用PSPICE實現(xiàn)電子電路的分析與設計

【摘　要】本文就一個有源低通濾波器的設計及其群時延均衡的過程，具體說明了PSPICE在電子電路分析和設計中所起的作用。
??? 關鍵詞：CAA CAD 濾波器 群時延均衡
　　
1　引　言
　 從50年代晶體管電路逐步取代電子管電路以來，半導體電路經(jīng)歷了小規(guī)模集成電路（SSI）、中規(guī)模集成電路（MSI）、大規(guī)模集成電路（LSI）、超大規(guī)模集成電路（VLSI）和甚大規(guī)模集成電路（ULSI）幾個發(fā)展階段，集成電路的功能越來越強，集成度越來越高，規(guī)模越來越大。面對這一狀況，人們已經(jīng)清醒地認識到，要分析和設計復雜的電子系統(tǒng)，人工的方法已不適用，必須采用計算機輔助分析與設計（Comput erAided Analysis and Design），即采用CAA與CAD技術。因此，CAA與CAD已經(jīng)成為分析和設計電子電路的關鍵技術之一，各種軟件應運而生，PSPICE版本也隨之問世。它不僅可以分析、設計模擬電路，也可以分析、設計數(shù)字電路和數(shù)?；旌想娐罚饶芤晕谋拘问捷斎?，又能以圖形形式輸入，深受廣大電子電路設計者的歡迎。本文就在設計一個低通濾波器過程中，如何利用PSPICE軟件對其性能進行分析并進行群時延均衡，談談PSPICE的應用。
2　低通濾波器的設計
? 低通濾波器的指標如下：通帶截止頻率15kHz，阻帶截止頻率19kHz，阻帶最小衰減60dB，通帶內(nèi)群時延差≤40μs。此濾波器的截止特性很陡峭，顯然，要達到所要求的幅頻特性，采用橢圓濾波器最為合適。根據(jù)參考文獻〔1〕中的設計參數(shù)，選定7階有源橢圓濾波器，其電路如圖1所示。
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3　用PSPICE分析濾波器的特性
　 上面的電路是否滿足設計要求？為此，我們采用了PSPICE軟件對電路進行分析，分析結果即濾波器的幅頻特性和群時延特性如圖2所示。
　 由圖2可見，幅頻特性基本滿足要求，但群時延特性不好。通頻帶內(nèi)的群時延相差130μs。為了改善群時延特性，減少相位失真，要采用群時延均衡電路。
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4　用PSPICE設計均衡電路的參數(shù)
　 均衡的思路是這樣的：根據(jù)已經(jīng)得到的群時延特性圖2（b），首先在七階有源橢圓濾波器后面加一個如圖4所示的一階均衡網(wǎng)絡，利用它來均衡直流處的群時延，使電路輸出的群時延特性成為圖3（a）所示的樣子。然后再加一個如圖5所示的二階均衡網(wǎng)絡，目的是均衡頻率f1點處的群時延特性，使輸出的群時延特性如圖3（b）所示。接下來再選擇兩個二階的均衡網(wǎng)絡，分別均衡頻率f2、f3點處的群時延特性，使總的群時延特性近似為常數(shù)，如圖3（c）所示的那樣。實現(xiàn)上述想法的硬件電路如圖6所示。
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???圖4所示的一階均衡網(wǎng)絡的系統(tǒng)函數(shù)為
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R′的值可以隨意選擇。改變R或C的值，可以使群時延改變。
?? 圖5所示的電路為二階均衡節(jié)，其傳遞函數(shù)如下式所示：
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?? 它有兩個設計參數(shù)ωr和Q，群時延特性曲線本質上是帶通形，而且通過改變Q值能將曲線展寬或變銳。通過設計ωr參數(shù)決定峰值延遲頻率。由于具有這種靈活性，故二階節(jié)實際上可用來均衡任意延遲曲線。唯一的限制在于設計者是否愿意采用很多節(jié)和完成給定均衡度需作的多次嘗試。
　 二階均衡節(jié)的群時延由下式給出：
????????????????????????
??? C和R的值可隨意選擇，而圖中A是要求的增益。
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?? 均衡電路如圖6所示。其中IC4是一級電壓跟隨器，起隔離作用。該電路中的參數(shù)是利用PS PICE程序反復選擇后確定下來的。將濾波器電路與均衡電路前后連接，利用PSPICE程序分析輸出的群時延特性如圖7所示。其群時延差為39．3μs，滿足設計要求。下面給出PSPICE軟件程序。
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PSPICE程序：
???·ACDEC20 15Hz 20kHz
?? ·LIBLINEAR．LIB
?? VIN 1 0 AC1
?? R1 1 2 1．7875K　　
?? R2 2 4 3．575K
?? R3 3 0 16．445K
?? R4 4 0 74K
?? R5 5 0 10K
?? R6 5 6 1．36K
?? R7 6 7 2．2975K
?? R8 7 9 4．5945K
?? R9 8 0 4．0475K
?? R10 9 0 18．215K
?? R11 10 0 10K
?? R12 10 11 10．13K
?? R13 11 12 2．7245K
?? R14 12 14 5．445K
?? R15 13 0 2．8615K
?? R16 14 0 12．875K
?? R17 15 0 10K
?? R18 15 16 16．43K
?? R19 16 17 5K
?? R20 19 0 5K
?? R21 18 20 10K
?? R22 20 21 10K
?? R23 21 22 3．705K
?? R24 22 0 723
?? R25 23 25 7．409K
?? R26 24 0 1???
?? R27 25 26 5K
?? R28 21 26 10K
?? R29 27 0 1
?? R30 26 28 10K
?? R31 28 29 4．152K
?? R32 29 0 244
?? R33 30 32 8．304K
?? R34 31 0 1
?? R35 32 33 5K
?? R36 28 33 10K
?? R37 34 0 1
?? R38 33 35 10K
?? R39 35 36 3．388K
?? R40 36 0 5．464k
?? R41 37 39 6．775K
?? R42 38 0 1
?? R43 39 40 5K
?? R44 35 40 10K
?? R45 41 0 1
?? R46 40 42 10K
?? C1 2 6 0．01383Uf
?? C2 4 0 3073Pf
?? C3 1 3 668Pf
?? C4 3 4 334Pf
?? C5 7 11 7700Pf
?? C6 9 0 1701Pf
?? C7 6 8 1932Pf
?? C8 8 9 966Pf
?? C9 12 16 5768Pf
?? C10 14 0 1282Pf
?? C11 11 13 2440Pf
?? C12 13 14 1220Pf
?? C13 17 0 7800Pf
?? C14 18 19．0106Uf
?? C15 22 25．01Uf
?? C16 22 23．01Uf
?? C17 29 32．01Uf
?? C18 29 30．01Uf
?? C19 36 39．01Uf
?? C20 36 37．01Uf
?? VCC1 43 0 DC12V
?? VEE1 44 0 DC－12V
?? VCC2 45 0 DC12V
?? VEE2 46 0 DC－12V
?? VCC3 47 0 DC12V
?? VEE3 48 0 DC－12V
?? VCC4 49 0 DC12V
?? VEE4 50 0 DC－12V
?? VCC5 51 0 DC12V
?? VEE5 52 0 DC－12V
?? VCC6 53 0 DC12V
?? VEE6 54 0 DC－12V
?? VCC7 55 0 DC12V　
?　VEE7 56 0 DC－12V
?? VCC8 57 0 DC12V
?? VEE8 58 0 DC－12V
?? VCC9 59 0 DC12V
?? VEE9 60 0 DC－12V
?? VCC10 61 0 DC12V
?? VEE10 62 0 DC－12V
?? VCC11 63 0 DC12V
?? VEE11 64 0 DC－12V
?? *subcircuit callfor IC1．．．IC11
?? X1 5 4 43 44 6 LM118
?? X2 10 9 45 46 11 LM118
?? X3 15 14 47 48 16 LM118
?? X4 18 17 49 50 18 LM118
?? X5 20 19 51 52 21 LM118
?? X6 23 24 53 54 25 LM118
?? X7 26 27 55 56 28 LM118
?? X8 30 31 57 58 32 LM118
?? X9 33 34 59 60 35 LM118
?? X10 37 38 61 62 39 LM118
?? X11 40 41 63 64 42 LM118
?? * end of scbcircuit definition
?? * plot the results of ac analysis
?? ．PLOT ACVDB（42）Vp（42）VG（42）??
?? ．PRINT ACVG（18）VG（42）
?? ．PROBE　
?　．END
5　結束語
　 本文論述的利用PSPICE對濾波器進行分析和設計的基本思想，適用于很多的電子電路。可以看出，它具有靈活性和多樣性，可以避免設計過程中的錯誤，便于設計中的修改和擴展，從而降低設計人員調(diào)試的勞動強度，達到事半功倍的效果。

1?。溃┌⑸狟威廉斯．電子濾波器設計手冊．北京：電子工業(yè)出版社，1986．2
2　趙雅興．電子線路PSPICE分析與設計．天津：天津大學出版社，1995．12

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