孟祥荔

（天津市第一輕工業(yè)學(xué)校，天津 300232）

工程人員進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，必須結(jié)合項(xiàng)目給定的各項(xiàng)要求，用人工的方法去明確設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，還要通過在實(shí)驗(yàn)板上的實(shí)際測試，來進(jìn)一步檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案是否真正符合用戶需要。而且相關(guān)過程往往需要進(jìn)行多次才能獲得最終的方案。多年的實(shí)踐表明，這種方法不僅是在成本的投入上不受控制，且開發(fā)周期往往過長，已難以與不斷發(fā)展的電路產(chǎn)業(yè)相適應(yīng)。首先，準(zhǔn)確性較差，存在一定程度的誤差；其次，考慮到需要處理的數(shù)據(jù)比較多，很難對(duì)它們進(jìn)行全面分析；第三，需要花費(fèi)大量無意義的時(shí)間。

為了有效地解決上述問題，再加上近年來相關(guān)電子技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了許多可用于電路仿真的軟件工具，類似軟件的應(yīng)用可大大提高開發(fā)效率，同時(shí)能夠盡快得知某些性能參數(shù)是否與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相符，如存在誤差，可迅速加以調(diào)整以獲得更加理想的性能。PSpice 就是目前應(yīng)用最為廣泛的仿真軟件之一，它的應(yīng)用可從根本上改變以往傳統(tǒng)的技術(shù)手段，使得設(shè)計(jì)的電路更加穩(wěn)定，它能夠根據(jù)給定的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，對(duì)電路進(jìn)行仿真模擬，利用計(jì)算機(jī)設(shè)備反復(fù)進(jìn)行測試，以盡可能滿足設(shè)計(jì)要求，獲得最佳的技術(shù)指標(biāo)。

1 PSpice 的特點(diǎn)分析

與Protel 類似，PSpice 同樣也是進(jìn)行電路原理分析、設(shè)計(jì)等工作的常用軟件之一，實(shí)際上在具體的使用上前者的應(yīng)用要更加普遍一些。當(dāng)前很多高校專業(yè)都開設(shè)了有關(guān)的學(xué)習(xí)課程，主要是因?yàn)樗菀讓W(xué)習(xí)，在功能上也比較全面，而后者的使用要更加復(fù)雜，且版權(quán)的保護(hù)相對(duì)來說更加嚴(yán)格，使得其應(yīng)用沒有前者那么廣泛，但其自帶的仿真功能是非常強(qiáng)大的，能夠有效的幫助人們進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的對(duì)比和選擇，進(jìn)而達(dá)到電路優(yōu)選的目的。當(dāng)前來看，PSpice 在歐美等電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為先進(jìn)地區(qū)的應(yīng)用已得到了大面積的推廣，作為一個(gè)多功能的電路仿真軟件，它有著極強(qiáng)的收斂性，在電路仿真過程中，表現(xiàn)出迅速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)。下面對(duì)其主要特點(diǎn)進(jìn)行簡單的分析。

（1）簡單易學(xué)，操作方便。在進(jìn)行電路仿真時(shí)，PSpice 是以圖形界面輸入，操作非常簡單，而且能自動(dòng)的進(jìn)行電路檢查，快速形成圖表，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析。最新版本的軟件應(yīng)用了更為高效的菜單式結(jié)構(gòu)，人們?cè)趯W(xué)習(xí)使用時(shí)變得更加簡單，動(dòng)動(dòng)鼠標(biāo)和鍵盤就能進(jìn)行操作，不僅大大的提高了作業(yè)效率，也進(jìn)一步的加快了開發(fā)進(jìn)度。

（2）具有強(qiáng)大的實(shí)用性、仿真性。作為當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的仿真軟件之一，與其它軟件相比，PSpice 的最大特點(diǎn)在于國際上許多著名電子開發(fā)公司都為其提供了可用的元件模型，使得仿真結(jié)果更具真實(shí)性，與實(shí)際的結(jié)果更為接近。在進(jìn)行操作時(shí)，對(duì)某些數(shù)據(jù)的修改非常容易，可迅速進(jìn)行仿真，過程上相當(dāng)?shù)母咝А?/p>

（3）集成度高。它能夠?qū)﹄娐愤M(jìn)行不同狀態(tài)的分析，以對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行各方面性能的優(yōu)化。而且，它還匯集了很多的數(shù)學(xué)工具，不但可以方便的調(diào)用加、減、乘、除等最為基礎(chǔ)的運(yùn)算功能，還實(shí)現(xiàn)了正弦、余弦等復(fù)雜的函數(shù)運(yùn)算，這都是別的軟件所不具備的。此外，工作人員還可以在必要的情況下對(duì)窗口進(jìn)行編輯，比如坐標(biāo)的修改、窗口的添加等，還有著另存為、打印等功能，這些功能的提供大大方便了用戶，使得仿真工作更加快捷、方便。

2 電路優(yōu)化設(shè)計(jì)的條件及步驟

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，PSpice 在應(yīng)用中表現(xiàn)出簡單易學(xué)，操作方便，實(shí)用性以及集成性的特點(diǎn)。但是，其應(yīng)用也是有條件的，只有具備了電路優(yōu)化設(shè)計(jì)的條件，才能獲得理想的結(jié)果。下面對(duì)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)的條件及步驟展開分析。

2.1 電路優(yōu)化設(shè)計(jì)的條件

實(shí)際上，如果設(shè)計(jì)出來的電路在基本功能上還有所缺乏，那么用PSpice 進(jìn)行優(yōu)化也是難以取得理想效果的。一般來說，對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)需符合以下條件：首先，所提供的電路已基本上滿足設(shè)計(jì)需要；其次，其中至少包括一個(gè)模塊具有可變的值，且其變化與優(yōu)化目標(biāo)相一致；第三，具有某些算法，使得優(yōu)化的性能可以成為以其中的部分參數(shù)為變量的函數(shù)，如此一來才能通過對(duì)相關(guān)參數(shù)的分析來對(duì)電路性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.2 電路優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟

電路性能的開發(fā)已基本滿足需要后，進(jìn)一步明確與優(yōu)化目標(biāo)直接相關(guān)的各個(gè)要素，并結(jié)合各要素互相間的關(guān)系對(duì)其進(jìn)行綜合考慮，就可以獲得所需調(diào)整的參數(shù)，只需對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行分析以獲得最優(yōu)值。同時(shí)，對(duì)電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，明確其對(duì)電路所造成的影響，以此提升最終的優(yōu)化效率?？偟膩砜?，我們可以將電路優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟概括如下。

（1）對(duì)相關(guān)電路開展仿真分析，準(zhǔn)確判斷設(shè)計(jì)方案是否具備各項(xiàng)基本功能。

（2）進(jìn)一步明確需要進(jìn)行優(yōu)化的目標(biāo)性能，以及需要做出調(diào)整的相關(guān)參數(shù)，并給定需要使用的算法，使得目標(biāo)性能成為相關(guān)參數(shù)的函數(shù)。

（3）在電路中，對(duì)相關(guān)的符號(hào)進(jìn)行設(shè)置，包括對(duì)應(yīng)的參數(shù)以及涉及到的器件名稱。

（4）利用PSpice 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在相應(yīng)窗口中對(duì)目標(biāo)參數(shù)、優(yōu)化指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)、準(zhǔn)確的設(shè)置。

（5）開始進(jìn)行優(yōu)化并得到相應(yīng)結(jié)果。具體的優(yōu)化過程是受到相關(guān)條件的限制，從各個(gè)元件的初始值開始，依次計(jì)算各個(gè)優(yōu)化指標(biāo)對(duì)應(yīng)的參數(shù)，并結(jié)合給定的優(yōu)化要求，對(duì)有關(guān)參數(shù)的增減程度進(jìn)行調(diào)整；同時(shí)，通過仿真分析，得到迭代運(yùn)算的結(jié)果，并根據(jù)所得結(jié)果來對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行必要的調(diào)整，進(jìn)而獲得經(jīng)過一次迭代后參數(shù)的當(dāng)前值，再將其與目標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比分析，以判斷是否還需再次進(jìn)行迭代，直至相關(guān)參數(shù)滿足最終的優(yōu)化需要。

（6）對(duì)得到的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析。將所得結(jié)果與設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行比較，看是否已達(dá)到了優(yōu)化目的。如果已充分滿足設(shè)計(jì)要求，我們就可以用最終得到的優(yōu)化數(shù)值，去代替對(duì)應(yīng)的元件參數(shù)，從而也就實(shí)現(xiàn)了電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 PSpice 電路設(shè)計(jì)的方法

在電路開發(fā)過程中，使用PSpice 進(jìn)行仿真分析，首先需要繪制原理圖，接著對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，最后進(jìn)行仿真分析，并得到優(yōu)化參數(shù)。這里必須引起注意的一點(diǎn)是，所調(diào)用的器件必須包括PSpice 模型。通過各種仿真功能的綜合使用，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置與更改，以對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真，結(jié)合得到的結(jié)果與預(yù)期數(shù)值進(jìn)行對(duì)比分析，從而得到最優(yōu)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)電路性能的優(yōu)化。PSpice 的應(yīng)用可從根本上改變以往傳統(tǒng)的技術(shù)手段，使得設(shè)計(jì)的電路性能更佳，根據(jù)給定的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，對(duì)電路進(jìn)行仿真，利用計(jì)算機(jī)多次進(jìn)行測試，以充分滿足設(shè)計(jì)要求，獲得最佳的各項(xiàng)參數(shù)。

研究表明，在當(dāng)前的模擬電路中，集成運(yùn)算放大器的使用是較為普遍的。作為一種有著高電壓增益的放大電路，其輸入在多數(shù)情況下要用到差分電路，其主要原理是利用其具有的對(duì)稱特性來有效地提升整個(gè)電路的運(yùn)行性能，同時(shí)還可以對(duì)零點(diǎn)漂移等進(jìn)行較好的抑制。但是，差分電路的構(gòu)成是極為復(fù)雜的，而且分析過程繁瑣，尤其是對(duì)不同輸入信號(hào)的分析，很難進(jìn)行，因此一直以來都是電子開發(fā)中的難點(diǎn)。PSpice 的應(yīng)用，較好的解決了這一問題。

4 PSpice 仿真分析

PSpice 的應(yīng)用能夠?qū)δM電路進(jìn)行各種輸入狀態(tài)的分析，已基本滿足了大部分開發(fā)工作的需要，下面我們通過幾種常見的仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行詳細(xì)的探討。

4.1 直流分析

它是對(duì)電路直流特性的分析，假定電路中某個(gè)參數(shù)在相應(yīng)范圍內(nèi)發(fā)生變化，對(duì)其直流偏置特性進(jìn)行分析。在這里，我們可以選擇某個(gè)三極管的電流放大系數(shù)是自變量，令其值進(jìn)行線性增長，就可以對(duì)輸出電壓與電流放大系數(shù)的關(guān)系進(jìn)行研究。

通過分析可知，由于電路結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，三極管有著一致的直流狀態(tài)，隨著電流放大系數(shù)的不斷增加，集電極電位會(huì)隨之減小。而所得結(jié)果表明，在直流狀態(tài)時(shí)，輸出電壓的變化規(guī)律是趨于一致的，都是隨著電流放大系數(shù)的增加，而呈下降趨勢?？梢姡玫降姆抡娼Y(jié)果與理論層面的分析是一致的，這表明電路正確。

4.2 交流分析和噪聲分析

它是通過對(duì)頻率響應(yīng)特性進(jìn)行計(jì)算，并將各相關(guān)元件對(duì)相應(yīng)輸出點(diǎn)形成的噪聲等效到輸入源上，對(duì)頻率特性的研究就是分析其在各種信號(hào)頻率下的增益等。

在這里，我們?cè)谝欢ǚ秶鷥?nèi)設(shè)置掃描頻率，并按要求進(jìn)行遞增。需要引起注意的一點(diǎn)是，使用PSpice 進(jìn)行分析時(shí)，需要設(shè)置與之對(duì)應(yīng)的激勵(lì)源，不然是難以實(shí)施仿真的。而所得結(jié)果表明，在激勵(lì)源不變的情況下，而頻率進(jìn)行順序遞增，差分放大電路具有一定的低通特性。分析表明，這是因?yàn)樵陔娐窐?gòu)成上采用的是直接耦合，從而有效的避免了阻容耦合狀態(tài)下對(duì)低頻性能所造成的影響。

4.3 瞬態(tài)分析

它指的是在給定輸入信號(hào)的前提下，對(duì)輸出端的瞬態(tài)響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，以對(duì)電路瞬態(tài)特性進(jìn)行分析。這也是當(dāng)前電路分析中最為常用的功能之一。對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)行PSpice 仿真，對(duì)差分電路的工作情況進(jìn)行研究。

所得結(jié)果表明，在單端輸入的情況下，兩個(gè)差分對(duì)管是同時(shí)得到輸入信號(hào)，且得到的是一對(duì)差模信號(hào)，可見不同輸入狀態(tài)下的電壓放大倍數(shù)是一致的。但是所得輸出電壓信號(hào)的相位是相反的，這說明單端輸出時(shí)得到的信號(hào)電壓是雙端輸出的二分之一，表明電路正確可用。

4.4 溫度分析

對(duì)電路的溫度特性進(jìn)行研究也是非常重要的，因?yàn)殡娮釉囊淮蟛蛔憔褪瞧錅囟确€(wěn)定性普遍不理想，而很多元件的工作環(huán)境復(fù)雜多變，對(duì)其性能的影響是很大的。比如我們工作中常常用到的三極管，在所處環(huán)境發(fā)生意外變化時(shí)，就會(huì)引發(fā)很多系數(shù)的變化，甚至影響到電路的正常運(yùn)行。溫度分析，也就是對(duì)電路在溫度下的特性進(jìn)行計(jì)算分析，這是其獨(dú)有的仿真功能，具有較強(qiáng)的可用性。

所得結(jié)果表明，在溫度發(fā)生較大變化的情況下，電路的輸出電壓與頻率特性是基本不發(fā)生變化的?？梢姡罘纸Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用能夠有效提升電路的溫度特性，進(jìn)而抑制由溫度變化所引發(fā)的電路特性改變。而這對(duì)確保電路的運(yùn)行穩(wěn)定性是非常重要的。

5 結(jié)語

總的來說，隨著電子產(chǎn)業(yè)的加快發(fā)展，電路規(guī)模隨之不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)方法已難以滿足實(shí)際需求，這就需要更多的用到仿真軟件來進(jìn)一步提升開發(fā)效率。PSpice 就是目前應(yīng)用最為廣泛的仿真軟件之一，它的應(yīng)用有效地提升了電路的各方面性能。PSpice 在電路優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，可以方便的處理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，生成較為直觀的數(shù)據(jù)圖表，極為方便快捷，其仿真性能不管是在精度上還是效果上都較為突出，能夠迅速、精確的對(duì)電路性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，大大的節(jié)省了開發(fā)時(shí)間和開發(fā)成本。此外，對(duì)于以往無法進(jìn)行的數(shù)據(jù)分析也可以利用該軟件來實(shí)現(xiàn)，通過對(duì)多個(gè)設(shè)計(jì)方案的對(duì)比，可從中選出最優(yōu)的方案，有效地改善電路質(zhì)量，達(dá)到電路優(yōu)化的最終目標(biāo)?？梢哉f，利用PSpice 對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，省去了大量的人工操作，大大提高了設(shè)計(jì)效率，且可以使得電路性能變得更加理想。但需要注意的是，所提供的電路已基本滿足設(shè)計(jì)需要的前提下，才能夠開始進(jìn)行優(yōu)化，此外還需分析調(diào)整哪些參數(shù)才能優(yōu)化電路的性能。