基于OrCAD的高頻電子線(xiàn)路仿真分析

本文基于OrCAD／Pspice電子線(xiàn)路計算機輔助分析設計軟件以實(shí)現高頻電子線(xiàn)路的綜合電路分析仿真為目的，針對回路使用的信號頻率比較高，電路實(shí)現的功能多、結構復雜，造成OrCAD設計軟件在仿真過(guò)程時(shí)運算量大，電路調試過(guò)程變得復雜、電路的元器件參量?jì)?yōu)化難度大，通過(guò)采用復雜電路的仿真調試關(guān)聯(lián)優(yōu)化的方法對變容二極管調頻與功率放大及發(fā)射電路的仿真過(guò)程進(jìn)行分析，仿真效果表明，采用關(guān)聯(lián)優(yōu)化方法能有效提高優(yōu)化設計效率。

OrCAD／Pspice 是個(gè)通用的電子線(xiàn)路計算機輔助分析設計軟件，是電路計算機仿真程序中極為優(yōu)秀的一款軟件。具備強大的電路設計與仿真能力，能夠方便地實(shí)現電子線(xiàn)路的直流分 析、交流分析、瞬態(tài)分析、噪聲分析、靈敏度分析、傅里葉分析、諧波失真分析以及在不同溫度下的電路性能分析，完成電子線(xiàn)路的元器件參量?jì)?yōu)化。提供了豐富的 電子元器件模型，能實(shí)現各電路參量的測試、分折功能及器件庫的構建功能。隨著(zhù)OrCAD／Pspice快速發(fā)展，實(shí)現各種功能時(shí)操作變得越為簡(jiǎn)化，受編程 過(guò)程限制越少，且對電路的計算和仿真越為準確。在掌握電路原理的基礎上，能方便地利用電子輔助仿真設計軟件Pspice完成所需電路的設計分析和器件特性 分析。筆者將對可變電容調頻與功率放大及發(fā)射電路的仿真過(guò)程進(jìn)行分析探討。

1 OrCAD／Pspice在高頻電子線(xiàn)路仿真中的優(yōu)勢作用

高 頻電子線(xiàn)路中的振蕩電路、調幅電路、混頻電路、調頻電路、解調電路在生活中應用非常廣泛，在設計和生產(chǎn)中，利用OrCAD／Pspi ce來(lái)輔助分析所需高頻電路的各項功能和特性指標，能方便實(shí)現高頻電子線(xiàn)路各種設計需要。而且應用OrCAD／layout phus能快速完成滿(mǎn)足線(xiàn)路性能要求的實(shí)際印制電路板的設計。最為重要的是OrCAD／Pspice軟件計算準確，使設計仿真的指標更符合電路的實(shí)際效 果。高頻電子線(xiàn)路設計的復雜性，OrCAD電路軟件的高效性，使得OrCAD／Pspice進(jìn)行高頻電子線(xiàn)路設計、仿真、分斬、制造時(shí)，更充分體現了 OrCAD輔助設計技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：縮短了設計周期，提高了設計制造項目的整體效率，節約了設計成本；利用OrCAD中的靈敏度分析、容差分析、噪聲分析、最 壞情況分析、優(yōu)化參量分析功能，使得質(zhì)量得到提高和保證；OrCAD大量的單元設計和豐富的元器件模型及易于調整的模型參數，為復雜的設計分析提供了便 利。雖然，OrCAD提供了高效平臺，但對設計分析高頻綜合電路時(shí)，還得學(xué)習掌握OrCAD分析、調試、優(yōu)化電路的方法，才能讓OrCAD效能得以更好的 體現。如在OrCAD／Pspice電子線(xiàn)路計算機輔助分析設計軟件在進(jìn)行高頻電子線(xiàn)路的綜合電路分析仿真時(shí)，因回路信號頻率高，電路復雜，造成仿真運算 量大，仿真調試過(guò)程復雜、優(yōu)化參量難度大，若非有意識地提高設計效率，很多設計者會(huì )浪費大量的精力在調試和參量?jì)?yōu)化過(guò)程中。

2 仿真電子原理圖

如 圖1所示為實(shí)用變容二極管謂頻、功率放大及發(fā)射電路，左端IN接口為調制信號輸入。右端OUT天線(xiàn)為調頻信號經(jīng)功率放大后發(fā)射輸出，電路中三極管Q1與電 容C1、C2、C3、C4、電感L1及變容二極管D10組成載波信號的形成和調制信號的調頻工作級，調頻好的信號經(jīng)電容C12耦合輸入到三極管Q2和電容 C11、變壓器TX1組成的小信號諧振放大級，該級放大電路工作在甲類(lèi)放大狀態(tài)，調頻信號經(jīng)Q2級諧振放大后輸入功率放大Q3級，Q3級作為功率輸出級要 求兼顧高功率和高效率輸出，所以在丙類(lèi)放大，且要求工作在臨界弱過(guò)壓狀態(tài)。最終經(jīng)過(guò)合理放大后從OUT發(fā)射出去。

要 理想地完成變容二極管調頻、功率放大及發(fā)射綜合電路設計要求，設計要需要認真分析各級功能電路的性能指標，合理計算好各元器件的參數，否則，將很難調試成 功。即使初步設置好了各參數，若在綜合電路里調試分析，也將因回路信號頻率高，電路復雜，造成仿真運算量大，優(yōu)化參量難度大。很多設計者在調試時(shí)，因為 OrCAD提供的Probe模塊能方便判斷測量點(diǎn)的信號波形是否失真，判斷出某測量點(diǎn)波形失真時(shí)，就重復地優(yōu)化各元器件參數，沒(méi)考慮到綜合電路中的調試是 極為耗時(shí)的，更為重要的一點(diǎn)，綜合電路中某一測量點(diǎn)性能的不達標，還因電路前后級聯(lián)接而造成電路相互的影響。就如圖1變容二極管調頻、功率放大及發(fā)射電 路，中間經(jīng)常會(huì )加入一緩沖隔離級，一般采用非諧振的普通甲類(lèi)放大級，目的是將振蕩級與功放級隔離，以減少功放級對振蕩級的穩定性的影響。因為電路中前后級 的互相影響存在，且各級小失真的迭加，造成即使易判斷出某點(diǎn)波形失真，仍?xún)?yōu)化困難。為了提高設計效率，就應該從每一功能分立級電路獨立設計做起，再一級級 關(guān)聯(lián)優(yōu)化，畢竟高頻電路比低頻電路運算量是成高量級變化的，且高頻中要充分考慮元器件和接線(xiàn)分布阻抗的。

3 關(guān)鍵功能電路仿真分析

圖 1變容二極管調頻、功率放大及發(fā)射電路設計中，設計者應先完成Q1振蕩級設計，再加入變容二極管和調制信號的設計，否則未產(chǎn)生振蕩時(shí)，不能判斷是振蕩級設 計未好，還是變容二極管參數未確定好，變容二極管有一系列關(guān)鍵參數，都需計算設置的。攝蕩級在調頻電路中不采用穩定性低的普通電容三點(diǎn)式振蕩電路和克拉潑 振蕩電路，而是采用穩定性高的西勒振蕩電路，如圖2所示。

在西勒振蕩電路中，改變與電感L1上相并的C4容量值，回路的振蕩頻率就可調整，而C3用數值固定的電容，當C1>>C3，C2>>C3時(shí)，振蕩頻率近似為

當選取C3為40 pF，C4為40 pF，其他元器件按設計要求設置時(shí)，振蕩器仿真波形如圖3所示，仿真產(chǎn)生的振蕩信號頻率與計算設計的頻率差不多相等，都約為4MHz。

對 于Q3級功率放大級，如圖4所示，則要求放大器輸出功率大，效率要高，即諧振功率放大器一般工作在臨界狀態(tài)，因為臨界狀態(tài)的諧振功率放大器輸出功率最大， 效率也高，最能符合設計要求，而過(guò)壓狀態(tài)具有較高的效率，所以工作點(diǎn)可以靠近過(guò)壓狀態(tài)，比靠近欠壓狀態(tài)好。設計時(shí)，應先獨立進(jìn)行Q3級功率放大電路工作狀 態(tài)的調節，否則，會(huì )因為判斷工作狀態(tài)電流波形受前后級電路影響因素多，而難于優(yōu)化參量。圖5為設置好負載值，Vct及Vbb參量后，仿真得到弱過(guò)壓的臨界 狀態(tài)(如圖5所示的上部分波形)和強過(guò)壓狀態(tài)(如圖5所示的下部分波形)時(shí)通過(guò)發(fā)射極的電流Ie波形，從該波形圖可以判斷調節好功率放大級的工作狀態(tài)。

在每個(gè)獨立功能電路設計分析成功的基礎上，前級開(kāi)始逐步往下一級關(guān)聯(lián)起來(lái)調試分析，考慮相關(guān)級的影響，從而完成整個(gè)綜合電路的設計要求，這將很大程度上提高電路參數優(yōu)化效率。

4 結束語(yǔ)

通過(guò)OrCAD／Pspice設計高頻電子線(xiàn)路一綜合電路圖——變容二極管調頻、功率放大及發(fā)射電路的仿真過(guò)程分析，設計者在高頻綜合電路的調試優(yōu)化時(shí)，應充分考慮前后級電路間的相互影響和仿真過(guò)程運算量的影響，采用關(guān)聯(lián)優(yōu)化方法能高效實(shí)現高頻電子線(xiàn)路的優(yōu)化設計。