一種基于PSPICE仿真的電源濾波電路設(shè)計(jì)

張全文，韓 偉

(中海油田服務(wù)股份有限公司 河北 三河 065201)

·開發(fā)設(shè)計(jì)·

一種基于PSPICE仿真的電源濾波電路設(shè)計(jì)

張全文，韓 偉

(中海油田服務(wù)股份有限公司 河北 三河 065201)

為了實(shí)現(xiàn)工作穩(wěn)定、超低噪聲、耐高溫的電源濾波電路，設(shè)計(jì)了一種基于達(dá)林頓三極管的濾波電路。詳細(xì)分析了該電路中三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)，并基于PSPICE仿真對該電路進(jìn)行了溫度掃描分析、參數(shù)掃描分析、濾波分析等。實(shí)踐表明，該電路具有較好的電容倍增器的作用，從而實(shí)現(xiàn)了極好的電源濾波效果，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

電容倍增器；靜態(tài)工作點(diǎn)；濾波電路；溫度掃描分析；參數(shù)掃描分析

0 引 言

電源前端濾波電路有很多種，如RC濾波電路、LC濾波電路、接入大電容值的電容來將降低紋波、三極管濾波電路等。其中RC濾波電路往往會造成較大的壓降，實(shí)際電路并不實(shí)用；LC濾波電路的電感往往不能耐較大電流，即使能承受電路中較大的電流，電感器的體積也會很大；電路中接入大電容值的電路來降低紋波的效果并不好。實(shí)際上使用RC濾波電路和三極管構(gòu)成的電容倍增器具有較好的濾波效果，該文對電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。電路既簡單，在借助PSPICE的仿真技術(shù)，對電路進(jìn)行了全面深入的分析后，進(jìn)一步對該電路有了清楚的認(rèn)識，從而有助于電路設(shè)計(jì)能力的提高。

1 總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，交流電源經(jīng)過變壓器T1進(jìn)行降幅后，再經(jīng)過整流橋D1進(jìn)行整流，然后輸入到實(shí)線框所示的電源濾波電路中進(jìn)行濾波。由于該濾波電路在電路系統(tǒng)中屬于前級電路，要求具有較高的輸入阻抗和較低的輸出阻抗。而三極管放大電路共有三個工作組態(tài)，分別為共基級放大電路、共發(fā)射極放大電路、共集電極放大電路(射極跟隨器)[1]。其中共集電極放大電路符合這種電路的輸入和輸出阻抗的設(shè)計(jì)要求。在圖1實(shí)線框所示的電源濾波電路采用達(dá)林頓三極管為核心，由于交流通路中的三極管的集電極可看做接地，故該三極管電路可看做共集放大電路，同時該電路具有電容倍增器[2]的作用，可以有效的對電源噪聲進(jìn)行濾波。

圖1 電路總體設(shè)計(jì)框圖

2 靜態(tài)工作點(diǎn)分析

在三極管放大電路中，輸入信號一般是交流量與直流量共存的。三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)就是交流輸入信號為零時，電路處于直流工作狀態(tài)，這些電流、電壓的數(shù)值可用于三極管特性曲線上一個確定的點(diǎn)表示，該點(diǎn)習(xí)慣上稱為靜態(tài)工作點(diǎn)[3]。三極管有三個工作狀態(tài)：放大狀態(tài)、飽和狀態(tài)、截止?fàn)顟B(tài)。其中對于NPN三極管放大狀態(tài)的條件是發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)處于反向偏置，即Ube>0，Ubc<0(對于PNP三極管的條件正好相反)；飽和狀態(tài)的條件是發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于正向偏置；截止?fàn)顟B(tài)的條件是發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于反向偏置。只有設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，才能使三極管工作為放大狀態(tài)。在圖1所示的電路中，由于在集電極與基極串接了一個電阻，由于電阻的壓降必然使得Ubc<0；當(dāng)輸入電壓遠(yuǎn)大于三極管發(fā)射結(jié)的導(dǎo)通電壓時，必然使得Ube>0，即圖1的電路設(shè)置，使得該電路的三極管處于放大狀態(tài)。但是三極管的放大能力畢竟是有限的，不可能無限放大，當(dāng)三極管的發(fā)射極負(fù)載很小時，發(fā)射極輸出電流增大，Uce就會減小，當(dāng)Uce

如圖1所示，設(shè)計(jì)要求整流橋的直流輸出電壓為14 V，紋波電壓峰值為2 V，三極管的輸出電壓Ue=8 V，Ube(on)=1.4 V，要求Ie=1 A，而三極管的β系數(shù)為769，根據(jù)Ie=(1+β)Ib，可得Ib=1.3 mA，再根據(jù)Uc=Ib×R1+Ube(on)+Ue，并取Uc的最小值12 V進(jìn)行計(jì)算，可知R1=2 k，此時Uce=Uc-Ue=4 V>Ube(on)。即當(dāng)直流輸入電壓大于12 V，輸出電流小于1 A，電阻R1為2 k時，該電路可以工作為正常的放大狀態(tài)。另外，由于該電路用于電源濾波，要消除的是交流信號，要放大的是直流電流，因此不需要通過設(shè)計(jì)R1，使得靜態(tài)工作點(diǎn)的Uce的電壓為電源電壓的一半。

3 溫度掃描分析

電阻等元件的參數(shù)值以及晶體管的許多模型參數(shù)值與溫度的關(guān)系非常密切。如果改變溫度，則必然通過這些元器件參數(shù)值的變化導(dǎo)致電路特性的變化。PSPICE中的各個元器件模型都考慮了模型參數(shù)與溫度的關(guān)系。利用PSPICE的溫度掃描分析功能，考察了電路的70℃,100℃,130℃,150℃,175℃的頻率特性。如圖2所示，該電路在上述溫度下工作，即使電路工作在175℃的高溫條件下，電路也可以對10 Hz以上的頻率都具有42 dB的衰減濾波作用，可見該電路具有穩(wěn)定的高溫濾波效果[5]。

圖2 多種溫度下的幅頻特性曲線

4 參數(shù)掃描分析

參數(shù)掃描分析是由用戶指定一個參數(shù)的變化范圍和變化方式，PSPICE軟件對指定的每個參數(shù)變化值，均執(zhí)行一次指定的電路分析。但是在參數(shù)掃描分析中，可變化的參數(shù)從溫度一種擴(kuò)展為獨(dú)立的電壓源、獨(dú)立的電流源、溫度、模型參數(shù)和全局參數(shù)共5種，并且還可以設(shè)置參數(shù)的變化方式，而不像溫度分析那樣只能指定幾個具體溫度值。顯然，溫度分析的任務(wù)也可以通過參數(shù)掃描分析來完成[5]。

將圖1中的電阻R1的阻值設(shè)置為參數(shù)，并將電阻R1的阻值設(shè)置為20 Ω、200 Ω、2 kΩ、20 kΩ。進(jìn)行參數(shù)掃描分析后，得到的幅頻特性曲線圖如圖3所示。由圖可知，電阻R1的值越大，電路的濾波效果越好，但是要考慮輸出電流等問題，該文選自電阻R1的值為2 k。同理，也可以對電路中的其他電阻、電容器件進(jìn)行參數(shù)掃描分析，從而實(shí)現(xiàn)對電路的優(yōu)化。

圖3 參數(shù)掃描后的幅頻特性曲線

5 濾波分析

該文設(shè)計(jì)的濾波電路主要由圖4的圖(a)部分的R1、C1和達(dá)林頓三極管TIP122構(gòu)成。

圖4 濾波簡化示意圖

由前文分析可知，該電路的三極管處于放大狀態(tài)。由圖4可知，Uce=Ivb×R1+Ube，Ie=Ib+Ic=Ib+β×Ib=(1+β)×Ib。將圖4(a)部分可以等效為圖(b)電路，則Uce=Ie×Rce。由于達(dá)林頓三極管的導(dǎo)通電壓Ube約為1.4 V，同時電路設(shè)計(jì)要求Uce的最大壓降為2.8 V，則Uce=Ib×R1+Ube=2×Ib×R1=Ie×Rce=(1+β)×Ib，Rce=2×R1/(1+β)。濾波器的濾波性能一般用R與C的乘積來衡量，所以有R1×C1=Rce×C1′=2×C1′×R1/(1+β)，C1′=(1+β)×C1/2。由該式可知，濾波器的電容C1要比一般RC濾波器所需電容少(1+β)/2倍。通過較小的Rce電阻，實(shí)現(xiàn)了電路較小的壓降，同時通過倍增的電容C1′，保持R與C較高乘積值來實(shí)現(xiàn)極大濾波效果。如圖5所示的幅頻特性圖，可以看出該濾波電路對1 Hz以上的交流信號都具有22 dB以上的衰減，可見該濾波電路具有極好的濾波效果。

圖5 幅頻特性特性曲線圖

6 結(jié)論

該設(shè)計(jì)的電源濾波電路具有電容倍增器的作用，單路中雖然使用了較小大電容值(1 000 μF)，但是實(shí)際電路中具有遠(yuǎn)大于該電容值的效果，并且在高溫條件下也具有較好的電源濾波效果。如圖6所示的濾波前后的波形圖，由該圖可知，濾波前的紋波峰峰值約為1.5 V，濾波后的紋波峰峰值約為20 mV。

圖6 濾波前后對比圖

由此可見，該文設(shè)計(jì)的電路具有較好電源濾波作用，實(shí)現(xiàn)了電容倍增器的作用。

[1] 晏 勇，羅治剛.晶體三極管電路設(shè)計(jì)與探討[J].電子測試，2005，(9)：47-49.

[2] 鈴木雅臣著，周南生譯.晶體管電路設(shè)計(jì)(上)[M].北京:科學(xué)出版社,2004：120-125.

[3] 華成英，童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第四版)[M].北京:高等教育出版社,2006：90-91.

[4] 陳洪斌.穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的必要性及方法 [J].吉林省教育學(xué)院學(xué)報.2006，22(6)：72-73.

[5] 賈新章，游海龍.電子線路CAD與優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2014：101-106.

Design of An Electric Source Filter Circuit Based on PSPICE Simulation

ZHANG Quanwen, HAN Wei

(ChinaOilfieldServicesLimited，Beijing101149，China)

One filter circuit based on Darlington transistor was designed to realize a stable power supply filter circuit with low noise under the condition of high temperature. The circuit in the transistor quiescent operating point was analyzed in detail, and the circuit was analyzed by temperature scanning, parameter sweep and filtering analysis. The results showed that the circuit has good capacitance multiplier effect and an excellent power supply filtering effect, which meet the design requirements.

capacitance multiplier; quiescent operating point; filter circuit; temperature scan analysis; parameter sweep analysis

張全文，男，1982年生，工程師，2009年畢業(yè)于電子科技大學(xué)(成都)測試計(jì)量技術(shù)及儀器專業(yè)，獲得碩士學(xué)位，現(xiàn)從事石油電法儀器設(shè)計(jì)與維修工作。E-mail:zhangqw7@cosl.com.cn

P631.4+36

A

2096-0077(2017)03-0031-03

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.03.007

2016-05-27 編輯：韓德林)