝1.5W，Pv＝2／π×V2CC／RL＝5.732W，效 率 為26.17%[1]。

2.1 直流掃描分析

1）求最大不失真輸出幅度Vom。進(jìn)行直流（DC）掃描分析：設(shè)置輸入信號(hào)VIN為變量，掃描范圍為－12～＋12V。運(yùn)行后，得到如圖2所示的電壓傳輸特性曲線。啟動(dòng)標(biāo)尺，可讀出最大不失真輸出幅度Vom≈6.6V，根據(jù)Pom＝V2om／RL＝0.871 2W。

圖2 輸出電壓傳輸特性曲線

2）求最大輸出功率Pom和電源提供的功率Pv。進(jìn)行直流（DC）掃描分析，為了得到Po、Pv隨Vo變化的功率曲線，必須將波形顯示框的X軸改為V（Vo），具體方法是：選擇菜單項(xiàng) Plot｜X Axis Settings，打開X軸設(shè)置對(duì)話框；單擊Data Range中的按鈕，打開X軸變量選擇框，從中選出V（Vo）；單擊Data Range中的User Defined選項(xiàng)，將X軸的范圍改為0～7V，單擊OK返回。此時(shí)，波形顯示框的X軸已改成V（Vo）。接下來選擇要顯示的曲線。由于功率的定義是有效值電壓乘以有效值電流，而直流分析得到的電壓、電流相當(dāng)于峰值電壓和峰值電流，所以在求Po曲線時(shí)，用電壓乘以電流再除以2（即分母上是）。但是電源電壓＋Vcc、－Vcc是直流量，所以在求Pv曲線時(shí)不必除以。根據(jù)Po、Pv的定義，執(zhí)行Trace／Add Trace命令或相應(yīng)圖標(biāo)后，在“Trace Expression”編輯框中寫入功率表達(dá)式“V（Vo）×I（RL）／2”，得到Po曲線。同理鍵入“ABS（V（Vcc：＋）×I（Vcc）／1.414）”，可得電源提供功率Pv曲線（ABS（）表示絕對(duì)值）。根據(jù)電路工作的原理，＋Vcc、－Vcc只在半個(gè)周期有電流，當(dāng)電路完全對(duì)稱時(shí)，表達(dá)式 ABS（V（Vcc：＋）×I（Vcc）／1.414）求出的是兩個(gè)電源的總功耗[2－3]。

啟動(dòng)標(biāo)尺由圖3可讀出電路的最大輸出功率Pom＝1.373 7W，此時(shí)電源提供的功率Pv＝3.516 7W，效率為39.06%。

圖3 輸出功率和電源功率曲線

2.2 瞬態(tài)分析

1）求最大不失真輸出幅度Vom。將輸入信號(hào)振幅設(shè)置為12V（電源電壓），進(jìn)行瞬態(tài)分析，得到電路的輸出波形。然后將橫軸改為V（Vi：＋），得到電路的輸入、輸出特性曲線與圖2基本一致，說明兩種方法有一定的互通性，啟動(dòng)標(biāo)尺可讀出最大不失真輸出幅度Vom≈6.6V。

2）求最大輸出功率Pom和電源提供的功率Pv。對(duì)電路進(jìn)行瞬態(tài)分析必須在電路圖上設(shè)置至少一個(gè)瞬態(tài)信號(hào)源，在本文中選擇正弦瞬態(tài)電壓源（VSIN元件）。將輸入信號(hào)設(shè)置為振幅為6.6V、頻率為1kHz。進(jìn)行瞬態(tài)分析，分析時(shí)間為0～1ms（1個(gè)周期）。運(yùn)行后，根據(jù)Po的定義，在Add Trace窗“Trace Expression”文本框中鍵入輸出功率的積分表達(dá)式，得到Po、PT、Pv的積分曲線分別如圖4、圖5、圖6所示。由于信號(hào)周期T＝1ms，即1／T＝1 000Hz，所以曲線的積分表達(dá)式中乘了1 000。S（）表示積分運(yùn)算[4]。

圖4、圖5、圖6中上面兩個(gè)波形為用于積分的電壓、電流波形。由圖5可看出Q1只在半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通，同樣，由圖6知，Vcc也只在半個(gè)周期內(nèi)提供電流。因此，圖5積分結(jié)果902.769m，只表示Q1的功耗；圖6積分結(jié)果－1.785 2只表示Vcc提供的功率。電源提供的總功率為Vcc和－Vcc電源提供的功率之和，即－1.785 2×2＝－3.570 4W。符號(hào)表示電源向外提供功率。

由圖4得到最大輸出功率約為1.238 9W，則效率約為1.238 9W／3.570 4W＝34.70%。

從仿真結(jié)果看，與理論值有一定差距，分析產(chǎn)生誤差主要原因是理論值是在理想情況下計(jì)算，仿真時(shí)根據(jù)所選器件的工作條件進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算結(jié)果；功率放大電路是在大信號(hào)下工作，不可避免地會(huì)產(chǎn)生非線性失真，而且隨著輸入的增加，輸出功率越高，非線性失真越嚴(yán)重，也會(huì)使測(cè)量結(jié)果有一定誤差。

3 結(jié)束語

本文針對(duì)功率放大電路的輸出功率和效率，分別采用PSpice的直流掃描分析法和瞬態(tài)分析法進(jìn)行仿真分析，闡述了利用PSpice輔助電子電路分析與設(shè)計(jì)的方法與步驟，表明PSpice是一種功能非常強(qiáng)大、集成性很高的電路仿真軟件，將其應(yīng)用到工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，可以大大提高設(shè)計(jì)效率、降低成本、縮短整體設(shè)計(jì)周期，在電子、信息和自動(dòng)控制等領(lǐng)域有很高的實(shí)用價(jià)值。

[1]童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]張奕雄，吳浚浩，洪正濱.通信電子線路Pspice仿真的研究與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（11）：94－96.

[3]蔣玲.基于PSpice對(duì)積分電路的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（14）：170－172.

[4]陶瑞蓮.OrCAD PSpice在電子線路實(shí)驗(yàn)仿真研究[J].通信電源技術(shù)，2010，27（2）：27－29.

[5]夏江濤，肖韶榮，孫冬嬌.PSpice在工科電類專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010，27（12）：121－124.