PSpice在高頻電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

喬世坤

（東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

“高頻電子線路”是電子、信息、通信類專業(yè)的必修課程，該課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和工程性，實(shí)驗(yàn)教學(xué)至關(guān)重要。在“高頻電子線路”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于實(shí)驗(yàn)電路工作頻率高，電路調(diào)試?yán)щy，在硬件實(shí)驗(yàn)中不易觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也難以更新升級(jí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果往往不夠理想。

在高頻電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中適度加入仿真實(shí)驗(yàn)，是提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的有效途徑［1］。在眾多的電路分析軟件中，PSpice具有優(yōu)良的仿真設(shè)計(jì)功能，并被廣泛應(yīng)用到教學(xué)科研中［1－2］。

1 高頻電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用PSpice的必要性

PSpice是一款通用的電路分析設(shè)計(jì)軟件，電路模擬精度高，仿真分析功能極為強(qiáng)大。利用該軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬電路、數(shù)字電路及模數(shù)混合電路的直流分析、交流分析、瞬態(tài)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(yīng)用于高頻電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）有利于學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握。利用PSpice，可以清楚地展示實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象、過(guò)程及結(jié)果，使相關(guān)理論知識(shí)更易于理解。以高頻諧振功率放大器實(shí)驗(yàn)為例，通過(guò)對(duì)PSpice的合理設(shè)置，可以直觀地觀察到諧振功率放大器欠壓、臨界、過(guò)壓3種工作狀態(tài)下輸出負(fù)載端電壓、晶體管集電極電流的變化情況，對(duì)于學(xué)習(xí)高頻功放的動(dòng)態(tài)特性很有幫助。

（2）有利于彌補(bǔ)硬件實(shí)驗(yàn)的不足。在高頻電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，采用硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在實(shí)驗(yàn)調(diào)試?yán)щy、元器件易損壞且不易更換等問(wèn)題；應(yīng)用PSpice軟件進(jìn)行電路仿真，不但可以達(dá)到硬件實(shí)驗(yàn)難以達(dá)到的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果［1，6］，而且易于調(diào)試、不會(huì)有元器件的損壞。

（3）有利于減少?gòu)?fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算。PSpice軟件能夠取代人工對(duì)高頻電子線路的分析和大量的繁瑣計(jì)算過(guò)程，提高了電路性能分析的效率。波形顯示和分析模塊Probe實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)波形的多種運(yùn)算分析處理，如信號(hào)波形的傅里葉變換，調(diào)諧放大器諧振點(diǎn)、通頻帶、矩形系數(shù)等參數(shù)的測(cè)量，為學(xué)習(xí)與掌握高電頻電路提供了方便。

（4）有利于學(xué)生實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。利用PSpice進(jìn)行電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，周期短、效率高［1，6］；利用PSpice進(jìn)行高頻電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有利于掌握應(yīng)用PSpice設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品的方法，提高電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力。

2 PSpice在高頻電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

筆者在高頻電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，利用Pspice軟件完成了高頻小信號(hào)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(diào)幅電路及超外差無(wú)線電接收機(jī)設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

2.1 高頻小信號(hào)放大器

高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器是接收機(jī)和各種電子設(shè)備中廣泛應(yīng)用的一種電壓放大器，它的主要特點(diǎn)是晶體管集電極負(fù)載不是純電阻，而是由電感和電容組成的并聯(lián)諧振回路，單調(diào)諧回路放大器仿真電路如圖1所示，C3與L1、L2組成并聯(lián)諧振回路，仿真時(shí)注意互感元件電感量用匝數(shù)來(lái)衡量［7］。

實(shí)驗(yàn)步驟：①各組按實(shí)驗(yàn)要求設(shè)置對(duì)照并貼上標(biāo)簽（內(nèi)容包括組別、實(shí)驗(yàn)名稱、實(shí)驗(yàn)日期、實(shí)驗(yàn)材料名稱）；②各組將要暗處理的植物統(tǒng)一集中放在教師提供的暗室內(nèi)3 d。

圖1 小信號(hào)調(diào)諧放大器仿真電路圖

對(duì)于小信號(hào)調(diào)諧放大器諧振電路展開(kāi)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(biāo)，可以利用PSpice中的交流分析實(shí)現(xiàn)。在圖1電路中，進(jìn)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(jié)果如圖2所示。當(dāng)放大器增益最大時(shí)，處于諧振狀態(tài)，諧振頻率f0約為9.66MHz，此時(shí)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(shù)K0.1大約等于10。若對(duì)電路進(jìn)行交流分析再配合參數(shù)掃描分析，可以進(jìn)一步分析諧振回路品質(zhì)因數(shù)的變化對(duì)放大器性能的影響。該仿真設(shè)置簡(jiǎn)單、結(jié)果清晰明了，有利于學(xué)生對(duì)小信號(hào)調(diào)諧電路性能的學(xué)習(xí)。

圖2 小信號(hào)調(diào)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(wú)線電發(fā)射機(jī)中的重要組成部分。丙類功率放大器晶體管發(fā)射結(jié)為負(fù)偏置，導(dǎo)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(fù)載諧振回路從電流脈沖中提取出基波分量，實(shí)現(xiàn)功率放大。丙類功放存在欠壓、臨界、過(guò)壓3種工作狀態(tài)，為了兼顧輸出功率和效率，通常選擇在臨界工作狀態(tài)。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(hào)，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(duì)圖3所示電路工作狀態(tài)的判斷可以采用瞬態(tài)分析方式，設(shè)置終止時(shí)間2μs，步長(zhǎng)為20ns，仿真結(jié)果如圖4所示。集電極電流為脈沖電流，負(fù)載端輸出電壓波形是已放大的與輸入同頻的正弦波信號(hào)，由此可知，此時(shí)電路放大器工作在臨界或欠壓狀態(tài)。

圖4 丙類功率放大器工作狀態(tài)分析的輸出

采用瞬態(tài)分析配合參數(shù)掃描分析，能夠進(jìn)一步分析改變輸入信號(hào)電壓振幅對(duì)丙類功率放大器工作狀態(tài)的影響。設(shè)置全局掃描參數(shù)Ubm從0.8V逐漸增大到0.86V，部分仿真結(jié)果如圖5所示。可以看到輸出負(fù)載端的電壓逐漸增大，脈沖電流值也增大，這是因?yàn)楫?dāng)Ubm增大，集電極基波電流振幅、直流分量也隨之增大，但此時(shí)電流波形出現(xiàn)下陷，由此可知隨Ubm的增加，工作狀態(tài)由欠壓變?yōu)榕R界再到過(guò)壓的趨勢(shì)，輸入信號(hào)電壓振幅變化對(duì)工作狀態(tài)的影響被清晰展示出來(lái)。在瞬態(tài)分析時(shí)設(shè)置對(duì)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(hào)電壓振幅變化對(duì)工作狀態(tài)影響

采用類似仿真方法，可用于對(duì)高頻功率放大器集電極電源電壓對(duì)工作狀態(tài)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(jìn)型的電容反饋振蕩器［8－9］，它的主要特點(diǎn)是保持了克拉潑電路中晶體管與回路耦合弱的特點(diǎn)，頻率穩(wěn)定性比較高，應(yīng)用非常廣泛。典型的仿真電路如圖6所示，此電路設(shè)計(jì)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(lián)之后電容值經(jīng)計(jì)算約為19pF，則回路中C4＝81pF。

采用瞬態(tài)分析驗(yàn)證振蕩電路設(shè)計(jì)是否合理，電路負(fù)載端輸出電壓仿真波形如圖7所示，其輸出信號(hào)頻率為10.73MHz（t＝93.2ns），工作頻率基本符合理論計(jì)算結(jié)果，證實(shí)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(hào)

關(guān)于正弦振蕩電路反饋系數(shù)、振蕩管特征頻率、振蕩管結(jié)電容變化對(duì)振蕩器特性的影響，可以采用瞬態(tài)分析輔以參數(shù)掃描分析（包括模型參數(shù)掃描）［4］。如在LC振蕩器電路設(shè)計(jì)中，為保證振蕩器的起振條件和頻率穩(wěn)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(shù)中正向渡越時(shí)間Tf與fT存在如下關(guān)系

當(dāng)分析fT對(duì)振蕩電路起振的影響時(shí)，利用瞬態(tài)分析與模型參數(shù)掃描分析來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖8所示的仿真結(jié)果是fT（Tf）取不同值時(shí)輸出端的電壓波形，當(dāng)fT分別等于500MHz、300MHz和100MHz時(shí)，其對(duì)應(yīng)的起振時(shí)間分別為18.5μs、24.9μs、112.2μs，驗(yàn)證了三極管的特征頻率對(duì)起振時(shí)間的影響，即：特征頻率高，有利于起振；特征頻率過(guò)低，電路起振困難。

同樣，采用類似仿真方式還可研究學(xué)習(xí)三極管的b－c結(jié)電容與回路電容對(duì)振蕩頻率的影響?？梢?jiàn)應(yīng)用PSpice軟件可以輕松掌握振蕩器的性能與元器件的參數(shù)對(duì)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(hào)

2.4 模擬乘法器調(diào)幅電路

在高頻電子線路中，振幅調(diào)制、同步檢波、混頻、倍頻、鑒相等調(diào)制與解調(diào)的過(guò)程都可視為2個(gè)信號(hào)相乘或包含相乘的過(guò)程，都可以采用集成模擬乘法器實(shí)現(xiàn)。模擬乘法器工作在時(shí)變參量線性工作狀態(tài)或開(kāi)關(guān)函數(shù)工作狀態(tài)適合用于頻譜搬移電路。應(yīng)用模擬乘法器的調(diào)幅電路［4］如圖9所示，載波信號(hào)經(jīng)高頻耦合電容C2從UX端輸入，調(diào)制信號(hào)uΩ（t）經(jīng)低頻耦合電容C1從UY端輸入，調(diào)幅信號(hào)U0從12腳單端輸出。腳2與腳3間接入負(fù)反饋電阻，以擴(kuò)展調(diào)制信號(hào)的uΩ（t）的線性動(dòng)態(tài)范圍。圖中R6、R7和電位器R9組成平衡調(diào)節(jié)電路，改變這三個(gè)電阻值可以使乘法器實(shí)現(xiàn)抑制載波的振幅調(diào)制或有載波的振幅調(diào)制。

圖9 模擬乘法器調(diào)幅電路

如圖參數(shù)設(shè)置，R6、R7均等于10kΩ，采用瞬態(tài)分析可以得到圖10（a）的波形，實(shí)現(xiàn)了抑制載波的振幅調(diào)制，調(diào)整輸入信號(hào)幅值并將R7的阻值改為750Ω，將實(shí)現(xiàn)有載波的振幅調(diào)制，結(jié)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(duì)乘法器應(yīng)用電路進(jìn)行學(xué)習(xí)、分析與設(shè)計(jì)。

2.5 超外差無(wú)線電接收機(jī)設(shè)計(jì)

在高頻電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通常還設(shè)置有關(guān)無(wú)線電發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。超外差式接收機(jī)是應(yīng)用廣泛的無(wú)線電接收系統(tǒng)，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(chǎn)生AM輸入信號(hào)，利用MC1496模擬乘法器實(shí)現(xiàn)混頻，再經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大器放大，最后采用大信號(hào)二極管包絡(luò)檢波器進(jìn)行解調(diào)。部分仿真結(jié)果如圖12所示。

圖10 模擬乘法器調(diào)幅電路輸出波形

圖11 超外差式接收機(jī)仿真電路

采用PSpice進(jìn)行接收機(jī)仿真綜合設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)靈活，實(shí)驗(yàn)效率較高，能夠提高學(xué)生對(duì)電路系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)能力。

3 結(jié)束語(yǔ)

教學(xué)實(shí)踐證明，在高頻電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入PSpice仿真軟件實(shí)驗(yàn)與硬件實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，有利于學(xué)生對(duì)高頻電子線路理論知識(shí)的學(xué)習(xí)與掌握，有利于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能力。PSpice在高頻電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用對(duì)于學(xué)生創(chuàng)新能力與科研意識(shí)的培養(yǎng)將會(huì)發(fā)揮積極的促進(jìn)作用。

圖12 超外差式接收機(jī)電路輸出波形

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