基于OrCAD／PSpice的波形發(fā)生電路設(shè)計(jì)仿真 - 全文

 引言

振蕩器是一種能自動(dòng)將直流電源能量轉(zhuǎn)換為交變振蕩信號(hào)的轉(zhuǎn)換電路，無(wú)需外加激勵(lì)信號(hào)，就能產(chǎn)生頻率、波形、幅度完全由電路自身參數(shù)決定的交流信號(hào)。正弦波振蕩器作為信號(hào)源被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。如廣播、電視、無(wú)線通信中用來(lái)產(chǎn)生載波信號(hào)；電子測(cè)量和自動(dòng)控制系統(tǒng)中用來(lái)產(chǎn)生基準(zhǔn)信號(hào)。

隨著微電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子產(chǎn)品研制和開發(fā)都采用了計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì)(CAA／CAD)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電子設(shè)計(jì)的自動(dòng)化(EDA)。Cadenee公司的OrCAD／PSpice就是其中功能強(qiáng)大的一種專用電路仿真軟件。它可以對(duì)給定參數(shù)的眾多元器件構(gòu)成的電路進(jìn)行直流分析、交流小信號(hào)分析、瞬態(tài)分析、參數(shù)掃描分析和蒙特卡羅(Monte Carlo)分析及最壞情況(Worst Case)分析，在電路設(shè)計(jì)的初級(jí)階段進(jìn)行功能和性能的驗(yàn)證，取代了大量的儀器儀表和手工計(jì)算。本文結(jié)合具體電路對(duì)PSPICE仿真過程做一個(gè)深入探討，對(duì)電子電路特性進(jìn)行仿真分析，為電路優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)。

1 典型的正弦波振蕩電路

1．1 起振條件和平衡條件

反饋型振蕩器(Feedback Oscillator)是基于放大與反饋的機(jī)理而構(gòu)成的，主要由主網(wǎng)絡(luò)與反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個(gè)閉合環(huán)路。

其中分別是反饋電壓、輸入電壓、輸出電壓和激勵(lì)源。建立振蕩的振幅起振條件為

；相位起振條件為φT(w)=2nπ。因?yàn)榉糯笃鞯姆蔷€性，隨著振幅增大，放大器增益下降。當(dāng)環(huán)路增益時(shí)，振蕩器達(dá)到平衡進(jìn)入等幅振蕩狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自激振蕩。

1．2 電容三點(diǎn)式振蕩電路設(shè)計(jì)

圖1所示為利用反饋原理設(shè)計(jì)的一個(gè)電容三點(diǎn)式振蕩器，又稱考畢茲振蕩器。

圖中晶體管放大電路構(gòu)成主網(wǎng)絡(luò)，直流電源對(duì)電路提供偏置，偏置電壓經(jīng)過直流工作點(diǎn)分析在電路中表示出來(lái)。LC并聯(lián)諧振回路構(gòu)成正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)，其中C1、C2和Ce分別為高頻耦合電容和旁路電容，C3、C4為回路電容，L1是回路電感。在不考慮寄生參數(shù)的情況下，根據(jù)正弦振蕩的相位條件，振蕩頻率計(jì)算公式為：

C4端接回基極構(gòu)成正反饋，反饋系數(shù)為F=C3／C4。電容三點(diǎn)式振蕩器的優(yōu)點(diǎn)為電容對(duì)晶體管非線性特性產(chǎn)生的高次諧波呈現(xiàn)低阻抗，所以反饋電壓中高次諧波分量很小，因此輸出波形接近于正弦波。

2 電路的仿真分析

2．1 起振過程振蕩曲線分析，即電路的瞬態(tài)分析(Time Domain Transient)

在Capture CIS中繪制電路的原理圖如圖1，各元件參數(shù)如圖中所示。對(duì)波形發(fā)生電路進(jìn)行時(shí)域仿真就是仿真電路的輸出波形，因此應(yīng)選擇瞬態(tài)分析方式。仿真時(shí)間選擇5 μs，并設(shè)置Maximum step(最大步長(zhǎng))為10 ns，以輸出光滑的振蕩波形。執(zhí)行仿真分析命令，可以在Probe中清晰地看出正弦波發(fā)生電路的起振過程。
圖2即為out點(diǎn)輸出波形，從中可見起振時(shí)間約為1．0 us。根據(jù)仿真波形分析起振過程如下：在剛接通電源時(shí)電路中存在各種擾動(dòng)，這些擾動(dòng)均具有很寬的頻譜，但是只有頻率近似為L(zhǎng)C選頻網(wǎng)絡(luò)諧振頻率fo的分量才能通過反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生較大的反饋電壓。由于環(huán)路增益T>1，經(jīng)過線性放大和反饋的不斷循環(huán)，振蕩電壓會(huì)不斷增大。然而由于晶體管的線性范圍是有限的，隨著振幅的增大放大器逐漸進(jìn)入飽和區(qū)或截止區(qū)，增益逐漸下降。當(dāng)放大器增益下降而導(dǎo)致環(huán)路增益下降到1時(shí)，振幅增長(zhǎng)過程停止，振蕩器達(dá)到平衡，進(jìn)入等幅振蕩狀態(tài)。

改變橫坐標(biāo)將波形放大，利用標(biāo)尺功能測(cè)得波形極大點(diǎn)時(shí)間坐標(biāo)如圖3中所示。通過計(jì)算可發(fā)現(xiàn)波形周期不穩(wěn)定：B-A=2．303 3-2．190 5=0．112 8 us，C-B=2．409 3-2．303 3=0．1060us，D-C=2．5107-2．409 3=0．101 4us，E-D=2．621 0-2．510 7=0．110 3 us；即波形頻率fo穩(wěn)定度不高fo=1／T≈4／(E-A)=9．29 MHz。與理論計(jì)算值比較，頻率的失真主要是因?yàn)殡娐贩抢硐胩匦缘挠绊懀缇w管內(nèi)部參數(shù)、分布電容、分布電感等。


2．2 波形的頻域分析，即傅立葉分析(Fourier Analysis)和傅立葉變換

正弦振蕩電路產(chǎn)生的正弦波總是存在非線性失真，即振蕩輸出正弦波中除了基波之外還存在著各次諧波。仿真分析非線性失真可以利用傅里葉分析的功能。Probe的傅里葉變換是對(duì)信號(hào)波形的所有數(shù)據(jù)均進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT，F(xiàn)ast Fourier Transform)，并將結(jié)果以曲線形式顯示出來(lái)。對(duì)圖2的輸出波形點(diǎn)擊Trace／Fourier菜單命令，屏幕顯示傅立葉變換的幅頻特性如圖4所示。利用標(biāo)尺功能測(cè)得頻率為9.50 00MHz時(shí)的諧波分量幅值最大為4．355 3 V。

若需查看具體的傅里葉系數(shù)，還應(yīng)在PSPICE中設(shè)置傅里葉分析。在瞬態(tài)分析中選中傅里葉分析(Perform Fourier Analysis)，PSpice傅里葉分析是以瞬態(tài)分析結(jié)束前一個(gè)周期內(nèi)的仿真結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，并且這里的周期是由在傅里葉分析時(shí)設(shè)置的參數(shù)所決定的，即用戶給定的“Center”(中心頻率或稱基波頻率)的倒數(shù)。
設(shè)置基波頻率為9．50meg(MHz)，諧波次數(shù)為默認(rèn)值9，輸出變量為V(out)。諧波失真度定義為各次諧波分量總的有效值與基波分量有效值之比，即

諧波失真度越大說(shuō)明振蕩波形的非線性越嚴(yán)重。

在執(zhí)行分析后打開輸出數(shù)據(jù)文件，可以查看傅里葉分析所得出的具體數(shù)據(jù)如表1所示。從表中可見基波成分最強(qiáng)，其幅值為4．296 V。而總的諧波失真系數(shù)為1．764492E+01PERCENT。

3 改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路

由以上研究已知電路振蕩頻率不僅取決于LC回路，還與電路寄生參數(shù)等非理想特性有關(guān)。晶體管極間電容分別與兩個(gè)回路電容并聯(lián)，從而影響振蕩頻率；晶體管的參數(shù)又隨環(huán)境溫度、電源電壓的變化而變化，因此其頻率穩(wěn)定度不高。為了提高圖2振蕩電路的頻率穩(wěn)定度，可對(duì)電路做如圖5所示的改進(jìn)。

由于極間電容分別與C3、C4并聯(lián)，所以為了減小晶體管與回路的耦合，加大回路電容C3、C4的值，同時(shí)為了不影響振蕩頻率在回路中增加一個(gè)與L串聯(lián)的電容C5。各電容取值須滿足C3>>C5，C4>>C5。在須要改變振蕩頻率時(shí)如果調(diào)節(jié)C3會(huì)引起振蕩幅度下降，難于起振，為解決這一矛盾，在電感兩端并聯(lián)一個(gè)小的可變電容C6。這樣回路等效電容CΣ≈C5+C6，于是。由此可見，電路的頻率幾乎與C1、C2無(wú)關(guān)。
從圖6中可以看出周期穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)：B-A=150．701-150．617=0．084 us．C-B=150．787-150．701=0．086 us，D-C=150．871-150．787=0．084 us，E-D=150．955-150．871=0．084 us，即頻率穩(wěn)定度明顯提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用正反饋原理設(shè)計(jì)了典型的電容三點(diǎn)式振蕩電路，并在此基礎(chǔ)上對(duì)電路進(jìn)行了改進(jìn)，以提高振蕩波形的頻率穩(wěn)定度。通過基于OrCAD／PSpice的仿真分析，以圖像可視化的方式顯示了電路起振過程及輸出波形，并通過仿真驗(yàn)證了改進(jìn)的效果，電路輸出波形好，諧波分量小，達(dá)到了預(yù)期效果。基于Pspice的電路仿真設(shè)計(jì)快捷、直觀，避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法為了確定元件參數(shù)進(jìn)行的復(fù)雜運(yùn)算。