張 偉

（東營(yíng)大明鉆井有限責(zé)任公司，山東 東營(yíng) 257000）

引言

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化EDA技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用對(duì)電子設(shè)計(jì)的發(fā)展起了巨大的推動(dòng)作用。EAD技術(shù)是在電子CAD技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，是指以計(jì)算機(jī)為工作平臺(tái)，融合了應(yīng)用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理及智能化技術(shù)的最新成果，進(jìn)行電子產(chǎn)品的自動(dòng)設(shè)計(jì)。利用EDA工具，電子設(shè)計(jì)師可以從概念、算法、協(xié)議等開始設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)，大量工作可以通過(guò)計(jì)算機(jī)完成，并可以將電子產(chǎn)品從電路設(shè)計(jì)、性能分析到設(shè)計(jì)出IC版圖或PCB版圖的整個(gè)過(guò)程的計(jì)算機(jī)上自動(dòng)處理完成。EDA技術(shù)的深入發(fā)展和廣泛應(yīng)用，帶給電子設(shè)計(jì)師更完善的設(shè)計(jì)方法，更短的設(shè)計(jì)周期，使其產(chǎn)品更具競(jìng)爭(zhēng)力。

隨著集成電路的發(fā)展,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求,EDA技術(shù)已滲透到電子系統(tǒng)和專用集成電路設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)。對(duì)于從事電路設(shè)計(jì)及相關(guān)領(lǐng)域的工作人員來(lái)說(shuō),掌握并應(yīng)用EDA工具是非常必要的。設(shè)計(jì)人員借助開發(fā)軟件的幫助,可以將設(shè)計(jì)過(guò)程中的許多細(xì)節(jié)問題拋開,而將注意力集中在產(chǎn)品的總體開發(fā)上。這樣大大減輕了工作人員的工作量，提高了設(shè)計(jì)效率，減少了以往復(fù)雜的工序，縮短了開發(fā)周期，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化。程泓列舉傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在的缺陷，以“共發(fā)射極放大器”為例說(shuō)明了PSPICE在電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[1]。陸敏恂采用PSPICE軟件中的受控電源模型,建立了一個(gè)發(fā)熱電阻的仿真模型.結(jié)合具體電路結(jié)構(gòu),從流量計(jì)基本方程中得出發(fā)熱電阻的PSPICE等效電路模型參數(shù).針對(duì)仿真電路的啟動(dòng)特性進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果基本吻合[2]。

本文應(yīng)用PSPICE軟件設(shè)計(jì)晶體管放大電路，介紹了電路設(shè)計(jì)的過(guò)程,并設(shè)計(jì)了兩種電路以比較其非線性效應(yīng)。

1 PSPICE

即Personal SPICE是在PC機(jī)上使用的SPICE程序。SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)是由美國(guó)加州大學(xué)伯克莉分校于1972年開發(fā)的電路仿真程序。自從這個(gè)程序問世以來(lái)，由于它強(qiáng)大的功能，在全世界的電工、電子工程界得到了廣泛的應(yīng)用。在大學(xué)里，它是工科類學(xué)生必會(huì)的分析與設(shè)計(jì)電路的工具；在科研開發(fā)部門，它是產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、試驗(yàn)到定型過(guò)程中不可缺少的工具。隨后，版本不斷更新，功能不斷增強(qiáng)和完善。1988年SPICE被定為美國(guó)國(guó)家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。SPICE是通用電子模擬軟件，它可以對(duì)電子電路進(jìn)行直流分析、交流分析、瞬態(tài)分析、噪聲分析、靈敏度分析、傅立葉分析、諧波失真分析以及在不同溫度下的電路性能分析。SPICE程序能夠代替面板、示波器等整個(gè)電子實(shí)驗(yàn)室的功能，對(duì)復(fù)雜的電路與系統(tǒng)進(jìn)行分析，這主要是由于SPICE程序含有高精度元器件模型。獲取準(zhǔn)確的器件模型參數(shù)對(duì)于電路分析和設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)是非常重要的。

在電路系統(tǒng)仿真方面，PSPICE可以說(shuō)獨(dú)具特色，是其他軟件無(wú)法比擬的。它是一個(gè)多功能的電路模擬試驗(yàn)平臺(tái)。PSPICE軟件由于收斂性好，適于做系統(tǒng)及電路級(jí)仿真，具有快速、準(zhǔn)確的仿真能力。其主要優(yōu)點(diǎn)包括：a.圖形界面友好，易學(xué)易用，操作簡(jiǎn)單；b.實(shí)用性強(qiáng)，仿真效果好；c.功能強(qiáng)大，集成度高。

本文應(yīng)用PSPICE8.0進(jìn)行電子線路設(shè)計(jì)與仿真。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)一級(jí)具有穩(wěn)定偏置的放大器電路，晶體管選擇Q2N222（改參數(shù)IS=5E-16，Bf=60,Rf=100Ω），Vcc=12V,R1=3kΩ,Vi=10Mv,f=1kHz,Rs=600Ω。性能指標(biāo)要求：①電壓增益大于40；②低界頻率約為100Hz；③輸入電阻大于1kΩ，輸出電阻小于3 kΩ。

2.2 設(shè)計(jì)過(guò)程

為獲得穩(wěn)定的靜態(tài)工作點(diǎn)，采用分壓式電流負(fù)反饋偏置電路。因放大器的上限頻率要求較高，故選用高頻率小功率管3DG6,其特性參數(shù)為：ICM=20mA，BUCEO>=20V，fr>=150MHZ,用晶體管特性圖示儀測(cè)量晶體管的特性參數(shù)，通常要求β>AV,故選β=60。

若取UBQ=3V,得RE=(UBQ-UBE)/ICQ=1.53kΩ，故RE取標(biāo)稱值1.5kΩ，RB2=UBQ/I1=｛UBQ/(5～10)ICQ}*β=24kΩ，RB1=｛（UCC-UBQ）/UBQ}*RB2=72kΩ，為使靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)整方便，RB1由30kΩ固定電阻與100kΩ電位器串聯(lián)。

rbe=300+β*26mv/ICQ=1340Ω

AV=U0/Ui=-βRL'/rbe

RL'? AV rbe/β=0.89 kΩ

RL'=RL'RL/(RL-RL')=1.27 kΩ 取標(biāo)稱值1.3 kΩ

CB>=(3～10)/2πfL(RS+rbe)=8.2uf 取標(biāo)稱值10uf

CC>=(3～10)/2πfL(RC+RL)=3.7 uf 常取CC=CB=10 uf

CE>=(1～3)/2πfL ｛RE//[(RS+rbe)/(1+β)]}=91.5uf取標(biāo)稱值100uf

根據(jù)上述參數(shù)，設(shè)計(jì)出一級(jí)具有穩(wěn)定偏置的放大器電路，如圖1。

3 電路仿真

為了對(duì)晶體管的非線性效應(yīng)做更深入的觀察，設(shè)計(jì)如下兩種電路并比較其非線性失真：

①發(fā)射極電阻Re部分旁路的放大器，即在等效電路中有發(fā)射極電阻Re1的放大器的非線性失真，如圖2。

②將信號(hào)源串聯(lián)51kΩ的電阻，組成電流源如圖3，觀察簡(jiǎn)單的共射極電路在以電流為輸入信號(hào)時(shí)的非線性失真。

3.1 Rb2值的增減影響分析

①對(duì)于電路一：隨著基極電阻Rb2值的減?。▓D4、圖5），輸出信號(hào)的頻譜也發(fā)生了變化，即它的幅值逐漸減小，當(dāng)減少到一定值如Rb2=1Ω時(shí)，在高頻處有噪聲干擾。

隨著基極電阻Rb2值的增大（圖6、圖7），輸出信號(hào)的頻譜也發(fā)生了變化，即它的幅值逐漸增大，但到一定限度時(shí)，如Rb2=100KΩ時(shí)，幅值反而減少，并且在臨近頻率處有噪聲干擾。

②對(duì)于電路二：同樣，隨著基極電阻Rb2值的減小，輸出信號(hào)的頻譜也發(fā)生了變化，即它的幅值逐漸減小，當(dāng)減少到一定值如Rb2=1Ω時(shí)，干擾噪聲很嚴(yán)重；隨著基極電阻Rb2值的增大，輸出信號(hào)的頻譜幅度變化并不明顯，但到一定限度時(shí)，如Rb2=100KΩ時(shí)，幅值反而減少，并且在鄰近頻率處有噪聲干擾比較嚴(yán)重。

3.2 Rc值的增減影響分析

①對(duì)于電路一：隨著基極電阻Rc值的減小（圖8、圖9），輸出信號(hào)的頻譜也發(fā)生了變化，即它的幅值逐漸減小，并無(wú)多大的噪聲干擾。

隨著基極電阻Rc值的增加（圖10、圖11），輸出信號(hào)的頻譜幅度逐漸減少，并且開始出現(xiàn)噪聲干擾。

分析：

②對(duì)于電路二：隨著基極電阻Rc值的減小，輸出信號(hào)的頻譜也發(fā)生了變化，即它的幅值逐漸減小，并無(wú)多大的噪聲干擾；隨著基極電阻Rc值的增加，輸出信號(hào)的頻譜幅度逐漸減少，并且開始出現(xiàn)噪聲干擾。

圖1 電路設(shè)計(jì)圖

圖2 電路一

圖3 電路二

圖4 Rb2=1KΩ

圖5 Rb2=1Ω

圖6 Rb2=60KΩ

圖7 Rb2=100KΩ

圖8 Rc=0.5KΩ

圖9 Rc=0.01Ω

圖10 Rc=10KΩ

圖11 Rc=100KΩ

綜合上述分析，我們可以看到電路一的輸出信號(hào)失真度較小，且調(diào)整電路參數(shù)Rb2、Rc時(shí)，電路一的輸出信號(hào)頻譜變化沒有電路二的幅度大，所以電路一的性能更好一些。

結(jié)論

本文應(yīng)用PSPICE軟件設(shè)計(jì)晶體管放大電路，介紹了電路設(shè)計(jì)的過(guò)程。為了深入觀察晶體管的非線性效應(yīng)，設(shè)計(jì)了兩種電路，通過(guò)調(diào)整電路參數(shù)Rb2和Rc，比較了兩種電路的非線性失真。

[1]程泓，徐樹山，馬萬(wàn)賓.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的PSPICE仿真.漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)（綜合版），2003.6，VOL2（2）：12.

[2]陸敏恂,林永佳,周愛國(guó),周 全.基于PSPICE的熱式空氣流量計(jì)發(fā)熱電阻模型.中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2009.12,vol7（4）：455-458.