《電路仿真與PCB設(shè)計(jì)》課件第3章

3.1晶體管基本放大電路的仿真

3.2諧振電路的仿真

3.3含有運(yùn)放的直流電路的仿真

3.4有源負(fù)載電路的仿真

第3章PSpice軟件的實(shí)際應(yīng)用

3.1.1設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)

1.用Schematics創(chuàng)建電路圖

(1)打開電路圖編輯器Schematics。運(yùn)行Schematics，進(jìn)入電路圖編輯器界面。

下面我們將按圖3-1所示進(jìn)行電路圖編輯。3.1晶體管基本放大電路的仿真圖3-1電路編輯器最后編輯的電路圖

(2)選擇晶體三極管，更改模型屬性。選取菜單【Draw】中的【GetNewPart】項(xiàng)，在彈出的元器件瀏覽對(duì)話框中的【PartName】輸入晶體管的型號(hào)Q2N3904，單擊【Place&Close】確定，將晶體管的名稱設(shè)置為Ql。這里要修改該晶體管的放大倍數(shù)，將其改為50。下面來(lái)看看PSpice是如何更改元器件參數(shù)的屬性的。

首先單擊要更改參數(shù)的晶體管Ql(如被選中將呈現(xiàn)紅色)，然后單擊菜單【Edit】中的【Model】項(xiàng)，彈出模型編輯框“EditModel”，再單擊上面的【EditInstanceModel(Text)】按鈕，彈出模型編輯框“ModelEditor”如圖3-2所示，將其中的“Bf”值改成50，然后單擊【OK】按鈕確認(rèn)即可。圖3-2模型編輯框

(3)選取電阻元件，并修改其參數(shù)屬性。在菜單【Draw】中選擇【Place】，填入“R”，然后在如圖3-1所示電路圖中合適的位置以同樣的方法放置5個(gè)電阻。雙擊電阻的名稱，將5個(gè)電阻的名稱依次設(shè)為Rb1、Rb2、Rc、Re和RL，然后雙擊電阻阻值的大小并將它們的大小依次改為33?k、10?k、3.3?k、1.3?k和5.1?k。

(4)選取電容，修改其參數(shù)屬性。在菜單項(xiàng)【Draw】中選擇【GetNewPart】，然后在彈出的元件瀏覽對(duì)話框中填入“C”，將電容放置到如圖3-1所示電路的合適位置。用同樣的方法再取出3個(gè)電容。雙擊各個(gè)電容的名稱，將它們依次命名為C1、C2，C3，雙擊它們的大小，將它們的大小依次設(shè)置為10μF、10μF和50μF?，F(xiàn)在讀者對(duì)如何放置一般的元器件并修改它們的參數(shù)特性已經(jīng)掌握，后面就不再詳細(xì)介紹了。

(5)選取其他的元器件。選取直流電壓源(VDC)、正弦瞬態(tài)源(VSIN)、連接器(BUBBLE)、地(EGND)，并設(shè)置其參數(shù)屬性，如圖3-1所示。

(6)用導(dǎo)線按照?qǐng)D3-1所示連接電路圖，保存繪制好的電路圖。

2.對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的溫度穩(wěn)定性分析

電路圖編輯好后讀者就可以設(shè)置想要分析的類型了，這里先了解此電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。選擇菜單項(xiàng)【Analysis】中的【Setup】項(xiàng)，彈出分析類型設(shè)置對(duì)話框如圖3-3所示，確定靜態(tài)工作點(diǎn)分析“BiasPointDetail”項(xiàng)被選中，然后單擊【Close】按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。圖3-3設(shè)置為靜態(tài)工作點(diǎn)分析設(shè)置完后，單擊菜單【Analysis】中的【Simulate】項(xiàng)，在PSpiceA/D計(jì)算完成后，就可以看電路的靜態(tài)工作點(diǎn)了。單擊菜單項(xiàng)【Analysis】中【DisplayResultsonSchematics】的【Enable】項(xiàng)，然后選擇【DisplayResultonSchematics】中的【EnableVoltageDisplay】和【EnableCurrentDisplay】，此時(shí)在電路圖編輯器的界面下可明顯地看到電路的靜態(tài)工作電壓和靜態(tài)工作電流，如圖3-4所示。從圖中我們可以明顯看到Ib=33.15μA，Ic=1.400mA，Vce=7.380?-?1.863?=?5.517V，這就是該電路的直流工作點(diǎn)。圖中所示的各個(gè)電壓和電流值的有效位數(shù)是可以調(diào)節(jié)的，單擊菜單【Analysis】中【DisplayResultonSchematics】中的【DisplayOption】項(xiàng)，彈出如圖3-5所示的對(duì)話框，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)有效位數(shù)的顯示設(shè)置。圖3-4電路圖編輯器給出的靜態(tài)工作電流和電壓圖3-5數(shù)據(jù)有效位數(shù)設(shè)置對(duì)話框一般的放大電路隨著溫度的變化直流工作點(diǎn)會(huì)有漂移，這使靜態(tài)工作點(diǎn)不穩(wěn)定，輸出波形產(chǎn)生嚴(yán)重的畸變，導(dǎo)致放大電路不能正常工作，這將在后面講到。而上述的放大電路是靜態(tài)工作點(diǎn)較穩(wěn)定的電路，下面用PSpice來(lái)分析該放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)的溫度穩(wěn)定性。用PSpice對(duì)電路進(jìn)行直流掃描分析，掃描變量設(shè)為溫度，就可以看出該電路的這個(gè)特性。

(1)打開分析類型設(shè)置對(duì)話框。選擇菜單項(xiàng)【Analysis】中的【Setup】項(xiàng)，在彈出的分析類型設(shè)置對(duì)話框中選中直流掃描分析“DCSweep”，單擊【DCSweep】按鈕，彈出直流掃描分析設(shè)置框，按照?qǐng)D3-6所示進(jìn)行設(shè)置。圖3-6直流掃描分析對(duì)溫度掃描的設(shè)置

(2)選擇菜單項(xiàng)【Analysis】中的【Simulate】，調(diào)用PSpiceA/D對(duì)電路進(jìn)行仿真計(jì)算。

(3)在電路圖編輯器界面下選擇菜單項(xiàng)【Markers】中的【ClearAll】，清除所有的“Markers”。然后單擊菜單【Markers】中的【MarkCurrentintopin】，把“CurrentMarker”加在晶體管Q3的集電極上。

(4)激活Probe。在Probe界面下看到了Ic(Q1)和溫度的函數(shù)曲線。利用Probe界面下的光標(biāo)工具Cursor，測(cè)得當(dāng)溫度為－30℃和70℃時(shí)Ic(Q1)分別為1.2724mA和1.4864mA，曲線如圖3-7所示。圖3-7Ic(Q1)隨溫度變化的曲線

3.靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)動(dòng)態(tài)范圍的影響

以上對(duì)直流工作點(diǎn)進(jìn)行了計(jì)算和溫度穩(wěn)定性的仿真和討論，下面來(lái)了解電路的工作點(diǎn)設(shè)置對(duì)電路的影響。

(1)靜態(tài)工作點(diǎn)在截止區(qū)。這種情況下，首先要修改電路。雙擊電阻Rb2的大小，將電阻Rb2的大小設(shè)成6?k，保存電路。雙擊正弦電壓源Vs，彈出它的屬性設(shè)置對(duì)話框，按照?qǐng)D3-8所示進(jìn)行設(shè)置。將電壓偏移“VOFF”設(shè)為0?V，電壓幅度“VAMPL”設(shè)為50?mV，正弦電壓源的頻率“FREQ”設(shè)為1?kHz。在每次更改參數(shù)的值后，都要單擊【SaveAttr】按鈕將該屬性保存，否則它會(huì)彈出對(duì)話框提示保存屬性。屬性設(shè)置完畢后，單擊【OK】按鈕確認(rèn)。電路更改完畢。圖3-8正弦電壓源的屬性設(shè)置然后進(jìn)行分析類型的設(shè)置。選擇菜單項(xiàng)【Analysis】中的【Setup】，在彈出的分析類型選擇對(duì)話框中取消原來(lái)的直流掃描分析“DCSweep”，選中瞬態(tài)分析“Transient”，單擊【Transient】按鈕，在彈出的瞬態(tài)分析設(shè)置框(如圖3-9所示)中對(duì)瞬態(tài)分析進(jìn)行設(shè)置。其中打印步長(zhǎng)“PrintStep”設(shè)為20?ns，終止時(shí)間“FinalTime”設(shè)為5?ms，最大步長(zhǎng)“StepCeiling”設(shè)置為1μs。單擊【OK】按鈕確認(rèn)。圖3-9瞬態(tài)分析設(shè)置現(xiàn)在調(diào)用PSpiceA/D來(lái)對(duì)電路進(jìn)行仿真。選擇菜單【Analysis】中的【Simulate】項(xiàng)對(duì)電路進(jìn)行仿真。再選擇菜單【Markers】中的【MarkCurrentintoPin】，將“CurrentMarker”放置到連接器out的一端，以便在Probe中觀察放大電路輸出的波形。圖3-10顯示直流工作點(diǎn)先來(lái)看看Rb2為6k時(shí)，電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。進(jìn)入Schematics界面下，選中菜單項(xiàng)【Analysis】中的【DisplayResultsonSchematics】下的【Enable】，然后單擊菜單【Analysis】，選中【DisplayResultsonSchematics】中的【EnableCurrentDisplay】和【EnableVoltageDisplay】?jī)身?xiàng)，在Schematics下的電路圖中就可觀察到電路的靜態(tài)工作點(diǎn)(如圖3-10所示)，可以看出Ic(Q1)?=?881.90μA，Vce(Q1)?=?9.090V。激活Probe，觀察輸出的波形曲線，如圖3-11所示。從圖中可以明顯地看出，輸出波形出現(xiàn)了正半周切頂、截止失真，其動(dòng)態(tài)范圍為1.6527V。這是由于靜態(tài)工作點(diǎn)太低，當(dāng)輸入信號(hào)逐漸增大時(shí)，輸出電壓首先出現(xiàn)了截頂失真。圖3-10顯示直流工作點(diǎn)圖3-11工作點(diǎn)在截止區(qū)時(shí)放大器的輸出波形

(2)工作點(diǎn)工作在飽和區(qū)。首先將Rb2的大小改為20k。雙擊與晶體管Q1的發(fā)射極和集電極連接的導(dǎo)線，分別給這兩段導(dǎo)線命名為“Le”和“Lc”，如圖3-12所示。給導(dǎo)線命名有很多好處，可以在網(wǎng)單文件中清晰地看出各個(gè)節(jié)點(diǎn)，以便于分析和保存電路圖。

然后選擇菜單【Analysis】中的【Simulate】，開始仿真計(jì)算，在這里由于還是進(jìn)行瞬態(tài)分析，而且分析的設(shè)置一樣，所以就沒有重復(fù)進(jìn)行設(shè)置。也可以通過(guò)網(wǎng)單文件來(lái)分析電路。選中菜單【Analysis】中的【ExamineOutput】，觀察輸出網(wǎng)單文件(讀者可自行生成并分析)。圖3-12給導(dǎo)線命名從網(wǎng)單文件中可以得到很多該電路的各個(gè)參數(shù)信息，包括分析類型、輸入電路網(wǎng)單文件、別名語(yǔ)句、晶體管的模型參數(shù)、各個(gè)節(jié)點(diǎn)的直流電壓、電壓源的工作情況及功耗和晶體管的直流工作點(diǎn)。從網(wǎng)單文件中關(guān)于晶體管的直流工作點(diǎn)輸出中，可以非常容易地得到靜態(tài)工作點(diǎn)Ic和Vce，這個(gè)放大電路的工作點(diǎn)Ic?=?2.34mV，Vce?=1.17V。其中Vce還可以根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的直流電壓得出Vce?=?VLc－VLe?=4.2841?V－

3.1152?V?=?1.17?V。只有學(xué)好電路的描述語(yǔ)句才能把相關(guān)的網(wǎng)單文件看明白，電路描述語(yǔ)句可參考其他相關(guān)資料，本書由于篇幅等原因不再介紹。此時(shí)的直流工作點(diǎn)我們已經(jīng)得到，工作點(diǎn)明顯比Rb2?=?6?k時(shí)提高了。下面利用Probe來(lái)觀察輸出的波形曲線。激活Probe，得到如圖3-13所示的輸出波形。圖3-13工作點(diǎn)在飽和區(qū)時(shí)的輸出波形曲線

(3)工作點(diǎn)工作在放大區(qū)。首先，將Rb2的大小改為14?k，然后雙擊正弦電壓源，在彈出的屬性設(shè)置對(duì)話框中更改其大小改為20mV，保存電路圖。

分析類型的設(shè)置都不用改，選擇菜單項(xiàng)【Analysis】中的【Simulate】進(jìn)行仿真計(jì)算。計(jì)算完后，選擇菜單【Analysis】中的【ExamineOutput】項(xiàng)，在輸出的網(wǎng)單文件的晶體管直流工作電流中找到電路的靜態(tài)工作點(diǎn)Ic?=?1.84?mA，Vce?=?3.46?V。

最后激活Probe觀察輸出的波形，輸出波形如圖3-14所示。圖3-14工作點(diǎn)在放大區(qū)時(shí)的輸出波形曲線3.1.2計(jì)算放大電路的輸入輸出電阻

1.輸入電阻的測(cè)量

選中原來(lái)的輸入正弦電壓源，按“Del”鍵將其刪除。然后單擊菜單項(xiàng)【Draw】中的【GetNewPart】，打開元器件瀏覽對(duì)話框，在“PartName”框中輸入“VAC”，單擊【Place&Close】，將此元件放在合適的位置。VAC是交流電壓源，用于進(jìn)行交流小信號(hào)分析。雙擊該元件的名稱，將其命名為V1，然后雙擊該元件，彈出屬性設(shè)置對(duì)話框，如圖3-15所示。將交流電壓源的大小“ACMAG”設(shè)成15?mV，相位“ACPHASE”設(shè)置成0。單擊【OK】按鈕確認(rèn)。在更改每項(xiàng)屬性時(shí)都要單擊“SaveAttr”保存屬性設(shè)置。圖3-15交流電壓源屬性設(shè)置

修改完電路后，將電路圖保存。選中菜單【Analysis】中的【Setup】項(xiàng)，打開分析類型選擇對(duì)話框，取消瞬態(tài)分析“Transient”，然后選中交流小信號(hào)分析“ACSweep”。單擊按鈕【ACSweep】，彈出交流小信號(hào)分析對(duì)話框，按照?qǐng)D3-16所示進(jìn)行設(shè)置。其中交流掃描類型“ACSweepType”選擇“Decade”，表示按照數(shù)量級(jí)進(jìn)行掃描了；掃描參數(shù)“SweepParameters”框中“Pts/Decade”中設(shè)為101，表示每個(gè)數(shù)量級(jí)中掃描100個(gè)點(diǎn)，起始頻率“StartFreq”設(shè)置為10Hz，終止頻率“EndFreq”設(shè)置為10MHz。單擊【OK】按鈕確認(rèn)。圖3-16交流掃描分析設(shè)置選擇菜單【Analysis】中的【Simulate】，開始仿真計(jì)算。在仿真計(jì)算完成后，激活Probe，選擇菜單【Trace】中的【DeleteAll】，然后單擊菜單【Trace】中的【Add】，彈出跟蹤變量選擇框“AddTraces”，如圖3-17所示。圖3-17跟蹤變量選擇框這時(shí)會(huì)在Probe界面下出現(xiàn)輸入電阻R(in)=V(in)/I(Cl)隨頻率變化的掃描曲線，如圖3-18所示。選擇菜單【Tools】中的【Cursor】的【Display】項(xiàng)，調(diào)出Cursor工具，測(cè)得在中頻階段輸入電阻大約為0.577?k。圖3-18輸入電阻隨頻率變化的曲線

2.輸出電阻的測(cè)量

首先修改電路。將原來(lái)電路的交流電壓源V1的信號(hào)幅度設(shè)為0，這就表示撤掉了輸入信號(hào)源；然后將負(fù)載電阻RL的大小改為5000?M，這相當(dāng)于短路。然后選擇菜單【Draw】中的【GetNewPart】項(xiàng)打開元器件瀏覽對(duì)話框，在“PartName”框中輸入“VAC”，將該交流電壓源放到合適的位置，然后雙擊該電壓源的名稱，將其命名為V2，雙擊該電壓源的大小，將其大小設(shè)置為15?mV。以同樣的方法取出地(EGND)、連接器(BUBBLE)，將該連接器命名為out。連接如圖3-19所示。保存電路圖。圖3-19測(cè)量輸出電阻時(shí)的電路圖計(jì)算完畢后，激活Probe。單擊菜單【Trace】中【Add】項(xiàng)，打開“AddTrace”對(duì)話框進(jìn)行編輯，使其中文本框“TraceExpression”為V(out)/(C2)，然后單擊【OK】按鈕確認(rèn)。在Probe界面下會(huì)看到下面的V(out)/(C2)隨頻率變化的曲線，也就是輸出電阻隨頻率變化的曲線，如圖3-20所示。從該曲線可以看出輸出電阻隨頻率的增大而逐漸減小，在中頻段有很長(zhǎng)一部分幾乎處于一條直線，利用Probe提供的光標(biāo)工具“Cursor”可以測(cè)得在中頻時(shí)輸出電阻約為3.057kΩ。這里輸出電阻的變化主要是由輸出耦合電容引起的。輸出電阻的測(cè)量還可以利用另外一種方法，也就是利用直流傳輸函數(shù)分析直接計(jì)算，具體如何實(shí)現(xiàn)這里就不介紹了，讀者可以查閱相關(guān)資料。圖3-20輸出電阻隨頻率變化的曲線3.1.3放大電路的頻響特性及其電壓增益

放大電路的目標(biāo)就是將微弱的信號(hào)放大到合適的大小，以便于檢測(cè)、分析。電壓增益是一個(gè)放大電路最關(guān)心的問(wèn)題。先來(lái)看看圖3-19電路的電壓增益。

將圖3-19的電路改為測(cè)量放大電路輸入電阻時(shí)的形式。將交流信號(hào)源V2和與之相連的連接器(out)和地(EGND)刪除。將負(fù)載電阻改為5.1k，然后將輸入的交流信號(hào)源V1的大小改為15?mV。保存電路圖。分析類型采用交流掃描分析。單擊菜單項(xiàng)【Analysis】中的【Setup】，打開分析類型選擇對(duì)話框，然后單擊【ACSweep】按鈕，彈出交流掃描分析設(shè)置框。交流掃描分析設(shè)置如圖3-21所示，其他的均未改變，和輸入輸出電阻時(shí)設(shè)置的一樣，只是將終止頻率“EndFreq”設(shè)置為100MHz。圖3-21交流掃描分析然后選擇菜單【Analysis】中的【Simulate】項(xiàng)，開始仿真計(jì)算。計(jì)算結(jié)束后，激活Probe。單擊菜單【Trace】中的【Add】項(xiàng)，彈出跟蹤變量設(shè)置對(duì)話框“AddTraces”。在左右兩邊的列表框中進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇，使“TraceExpressions”中為V(out)/V(in)，單擊【OK】按鈕確認(rèn)。則在Probe中輸出的V(out)/V(in)隨頻率變化的曲線即電壓增益隨頻率變化的曲線，如圖3-22所示。在Probe中，利用菜單【Tools】下的光標(biāo)工具“Cursor”測(cè)量中頻段時(shí)電壓增益約為130。圖3-22電壓增益隨頻率變化曲線首先選擇菜單【AnaIysisn】中的【ProbeSetup】，彈出Probe的設(shè)置對(duì)話框，如圖3-23所示。圖3-23對(duì)Probe進(jìn)行設(shè)置

(1)然后將耦合電容Cl的大小設(shè)為1000μF(足夠大)，輸出藕合電容C2為10μF，旁路電容C3為50μF，而其他的元件屬性不變，并在連接器(out)上加一個(gè)“VoltageMarker”。下面進(jìn)行分析設(shè)置，打開交流掃描分析對(duì)話框，按照?qǐng)D3-24進(jìn)行設(shè)置。然后單擊【OK】按鈕確認(rèn)。將文件另存為fangdal。圖3-24交流掃描分析設(shè)置

(2)將輸出耦合電容C2改為1000μF(足夠大)，輸入耦合電容Cl為10?μF，旁路電容C3為50?μF，其他元件不變，并在連接器(out)上加一個(gè)“VoltageMarker”。分析設(shè)置也采用交流掃描分析，設(shè)置如圖3-24所示。將文件另存為fangda2。

(3)將旁路電容C3的大小設(shè)為1000?μF(足夠大)，輸入耦合電容C1為10?μF，輸出耦合電容C2為10?μF，其他元件不變，并在連接器(out)上加一個(gè)“VoltageMarker”。分析設(shè)置采用交流掃描分析，設(shè)置如圖3-24所示，將文件另存為fangda3。

(4)將輸入耦合電容C1的大小設(shè)為10?μF，輸出耦合電容C2設(shè)為10?μF，旁路電容C3的大小設(shè)為50?μF，其他元件屬性不變，并在連接器(out)上加一個(gè)“VoltageMarker”。分析設(shè)置也采用交流掃描分析，設(shè)置如圖3-24所示，將文件另存為fangda4。

打開文件fangdal，選擇菜單【Analysis】中的【Simulate】進(jìn)行仿真計(jì)算。計(jì)算完畢后，激活Probe。在Probe中看到了V(out)隨頻率變化的曲線。然后依次將三個(gè)電路(fangda2、fangda3及fangda4)進(jìn)行仿真。每次仿真完后在Probe中就會(huì)多一條曲線。對(duì)四個(gè)電路仿真完畢后，在Probe中可看到在同一屏幕上出現(xiàn)了四條曲線，如圖3-25所示，分別是四個(gè)電路文件仿真得到的V(out)/V(in)隨頻率變化的輸出波形曲線。圖3-25幾種情況低頻響應(yīng)的比較如圖3-26所示的RLC串聯(lián)諧振電路，利用PSpice測(cè)試該電路的幅頻特性，確定其通帶寬，如果通帶寬小于40kHz，試采用耦合諧振的方式改進(jìn)電路，使其通帶寬滿足設(shè)計(jì)要求。

具體操作步驟如下：

(1)在PSpice的Schematics環(huán)境下編輯電路。取出元件，擺放到合適的位置，畫導(dǎo)線連接電路，電路圖連接完畢，再給每個(gè)元件分別賦值。為了觀察仿真結(jié)果的輸出波形，還應(yīng)在電路中設(shè)置支路電流標(biāo)識(shí)符。3.2諧振電路的仿真圖3-26RLC串聯(lián)諧振電路

(2)單擊【Analysis/ElectricalRuleCheck】對(duì)電路做電路規(guī)則檢查。注意有無(wú)懸浮節(jié)點(diǎn)和零參考點(diǎn)等。如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，則重新修改編輯電路，重新進(jìn)行電路規(guī)則檢查，直到?jīng)]有錯(cuò)誤為止，然后就可以進(jìn)行下一步工作了。

(3)單擊【Analysis/Setup】對(duì)所編輯的電路進(jìn)行分析類型的設(shè)置?？梢栽O(shè)置當(dāng)前電路為交流掃描分析。設(shè)置為線性掃描，掃描點(diǎn)數(shù)為100，開始頻率為450kHz，結(jié)束頻率為

1500kHz。設(shè)置完成后可以對(duì)編輯的電路進(jìn)行仿真計(jì)算了。

(4)設(shè)置仿真計(jì)算完成后，將自動(dòng)調(diào)用圖形后處理程序，運(yùn)行仿真程序，輸出波形如圖3-27所示。圖3-27Probe圖形窗口輸出的圖形由圖3-27可以知道，電路的諧振頻率為1MHz，通帶寬小于40kHz，不滿足設(shè)計(jì)要求。改進(jìn)后的電路如圖3-28所示。圖3-28改進(jìn)后的電路圖

(5)按照上述步驟連接電路，其中耦合電感的參數(shù)設(shè)置為：L1?=?100?μH，L2?=?100?μH，耦合系數(shù)COUPLE?=?0.022。然后進(jìn)行電路規(guī)則檢查，再對(duì)編輯好的電路進(jìn)行仿真計(jì)算，自動(dòng)調(diào)用圖形后處理程序，可以得到如圖3-29所示的波形。圖3-29Probe圖形窗口輸出的圖形含有運(yùn)放的直流電路如圖3-30所示。接下來(lái)我們研究如何利用PSpice求解電路中R1，R2的電流和運(yùn)放的輸出電壓；同時(shí)在(0～4)V范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電壓源V1的源電壓，觀察運(yùn)放輸出電壓Vn2的變化，總結(jié)運(yùn)放輸出電壓Vn2與源電壓V1之間的關(guān)系。確定該電路電壓比(Vn2/V1)的線性工作區(qū)。3.3含有運(yùn)放的直流電路的仿真圖3-30含有運(yùn)放的直流電路具體操作步驟如下：

(1)在PSpice的Schematics環(huán)境下編輯電路。取出元件，擺放到合適的位置，畫導(dǎo)線連接電路，電路圖連接完畢，再給每個(gè)元件分別賦值。其中運(yùn)放在Analog.slb庫(kù)中選取LF411。注意維持運(yùn)放正常工作所需要的兩個(gè)偏置電源的正負(fù)極。為了觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果的輸出波形，還要在電路中設(shè)置節(jié)點(diǎn)電壓標(biāo)識(shí)符。

(2)單擊【Analysis/ElectricalRuleCheck】對(duì)電路做電路規(guī)則檢查。注意有無(wú)懸浮節(jié)點(diǎn)和零參考點(diǎn)等。如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，則重新修改編輯電路，重新進(jìn)行電路規(guī)則檢查，直到?jīng)]有錯(cuò)誤為止。

(3)單擊【Analysis/Setup】對(duì)所編輯的電路進(jìn)行分析類型的設(shè)置。本例可以設(shè)置當(dāng)前電路為直流掃描分析。掃描變量類型選“VoltageSource”，掃描變量名為V1，選中線性掃描，掃描變量開始值為0?V，掃描變量結(jié)束值為4?V，線性掃描時(shí)掃描變量的增量為1?V。

(4)仿真運(yùn)算后，單擊仿真工具欄里的顯示電壓和顯示電流，結(jié)果表明，當(dāng)V1為1V時(shí)，Vn2為-4?V，IR1和IR2的值都為1mA。

(5)設(shè)置仿真計(jì)算完成后，將自動(dòng)調(diào)用圖形后處理程序，運(yùn)行仿真程序，輸出波形如圖3-31所示。圖3-31Probe圖形窗口輸出的圖形為了在各種應(yīng)用中滿足要求，電流源應(yīng)具備以下條件：

(1)能夠輸出符合要求的直流電流。

(2)交流輸出電阻大。

(3)對(duì)溫度的靈敏度低。

(4)靜態(tài)電流受電壓源變化的影響小。

下面介紹鏡像電流源、威爾遜電流源和微電流源的基本特點(diǎn)，并對(duì)這三種電流源的一些性能進(jìn)行仿真分析并比較。3.4有源負(fù)載電路的仿真3.4.1鏡像電流源

電流源一般都是利用鏡像電流源電路進(jìn)行改造而得，所以掌握鏡像電流源非常重要。

鏡像電流源原理圖如圖3-32所示。圖中兩個(gè)晶體管的參數(shù)完全相同，由于發(fā)射極的結(jié)電壓相同，導(dǎo)致集電極的電流Ic1和Ic2近似相等，進(jìn)而有輸出電流Io近似等于電流Ir。這樣就可以通過(guò)調(diào)節(jié)電流k來(lái)調(diào)節(jié)電流Io的大小，而改變電阻R的大小就可以調(diào)節(jié)電流Ir的大小。由于鏡像電流源的參考電流與輸出電流呈鏡像關(guān)系，所以鏡像電流源通常又被稱為電流鏡。圖3-32鏡像電流源原理圖

1.用Schematics建立鏡像電流源的電路圖

(1)打開Schematics，確認(rèn)是在Schematics界面進(jìn)行編輯。編輯的電流鏡的電路圖如圖3-33所示。

(2)在菜單【Draw】中選擇【GetNewPart】，然后在彈出的元件瀏覽對(duì)話框中的“PartName”中輸入R，單擊【P1ace&C1ose】，將電阻放置在合適的位置，并修改其屬性，其大小設(shè)為10?k，命名為R1，如圖3-33所示。

(3)用上面同樣的方法取出兩個(gè)PNP型晶體管Q2N2907A，分別命名為Q1和Q2。圖3-33電流鏡的電路圖

(4)取出直流電壓源VDC，將其命名為V1，大小設(shè)置為12?V。然后在菜單【Draw】中選擇【GetNewPart】項(xiàng)，彈出元件瀏覽對(duì)話框，在“PartName”框中雙擊“VSRC”的圖形，然后將其放置到合適的位置。雙擊該電壓源的名稱，在彈出的屬性設(shè)置對(duì)話框中的“ReferenceDesignator”項(xiàng)中輸入V2，單擊【OK】按鈕確認(rèn)，就將其命名為V2。雙擊“VSRC”的圖形，彈出屬性設(shè)置對(duì)話框，對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，如圖3-34所示。其中直流電壓“DC”設(shè)置為0V，交流電壓“AC”設(shè)置為100?mV，瞬態(tài)電壓“TRAN”不用設(shè)置。電壓源VSRC的特點(diǎn)是可以同時(shí)設(shè)置直流電壓、交流電壓以及瞬態(tài)源的值。圖3-34電源VSRC的設(shè)置

(5)取出地(EGND)，放置在合適的位置。用導(dǎo)線將電路按照?qǐng)D3-33所示連接。然后雙擊圖3-33中所示的兩根導(dǎo)線，將其分別命名為“1”和“2”。保存電路圖，將該電路圖命名為dianliujing1.sch。

2.分析電流源的電流鏡像特性

打開分析類型選擇對(duì)話框，只選擇其中的直流工作點(diǎn)分析“BiasPointDetail”，其他的均不選中。然后選擇菜單【Analysis】中的【Simulate】，開始進(jìn)行分析計(jì)算。仿真完畢后，在菜單【Analysis】中選擇【ExamineOutput】，查看輸出網(wǎng)單文件(包括分析類型設(shè)置、輸入網(wǎng)單文件、別名語(yǔ)句、晶體管參數(shù)等內(nèi)容)，見表3-1。表3-1鏡像電流源的網(wǎng)單文件在菜單【Analysis】中的【DisplayResultsOnSchematics】項(xiàng)中確認(rèn)【Enable】。然后在菜單【Analysis】中選擇【DisplayResultsOnSchematics】中的【EnableCurrentDisplay】項(xiàng)。這時(shí)顯示各個(gè)支路電流如圖3-35所示。圖3-35各個(gè)支路電流

3.偏置電阻R對(duì)電流源的影響

下面來(lái)分析電阻R1的變化對(duì)電流IC(Q1)和IR1的影響。首先來(lái)修改電路圖。

(1)雙擊電阻R1阻值的大小，將其值改為{Rval}。

(2)然后在菜單【Draw】中選擇【GetNewPart】，在彈出的元件瀏覽對(duì)話框的“PartName”中輸入“Param”，將參數(shù)模型{Rval}放置到電阻R1的旁邊。然后雙擊“Param”的圖形，彈出屬性設(shè)置對(duì)話框，如圖3-36所示。其中“NAME1”設(shè)為Rval，“VALUE1”設(shè)為10?k。圖3-36“Param”的屬性設(shè)置

(3)保存電路圖。將該電路圖另存為“dianliujing2.sch”。

然后打開分析類型選擇對(duì)話框，選中直流掃描分析“DCSweep”項(xiàng)和直流工作點(diǎn)分析“BiasPointDetail”項(xiàng)，再單擊【DCSweep】按鈕，彈出直流掃描分析對(duì)話框，如圖3-37所示。其中掃描變量類型選擇“GlobalParameter”項(xiàng)的其他設(shè)置如圖3-37所示。圖3-37進(jìn)行直流掃描分析設(shè)置設(shè)置完畢后，選擇菜單【Analyisis】中的【Simulate】項(xiàng)，進(jìn)行仿真計(jì)算。計(jì)算完畢后，激活Probe。在Probe界面下，選擇菜單【Trace】中的【Add】項(xiàng)，在彈出的變量跟蹤選擇框中選擇“－IC(Q1)”和“IR1”。觀察Probe中的曲線，如圖3-38所示。圖3-38－IC(Ql)和IR1隨電阻Rl變化的輸出曲線選擇菜單【Trace】中的【DeleteAll】，然后單擊該菜單下【Add】項(xiàng)，使“TraceExpression”中變量表達(dá)式為“IR1+IC(Q1)”，單擊【OK】按鈕確認(rèn)。觀察Probe中的曲線，如圖3-39所示。圖3-39電流鏡的IR1與IC(Q1)的電流差隨電阻Rl的變化曲線

4.電源對(duì)電流源的影響

當(dāng)電流源作為偏置電路時(shí)，往往要求工作電流比較穩(wěn)定，即使電源電壓有變化，但所設(shè)置的偏流也不能有太大的變化。觀察鏡像電流源的電流隨電源變化時(shí)的特性，可以利用PSpice對(duì)電壓源V1進(jìn)行直流掃描分析。

選擇菜單【Analysis】中的【Setup】項(xiàng)，然后選中直流掃描分析“DCSweep”，單擊【DCSweep】按鈕，彈出直流掃描分析設(shè)置對(duì)話框，按照?qǐng)D3-40所示進(jìn)行設(shè)置。圖3-40直流掃描分析設(shè)置然后在菜單【Analysis】中選擇【Simulate】，開始進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算完畢，激活Probe。在Probe界面下，單擊菜單【Trace】中的【Add】，在跟蹤變量選擇對(duì)話步中選擇“－IC(Q1)”和“IR1”，在Probe中觀察曲線，如圖3-41所示。圖3-41IR1與－IC(Q1)隨電源電壓變化曲線

5.電流源的交流輸出電阻

在Schematics界面下，打開電路圖文件dianliujing1.sch。從前面在該電路dianliujingl.sch進(jìn)行的直流工作點(diǎn)分析中可以看出，電壓Vce(Q1)為－1.20?V，而電流Ic(Q1)為1.22?mA，于是可以計(jì)算出直流電阻為9?k左右。

對(duì)電路圖文件dianliujing1.sch進(jìn)行交流掃描分析，可觀察該電流源的輸出電阻。在Schematics中確認(rèn)是dianliujing1.sch電路圖文件。在分析設(shè)置選擇框中取消直流掃描分析“DCSweep”，選擇交流掃描分析“ACSweep”，單擊【ACSweep】按鈕，彈出交流掃描分析設(shè)置對(duì)話框，進(jìn)行交流分析設(shè)置，如圖3-42所示。圖3-42交流分析設(shè)置然后在菜單【Analysis】中選擇【Simulate】，進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算完畢后，激活Probe。單擊菜單【Trace】中的【Add】項(xiàng)，在彈出的變量跟蹤選擇框中進(jìn)行編輯，使“TraceExpression”中的表達(dá)式為“V(Ql:c)/IC(Q1)”。Probe中的曲線如圖3-43所示。圖3-43輸出電阻的頻率特性曲線3.4.2威爾遜電流源

在上面的鏡像電流源中，輸出電流和基準(zhǔn)電流之間僅僅是基本相等，當(dāng)放大系數(shù)β不夠大時(shí)，二者之間的誤差更大。下面介紹威爾遜電流源，它是在鏡像電流源的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)得到的，它較鏡像電流源增加了一個(gè)晶體管Q3，如圖3-44所示。在基本鏡像電流源中，由于基極電流的影響，使得輸出電流和基準(zhǔn)電流總有一定的差異，為了減小這個(gè)差異，威爾遜電流源利用Q3的基極電流對(duì)之進(jìn)行補(bǔ)償，使得輸出電流和基準(zhǔn)電流基本相同。圖3-44威爾遜電流源的電路圖

1.用Schematics建立電路圖文件

由于威爾遜電流源是在電流鏡的基礎(chǔ)上改進(jìn)實(shí)現(xiàn)的，所以這里只需對(duì)前面的電流鏡的電路圖文件進(jìn)行修改即可。

(1)在Schematics界面下打開前面的dianliujing2.sch，然后選擇菜單【File】下的【Saveas】將文件另存為weierxunl.sch。然后確認(rèn)在weierxun.sch電路圖文件下。

(2)將原來(lái)的導(dǎo)線“1”刪除。

(3)點(diǎn)擊菜單【Draw】中【PlacePart】項(xiàng)，在繪圖工具欄中選擇“Q2N2907A”，將該晶體管放置在合適的位置。將其命名為Q3。

(4)用導(dǎo)線將圖中元件按照?qǐng)D3-44所示連接。

(5)保存電路圖。

2.作靜態(tài)工作點(diǎn)分析，觀察其鏡像特性

在分析類型選擇對(duì)話框中只選中其中的工作點(diǎn)分析“BiasPointDetail”項(xiàng)。在菜單項(xiàng)【Analysis】中選擇【Simulate】，開始計(jì)算該電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。計(jì)算完畢后，選擇【Analysis】中的【ExamineOutput】，通過(guò)網(wǎng)單文件(見表3-2)來(lái)分析電路的工作情況。表3-2威爾遜電流源的網(wǎng)單文件

在Schematics界面下，在菜單項(xiàng)【Andysis】中選擇【DisplayResultsonSchematics】，然后確認(rèn)【Enable】，并在同一菜單下選擇【EnableCurrentDisplay】?？梢酝ㄟ^(guò)工具欄來(lái)刪除不想顯示的電流值，如圖3-45所示，可以觀察各個(gè)支路的電流值。

流過(guò)偏置電阻Rl的基準(zhǔn)電流IR1為1.055mA，輸出電流IC(Q3)為1.049?mA，兩者僅相差0.006?mA。這個(gè)差值明顯比鏡像電流源的兩個(gè)電流差值小，說(shuō)明在對(duì)稱特性上威爾遜電流源明顯優(yōu)于鏡像電流源。圖3-45威爾遜電流源各支路的電流

3.威爾遜電流源的輸出電阻

在分析類型設(shè)置對(duì)話框中選中交流掃描分析“ACSweep”，然后單擊按鈕【ACSweep】進(jìn)行交流掃描分析設(shè)置。它的交流掃描分析設(shè)置與前面的鏡像電流源測(cè)量輸出電阻時(shí)一樣，如圖3-42所示。

在菜單【AnaIysis】中選擇【Simulate】項(xiàng)，調(diào)用PSpiceA/D進(jìn)行模擬仿真。計(jì)算完畢后，激活Probe，選擇菜單【Trace】下【Add】項(xiàng)，彈出變量跟蹤選擇對(duì)話框，在其中進(jìn)行編輯，使“TraceExpression”中的表達(dá)式為“V(Q3:c)/IC(Q3)”，單擊【OK】按鈕確認(rèn)。這時(shí)Probe出現(xiàn)如圖3-46所示的曲線。圖3-46交流輸出電阻隨頻率變化的曲線3.4.3微電流源

為了使輸出電流為弱電流，但又不能使偏置電阻R1太大(在集成電路中電阻太大不便于集成)，可以在鏡像電流源的基礎(chǔ)上，引入一個(gè)電阻到Ql的發(fā)射極上，如圖3-47所示。微電流源還提高了對(duì)電源變化的穩(wěn)定性，而且由于Re引入了電流負(fù)反饋，因此微電流源的輸出