基于PSpice的RLC串聯(lián)電路的諧振分析單管放大電路的靜態(tài)工作點及交流掃描分析

1、課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名: 專業(yè)班級: 指導(dǎo)教師: 工作單位: 信息工程學(xué)院 題 目: 電路CAA課程設(shè)計基于PSpice的RLC串聯(lián)電路的諧振分析單管放大電路的靜態(tài)工作點及交流掃描分析初始條件:1. 提供實驗室機房及其PSpice軟件；2. 選RLC串聯(lián)或GCL并聯(lián)電路及RLC串聯(lián)電路。3. 選一單管放大電路。要求完成的主要任務(wù)：(包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求,以及說明書撰寫等要求):1、熟練運用PSpice軟件創(chuàng)建電路、模擬電路、顯示或繪制結(jié)果（至少有三條曲線以上）；2、使用該軟件進行二階電路的零狀態(tài)響應(yīng)分析（分三種情況：過阻尼、欠阻尼、臨界阻尼討論），使用該軟件進行RLC串聯(lián)電路的阻抗、

2、電流頻率特性分析（分三種Q值討論）；3、獨立完成課程設(shè)計說明書，課程設(shè)計說明書按學(xué)校統(tǒng)一規(guī)范來撰寫，具體包括： 目錄； 理論分析； 程序設(shè)計； 程序運行結(jié)果及圖表分析和總結(jié)； 課程設(shè)計的心得體會（至少800字，必須手寫。）； 參考文獻（不少于5篇）。時間安排: (1) 布置課程設(shè)計任務(wù)，查閱資料， 學(xué)習(xí)Pspice軟件 兩天； (2) 用Pspice軟件進行電路分析 一天半； (3) 完成課程設(shè)計報告書及答辯 一天半；參考文獻：1.電路第五版，邱關(guān)源，羅先覺，高等教育出版社，20042電路分析吳錫龍主編，高等教育出版社，20043PSPICE電路設(shè)計與應(yīng)用汪建民主編，國防工業(yè)出版社，2007指

3、導(dǎo)教師簽名: 年 月 日 系主任(或責(zé)任教師)簽名: 年 月 日 目錄1 PSPICE軟件簡介.12 RLC串聯(lián)電路的諧振分析.2.1 RLC串聯(lián)電路諧振原理分析.42.2 電路設(shè)計.52.21 RLC串聯(lián)電路.52.3仿真結(jié)果及所得曲線.62.3.1RLC串聯(lián)電路諧振.62.4 曲線分析及總結(jié).102.4.1 RLC串聯(lián)諧振電路的曲線分析.103 單管放大電路的靜態(tài)工作點及交流掃描分析.123.1 設(shè)計電路.123.2 電路分析.123.2.1 理論分析.123.2.2 靜態(tài)分析.133.2.3 動態(tài)分析.144 心得體會. .175 參考文獻. . .18本科生課程設(shè)計成績評定表.191

4、CAA設(shè)計軟件Pspice簡介從20世紀(jì)50年代晶體管電路逐步取代電子管電路以來，半導(dǎo)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)4個發(fā)展階段，使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。要分析和設(shè)計復(fù)雜的電子系統(tǒng)，人工分析、設(shè)計已不適用，必須采用計算機輔助分析與設(shè)計，即采用CAA與CAD(Computer Aided Analysis and Design)技術(shù)。正因為如此，CAA與CAD已經(jīng)成為分析和設(shè)計電子電路的關(guān)鍵技術(shù)之一，各種軟件也應(yīng)運而生，Spice和Pspice軟件

5、相繼問世。. Spice(Simulation Program with Intergraded Circuit Emphasis，側(cè)重于集成電路的模擬程序)是美國加利福尼亞大學(xué)伯克萊分校研制的模擬電路仿真標(biāo)準(zhǔn)軟件，從20世紀(jì)70年代初期問世以來已經(jīng)有20多個版本。Pspice是美國Microsim公司開發(fā)的眾多Spice不同分支中的一種，主要用于PC機上，實現(xiàn)電子電路設(shè)計的模擬和仿真。 Pspice可以進行模擬電路分析、數(shù)字電路分析和數(shù)模混合電路分析，因此在設(shè)計制作實際電路前，可以使用它模擬電路的性能，調(diào)整器件參數(shù)，分析電路的結(jié)構(gòu)，而且這種分析不受器件的數(shù)量、類型和損耗情況的限制，不需要任何

6、實際儀器。它還可以快速、方便、精確地評價電路設(shè)計的正確性，獲得電路的技術(shù)指標(biāo)，節(jié)省大量的時間和費用。同時，它還能反映元器件的改變對電路所造成的影響，分析一些較難測量的電路特性，例如噪聲、頻譜分析、失真、器件和環(huán)境溫度對電路的影響等，從而大大提高電路的設(shè)計質(zhì)量?？梢?Pspice軟件相當(dāng)于一個模擬的“實驗臺”，可以代替大部分制板實驗工作，所以一般來說，Pspice是進行實際電路工作前必要的仿真過程。但是要想利用它得到好的設(shè)計結(jié)果還必須具備使用此工具的熟練能力和豐富經(jīng)驗。 PSpice有很多優(yōu)點： 第一，Pspice的元器件模型庫提供了幾千種常用器件，包括電阻、電容、電感、晶體管和集成電路，用戶可

7、以直接調(diào)用，也可以自己建立模型，或?qū)熘幸延械钠骷Ｐ瓦M行修改。第二，利用Pspice的仿真功能，可以對一些傳統(tǒng)方法難以進行的實驗進行仿真模擬，比如電路的溫度特性、容差、靈敏度、最壞情況分析等，提高電路分析和設(shè)計的應(yīng)用范圍。第三，利用Pspice的圖表功能，可以對電路進行仿真測試，不僅能測試電路的靜態(tài)工作點、放大倍數(shù)、輸入輸出阻抗參數(shù)，還可以描繪模擬電路和數(shù)字電路中各測試點的波形，觀察器件或溫度的變化對電路性能的影響，比如飽和失真、截止失真、放大倍數(shù)的上升與下降等因素對器件的影響。第四，Pspice仿真系統(tǒng)中為用戶提供了節(jié)點訪問，用戶通過在電路中標(biāo)上節(jié)點號，然后就可以在仿真圖中觀測到各個節(jié)點以

8、及各節(jié)點之間的情況。同時，仿真結(jié)果圖還向用戶提供了加、減、乘、除等基本的數(shù)學(xué)運算，提供了絕對值、均方差、正弦、余弦、對數(shù)、指數(shù)等基本函數(shù)運算，這是其他軟件所無法比擬的。第五，Pspice實用性強，仿真效果好。因為如果用Protel等軟件仿真時，仿真過程復(fù)雜，當(dāng)改變某個參數(shù)，即使是電阻值或是電容值，都需要重新建立網(wǎng)絡(luò)表的連接，而在Pspice中，改變參數(shù)的仿真是非常容易實現(xiàn)的。第六，Pspice操作簡單、易學(xué)，高版本采用Windows界面、菜單式結(jié)構(gòu)，使用鼠標(biāo)和鍵盤熱鍵進行操作，工作效率更高。. 美國的OrCAD公司是世界上知名度很高的EDA公司。1998年OrCAD公司與開發(fā)Pspice軟件的

9、Microsim公司實現(xiàn)了強強聯(lián)合，推出了新版本OrCAD Pspice 9。OrCAD Pspice 9不僅大大豐富和完善了模擬電路的分析功能，也進一步增強了數(shù)字電路、數(shù)模混合電路的分析功能。OrCAD Pspice 9的邏輯模擬功能有：第一，分析數(shù)字電路輸出與輸入之間的邏輯關(guān)系；第二，分析數(shù)字電路的延遲特性；第三，對同時包含有模擬器件和數(shù)字器件的電路進行數(shù)?；旌夏M，可以同時顯示出電路內(nèi)部的模擬信號和數(shù)字信號波形；第四，檢查數(shù)字電路中是否存在時序異常和冒險競爭現(xiàn)象；第五，實現(xiàn)最壞情況邏輯模擬。目前，OrCAD公司已經(jīng)推出了Pspice最新版本Pspice 92，其功能更加完善Pspice仿

10、真軟件是省時、經(jīng)濟地從事科研工作的有力手段，它給電路設(shè)計者和軟件使用者提供了極大的便利，具有極大的工程應(yīng)用價值。 Pspice是計算機輔助分析設(shè)計中的電路模擬軟件。它主要用于所設(shè)計的電路硬件實現(xiàn)之前，先對電路進行模擬分析，就如同對所設(shè)計的電路用各種儀器進行組裝、調(diào)試和測試一樣，這些工作完全由計算機來完成。用戶根據(jù)要求來設(shè)置不同的參數(shù)，計算機就像掃描儀一樣，分析電路的頻率響應(yīng)，像示波器一樣，測試電路的瞬態(tài)響應(yīng)，還可以對電路進行交直流分析、噪聲分析、Monte Carlo統(tǒng)計分析、最壞情況分析等，使用戶的設(shè)計達到最優(yōu)效果。以往一個新產(chǎn)品的研制過程需要經(jīng)過工程估算，試驗板搭試、調(diào)整，印刷板排版與制作

11、，裝配與調(diào)試，性能測試，測試指標(biāo)不合格，再從調(diào)整開始循環(huán)，直至指標(biāo)合格為止。這樣往往需要反復(fù)實驗和修改。而仿真技術(shù)可將“實驗”與“修改”合二為一。為確定元件參數(shù)提供了科學(xué)的依據(jù)。它的優(yōu)點主要有：(1)為電路設(shè)計人員節(jié)省了大量的時間。(2)節(jié)省了各種儀器設(shè)備。(3)生產(chǎn)產(chǎn)品一致性好、可靠性高。(4)產(chǎn)品的更新率高、新產(chǎn)品投放市場快等。 Pspice程序采用改進節(jié)點法列電路方程，用牛頓-萊普生方法的改進算法進行非線性分析，用變節(jié)步長的隱式積分法進行瞬態(tài)分析，在求解線性代數(shù)方程組時，采用了稀疏矩陣技術(shù)。 本次課程設(shè)計即采用Pspice軟件進行電路圖繪制及仿真。2 RLC串聯(lián)電路的諧振分析21原理分析

12、2.1 .1RLC串聯(lián)諧振原理分析（1）本次設(shè)計采用3條RLC串聯(lián)支路，分3種Q值進行阻抗、電流頻率特性分析。在每一條RLC串聯(lián)電路中，在可變頻的電壓源V1的激勵下，由于感抗、容抗隨頻率變動，所以電路中的電流應(yīng)亦隨頻率變動。輸入阻抗頻率特性表示為由于串聯(lián)電路中同時存在電感L和電容C，兩者的頻率特性不僅相反，而且直接相減。所以可以肯定，一定存在一個頻率w0，使感抗容抗完全抵消，即X（jw0）=0.此時，（jw0）=0，RLC串聯(lián)電路發(fā)生串聯(lián)諧振，即電感電容同時存在，且滿足。則諧振頻率f0=RLC串聯(lián)諧振頻率只有一個，且只與R、L有關(guān)，與電阻R無關(guān)。（2）只有當(dāng)輸入信號V1的頻率與電路的固有頻率f

13、0相同時，才能在電路中激起諧振。電路在諧振時的電流I（j w0）為極大值，也是最大值，即諧振峰。當(dāng)V1的幅度不變，諧振峰僅與電阻R有關(guān)，改變R即能改變諧振峰的大小。(3)串聯(lián)諧振時，電抗電壓Ux（jw0）=0，L、C串聯(lián)端口相當(dāng)于短路兩者模值相等且反相，完全抵消，則定義諧振電路的品質(zhì)因數(shù)QQ Q值綜合反映了電路中三個參數(shù)對諧振狀態(tài)的影響。2.2 電路設(shè)計2.2.1 RLC串聯(lián)諧振電路設(shè)計圖3.1 RLC串聯(lián)諧振電路如圖所示，電路中用到的元器件有：電阻R1,R2,R3,其阻值分別為：1，2，1.電感L1,L2,L3的電感值分別為：30mh，35mh，35mh。電容C1,C2,C3，容值都為：0.

14、1u。其參數(shù)設(shè)置用控制變量法，以便于分別研究R,L,C對諧振的影響。2.3 仿真結(jié)果及所得曲線2.3.1 RLC串聯(lián)諧振分析在不同情況下頻率的取值范圍分別設(shè)置為：表4.1 各情況下所取頻率范圍表Start（單位：KHz）End（單位：KHz）只顯示I（R1）一條曲線時2.852.95只顯示I（R2）一條曲線時2.53.5只顯示I（R3）一條曲線時2.53.5顯示I（R1）I（R2）I（R3）三條曲線時2.53.5設(shè)置好后，執(zhí)行Pspice下Run，出現(xiàn)Probe窗口。執(zhí)行Trace下Add Trace命令即可看到I（R1）、I（R2）、I（R3）阻抗、電流頻率特性曲線。如圖： 圖4.1 R1支

15、路的頻率響應(yīng)曲線（R1支路諧振時，該支路電流達到最大）圖4.2 R2支路的頻率響應(yīng)曲線（R2支路諧振時，該支路電流達最大） 圖4.3 R3支路的頻率響應(yīng)曲線（R3支路諧振時，該支路電流達最大） 圖4.4 R123的頻率響應(yīng)曲線（諧振頻率與R無關(guān)，諧振峰與R成反比）圖4.5 阻抗曲線（諧振時，阻抗最?。﹫D4.6相頻響應(yīng)曲線2.4 曲線分析及總結(jié)2.4.1 RLC串聯(lián)諧振分析阻抗及頻率特性分析（1） R1支路，對該RLC串聯(lián)電路，當(dāng)諧振時阻抗 =R+=R1，為最小值，如圖4.5所示。此時電路中電流達到最大I(R1)=U/R1=1/2A=0.5A,如圖4.1所示。諧振頻率 f0=KHz，如圖波峰處。

16、品質(zhì)因數(shù)（2） R2支路，對該RLC串聯(lián)電路，當(dāng)諧振時阻抗 =R+=R2，為最小值，如圖4.5所示。此時電路中電流達到最大I(R2)=U/R2=1/2A=0.5A, 如圖4.2所示。諧振頻率 f0=KHz，如圖波峰處。品質(zhì)因數(shù)（3） R3支路，對該RLC串聯(lián)電路，當(dāng)諧振時，阻抗 =R+=R3，為最小值，如圖4.5所示。此時電路電流達到最大I(R3)=U/R3=1/1A=1A,如圖4.3所示。諧振頻率 f0=KHz，如圖波峰處。品質(zhì)因數(shù)（4）圖4.4對應(yīng)于R1、R2、R3支路，對該三支RLC串聯(lián)電路，在曲線圖中可以清楚的看到R值不同L、C值相同的R2支路、R3支路各自發(fā)生串聯(lián)諧振時：曲線峰值為同

17、一頻率，表明諧振頻率與R無關(guān)；曲線峰值大小不同，表明諧振峰與R有關(guān)，且成反比。在曲線圖中還可以看到L值不同R、C值相同的R1、R2支路各自發(fā)生串聯(lián)諧振時：曲線峰值不是同一頻率，表明諧振頻率與L有關(guān)，同理可分析諧振頻率與C值也有關(guān)。（5） 圖4.6顯示出R1、R2、R3三條支路的相頻響應(yīng)變化。3 單管放大電路的靜態(tài)工作點及交流掃描分析。3.1 設(shè)計電路 本電路設(shè)計采用了三極管的共集連接方式（射級輸出器）。具體電路如下圖：圖1.1 射級輸出器 3.2電路分析如圖所示，本設(shè)計電路是為了實現(xiàn)三極管的單管放大功能，則應(yīng)該保證其中的三極管能夠正常放大。如下圖所示，該圖為其直流通路，工作電壓選取三極管2N3

18、904的額定工作電壓12V。然后，為了減小信號源的輸出波動以及一些不可預(yù)知因素，在本設(shè)計中作者加入了由和組成的基級分壓式射級偏置電路來穩(wěn)定該三極管的靜態(tài)工作點，避免三極管受到輸入信號波動和溫度變化的影響（具體見后的交流掃描的溫度分析），而使得三極管工作在非線性區(qū)，從而產(chǎn)生意外的非線性失真。具體而言，=100k,且=30k，近乎于3：1的比例，從而可以將基級的電位穩(wěn)定在2.5V左右（經(jīng)過靜態(tài)分析之后得到該基級電位是2.544V）。然后三極管的基級與射級的壓降是0.7V左右（經(jīng)過靜態(tài)分析之后得到壓降具體是0.673V），射級的電位是1.8V左右（經(jīng)過靜態(tài)分析之后得到該射級電位是1.871V）。圖2

19、.1.1.1 直流通路電路圖由圖可知，由于電阻對靜態(tài)工作點的自動調(diào)節(jié)（負反饋）作用，該電路的Q點基本穩(wěn)定。本電路設(shè)計中的=3.3k , =1.3k 。則是為了控制電流在三極管線性工作區(qū)域內(nèi)，而不至于太大產(chǎn)生飽和失真。其中集電極電流為1.429mA,基級電流是0.9753mA。如下式：3.2.2 動態(tài)分析圖2.1.2.1 交流等效電路用BJT的H參數(shù)小信號模型取代圖1.1中的BJT，即可得到共集電極放大電路的小信號等效電路，如圖所示。根據(jù)電壓增益、輸入電阻的定義，由圖2.1.2.1可分別得到、的表達式：1+,且(Re/RL)>>rbeRiRb/(Re/RL) 3.2.2靜態(tài)分析靜態(tài)工

20、作點分析設(shè)置如下：圖2.2.1 靜態(tài)工作點設(shè)置靜態(tài)工作點分析如圖：圖2.2.2 靜態(tài)工作點（電壓標(biāo)記）圖2.2.3 靜態(tài)工作點（電流）圖2.2.4 靜態(tài)工作點（功率）3.2.3動態(tài)分析3.2.3.1時域分析（瞬態(tài)分析）：在設(shè)置中，可以設(shè)置波形圖中有5個周期，即5ms。信號源采用的是1kHz，則設(shè)置如下圖2.3.1.1 瞬態(tài)分析設(shè)置波形圖如下（電壓、電流只截取了前三個周期）：圖2.3.1.2電壓輸出波形圖2.3.1.3電流輸出波形射級輸出器是對電壓保持輸出基本不變，對電流放大，由上兩圖可知其電路放大倍數(shù)為1.5uA/380nA=3.94.3.2.3.2交流分析: 設(shè)置如下：圖2.3.2.1 通頻

21、帶分析設(shè)置幅頻與相頻曲線輸出波形圖：圖2.3.2.2幅頻曲線通頻帶為上限頻率減去下限頻率，即：23.968M-3.7504=23.968M圖2.3.2.2 相頻曲線可以看出，通頻帶中的相位變化不大。故在通頻帶中，相位穩(wěn)定。4.心得體會（另附頁） 心得體會這次課程設(shè)計的完成過程比較漫長，在設(shè)計的完成過程中出現(xiàn)了各種各樣的問題。但是，經(jīng)過詢問同學(xué)，網(wǎng)上查資料，已經(jīng)查閱相關(guān)的參考資料，這些問題都得到了很好的解決。在課設(shè)完成后，我發(fā)現(xiàn)我對于電路的理解更進了一步，對相關(guān)的原理也理解的更透徹了。在設(shè)計中，最先出現(xiàn)的問題，也是我最陌生的問題就是軟件的應(yīng)用。因為從來沒有接觸過，加之我對電腦的應(yīng)用也不是很精通，使我在學(xué)習(xí)的過程中出現(xiàn)了很多問題。首先，我像班級里的對電腦比較精通的同學(xué)教會我怎樣安裝，運行軟件;然后，我通過自己查找參考書和在網(wǎng)上搜索，逐步學(xué)習(xí)和摸索軟件中的各項應(yīng)用，和它的原理，作用。逐漸的學(xué)會了軟件的應(yīng)用。在課設(shè)的進行中，我的基礎(chǔ)知識不夠扎實的漏洞就暴露出來了。因為在課本的理論學(xué)習(xí)中在老師講課時沒有認真聽講，錯過了很多要點，使得對原理的理解，學(xué)習(xí)都一知半解，就算了解了業(yè)不透徹。而在課程設(shè)計的進行中，所有實驗的原理，電路，還有結(jié)果分析都是自己完成，因此對基本功的要求很高。為了克服這個難題，我從新翻開課本，把需要的原理部分以及原來做