CC_低通滤波器的PSpice仿真分析

2011年6月1日第34卷第11期
现代电子技术
M odern Electro nics T echnique
Jun.2011Vo l.34No.11
CC 低通滤波器的PSpice 仿真分析
王恒华,彭良玉
(湖南师范大学物理与信息科学学院,湖南长沙 410081)
摘 要:用子电路模块代替电路中的关键元件,采用理论分析与PSpice 的参数扫描分析和优化分析相结合的方法对电路进行最优化设计,结合一个CC 低通滤波电路的设计实例,阐述了仿真分析方法的具体步骤,给出了滤波电路最优化设计的仿真分析结果,该结果符合设计理论分析值的要求。

对优化后的电路进行了温度扫描分析、蒙托卡诺分析和最坏情况分析。

仿真结果表明,该方法在电路设计中是可行的。

关键词:P Spice;优化设计;滤波电路;电路设计;仿真分析
中图分类号:T N713 34 文献标识码:A 文章编号:1004 373X(2011)11 0185 04
PS pice based Simulation Analysis of C C Low Pass Filter
WA N G H eng hua,PEN G L iang yu
(College of Physics and Informat ion,H unan N ormal U ni v ersity ,Changsha 410081,China)
Abstract :With a sub circuit model w hich replaces the very impo rtant components,a method to co mbine principles of cir cuits analy sis and par ametric scanning analy sis w ith optima l analysis to o pt imize the design of t he circuit based on PSpice is pr oposed.T he appr oaches and steps of simulation ana lysis are elabo rated w ith an ex ample of a CC lo w pass filter cir cuit.T he simulation ana lysis r esults of filter ing circuit optimum desig n is g iven out,which are consistent w ith the theor et ical ones.T he temper ature scanning,M o nt e Carlo and w or st case analy ses are per formed fo r the o ptimized circuit.T he simulation result sho ws that the metho d is effectiv e in circuit design.
Keywords :PSpice;o ptimum design;filt ering circuit;circuit desig n;simulat ion analy sis
收稿日期:2010 12 15
0 引 言
计算机仿真是电路设计的一个重要环节。

一方面它是可以代替采用简化电路模型估算电路特性进行验证的传统设计方式,能高效地进行电路参数的确定和方案的优选,并在设计初期对产品的性能进行可靠的预测,从而提高设计质量,缩短设计周期,节省设计费用,故已成为现代设计方法中必不可少的组成部分;另一方面,它能利用仿真软件得出电路性能受电路中关键参数的影响,更好地掌握电路的特性和指标,对实际电路调试工作具有指导意义。

本文以CC 低通滤波器的设计为例,先采用理论分析设计低通滤波电路,然后运用Or CAD/Pspice 进行仿真分析和优化设计,最后对设计结果进行验证,以使电路性能达到设计要求。

同时,也便于了解该电路受参数变化的影响及其高低温情况下的性能变化等特性。

1 滤波电路的设计
一般地,图1所示电路[1]的转移函数可以通过列写
电路节点a,b,o 的电流方程来求得,即对a 节点有:sC 2[V a (s)-V o (s)]+I X (s)=I i (s)
(1)
对b 节点有:
s C 1V b (s)+1R 2
[V b (s)-V o (s)]+I Z (s)=0(2)
对o 节点有:
s C 2[V a (s)-V o (s)]+1R 2[V b (s)-V o (s)]=
V o (s)
R 1(3)
CC 端口的电压 电流关系[1]有:
i Y =0;v X =v Y ;i Z =K i X
(4)
V a =v X =v Y =0;V o (s)=I o R 1(5)
式中:K 为CC 的电流放大倍数。

联系以上等式可以求得图1所示电路的转移函数为:H (s)=
I o (s)
I i (s)
=-K
1R 1R 2C 1C 2
s 2
+s 1R 1+1R 21C 2+(1+K )1R 2C 1+1R 1R 2C 1C 2
(6)
由图1所示电路的转移函数可以得出电路参数与元件值的关系:
p =
1
R 1R 2C 1C 2
(7)
Q =
R 1R 2C 1C 2
(R 1+R 2)C 1+(K +1)R 1C 2
(8)
这种设计方法的主要思路是通过令R 1=R 2=R ,C 1=C 2=C 来减小元件的分散性,然后根据式(7),式(8)进行设计,从而确定每个元件的参数值,其设计步骤如下:
(1)令R 1=R 2=R,C 1=C 2=C,并选取适当的C 值;
(
2)根据给定的 p 和式(7),求出R;(3)根据给定的Q 值和式(8),求出K ;(4)进行PSpice 仿真分析以及优化设计。

图1 基于CC 的低通滤波电路
设计指标为:f p =105H z ,Q =1/2。

根据电路参数与元件值的关系以及设计步骤选取C =1nF ,则可求得:R =10k ,K =2-3。

2 电路的PSpice 仿真分析与优化
首先对原始电路设计方案在OrCAD/Capture 下绘图,其中CC 的仿真模型
[2]
采用子电路形式,所有元
件都调用PSpice 仿真库中的模型,选电流源为交流源,交流电路为1A,直流电流为0A ,设电容C 1和C 2的初始
[4 5]
值为0;分析类型为AC Sw eep/Noise,起始频率
为10H z,终止频率为100MH z,扫描记录点数
为1000;扫描类型为Log arithmic,扫描方式为Decade,以此进行电路仿真,得到的电路初始幅频特性曲线如图2所示。

从电路的转移函数可知,图1所示的滤波器为二阶低通滤波器,对比二阶低通滤波器的幅频特性[1]
可以得知,其原始电路的设计指标不符合要求。

图2 输出电流I o 的频率特性曲线
2.1 电路参数分析
对原电路进行参数扫描分析[2 3]时,可将基本特性分析类型设置为AC Sw eep/Noise 进行分析,其他参数设置相同,每次分别将R 1,R 2,C 1,C 2设置为全局变量进行参数扫描分析,仿真分析结果如图3所示。

此时,R 1=R 2=10k ,C 1=10pF ,C 2=10 F 。

图3 参数扫描分析后I o 的频率特性曲线
2.2 电路优化设计
PSpice A/A
[2]
是OrCAD 高级版本新增加的高级
分析工具,包含Sensitiv ity ,M onte Carlo,Smoke,Opti mizer,Parametric Plo tter A nalysis 等高级分析功能,它
可在PSpice A/D 分析的基础上,最大程度地提高所设计电路的性能及可靠性。

灵敏度分析是电路优化设计的第一步,往往需要将分析结果传给优化设计工具Optimizer 。

灵敏度分析的步骤如下:
(1)绘制电路图,绘制电路图的元件取自专供PSpice A/A 使用的 advance 文件夹,并采用变量表设置元件参数;
(2)执行PSpice 分析,确定电路的性能指标;(3)使用灵敏度工具Sensitiv ity 进行灵敏度分析,将程序运行结果传给Optimizer 。

由运行结果可知,对电路指标最敏感的元件是R 1
和C 1。

可以调用PSpice A/A 中的优化设计Optimizer 模块对电路中最敏感的元件参数进行调整。

电路的优化设计实际上是一个约束优化问题,是在电路特定拓扑和元器件参数范围的约束下,通过调整元器件的值来使电路特定性能指标达到最优。

优化设计的步骤如下:
(1)启动优化器Optimizer;
(2)设置优化变量,即设置待优化的元件参数,通常选择相对于该性能指标中灵敏度影响较大的元件参数作为优化参数;
(3)选择需要优化的元件;
(4)设置优化目标函数,还需设定性能指标的变化范围,即在MIN 框中指定目标函数的最小值,在M AX 框中指定最大值,在Weig ht 框中指定权重;
(5)执行优化分析设计。

优化后的电路元件参数
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现代电子技术2011年第34卷
约为:R 1=R 2=65k ,C 1=10pF,C 2=10 F,优化后的特性曲线如图4
所示。

图4 优化后低通滤波器的特性曲线
调用OrCAD/PSpice 的函数功能可以从图4所示的特性曲线中得到滤波器电路的各项特性参数。

其中,3dB 带宽为250.64286kH z;Q 值为1.01009;中心频率为106.02522kHz;3dB 截止频率为274.56834kH z 。

从上述参数可以看出,优化后的电路性能基本上(qudiao)符合设计指标的要求,同时还有一定的裕度。

2.3 温度扫描分析
在实际电路中,电阻阻值以及晶体管的许多模型参数值都与温度的关系非常密切,温度变化必然通过这些元器件参数值的变化引起电路特性的变化。

通过Or CAD/Pspice 中的温度扫描分析[6 7]能够模拟电路输出特性受温度变化的影响。

为了设置元件的温度系数,Pspice 提供了一个专门的元件库breakout.o lb,库中元件的名称为其关键字后加 break ,可用该元件库中的元件修改线路图,选中需设置温度系数的元件,再选择菜单Edit\PSpice mo del,程序将弹出Pspice M odel Ed itor 模型编辑器,这样就可以在Pspice model 窗口中设置相应的温度系数。

一般将其模型参数设置为: .M ODEL Rbreak RES R =1TC 1=0.004 TC 2=0.0005 即可。

其中,Rbreak 是电阻的模型名称,必须与电路图中的电阻标识一致,否则就会出错;RES 是电阻模型的关键字;R 为电阻的倍乘系数;T C 1和T C 2分别为电阻的一阶、二阶温度系数。

在通常的电路特性分析时,Pspice 的内定温度为27 。

图5给出了经过上述优化后的电路分别在-20 ,-10 ,0 ,10 ,20 ,50 ,80 ,100 下的滤波器特性曲线。

2.4 Mo nte Carlo 分析
通过优化设计确定电路中每一个元器件的参数值,通常称为标称值。

在实际生产中,按照标称值选用的元器件值不可能完全相同,而具有一定的离散性。

这样,实际组装的电路特性就不可能与标称值模拟的结果完全相同。

用PSpice 提供的M onte Car lo 分析[8 9]能够模拟实际生产中因元器件值的分散性所引起电路特性
的分散性。

图5 温度扫描时滤波器的特性曲线
在进行M onte Carlo 分析之前,还需要对元器件进行容差设置。

元件的容差有器件容差,批容差和组合容差3种。

其中,器件容差指可以独立变化的、由同一 .m odel 语句定义的容差,用 DEV 表示;批容差指同时变大或变小的容差,用 LOT 表示;组合容差指将器件容差与批容差组合起来使用的容差方式。

容差设置的方法与温度系数的设置方法类似。

Mo nte Carlo 属于统计分析中的一种,PSpice 中专门提供了统计分析用的元器件符合库breakout.olb 。

因此,调用breakout.olb 中相应的元件即可修改电路图,打开模型编辑器则可设置元件模型参数,图1中的电阻参数设置为: .model Rbr eak RES (R =1DEV =5%) ;电容参数设置为: .mo del Cbr eak CAP (C =1DEV=10%) ;DEV=10%表示独立随机变化,变化范围为10%。

电阻独立随机变化服从高斯分布,容差范围为5%;电容独立随机变化也服从高斯分布,容差范围为10%,分析次数设为20,选择AC Sweep/N oise 分析,同时设置好其分析参数,最后进行蒙托卡诺分析,所得到的3dB 带宽、中心频率、Q 值、截止频率的直方图分别如图6~图9所示。

通过蒙托卡诺分析结果的直方图可以得知,生产中只要按照M onte Car lo 分析设定容差所要求选定的相应参数即可。

尽管在实际生产中存在元器件参数的分散性,但产品的成品率还是较高的,因而具有较好的实用性。

图6 3dB 带宽分布直方图
2.5 最坏情况分析
最坏情况[8 11]是一种极端情况,在实际中出现的概
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第11期
王恒华等:CCII 低通滤波器的PSpice 仿真分析
率极低。

但是,最坏情况分析结果却从另外一个方面反映了电路设计的好坏。

如果最坏情况的分析结果都能满足性能指标要求或与性能指标要求差距不大,那么将这种电路设计用于生产时,电路的质量一定很高。

电路中电容、电阻的容差设置同蒙托卡诺分析所得出的在最坏情况下的滤波器特性曲线如图10
所示。

图7 中
心频率分布直方图
图8 Q
值分布直方图
图9 3dB
截止频率分布直方图
图10 最坏情况下滤波器的特性曲线
从该特性曲线可得,该滤波器在恶劣环境下,仍能保持良好的中心频率稳定度、3dB 带宽、Q 值和截止
频率。

3 结 语
通过使用OrCAD/Pspice 仿真分析可以找到滤波电路的最优参数,并且通过参数扫描分析、温度分析、蒙托卡诺分析、最坏情况分析,可以得到该滤波器在参数变化、温度变化、参数最恶劣情况下的电路特性,同时也能获取实际生产中的成品率。

而现代电路仿真技术及EDA 技术能够大大缩短整个设计时间,减少反复设计,节省设计成本。

在电路板生产出来之前,就能获取关于产品成品率、高低温特性以及极端情况下的电路特性,以便能更全面了解电路的性能。

因而能够有效提高设计质量以及电路在各种复杂条件下的工作能力,从而提高成品率。

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作者简介:王恒华 男,1984年出生,湖南衡南人,硕士研究生。

主要研究方向为模拟电路故障诊断。

彭良玉 女,1965年出生,江西九江人,博士,教授,研究生导师。

2010年9月至2011年在美国俄亥俄州立大学物理
系做访问学者。

主要研究方向为信号处理和有源滤波器设计,发表学术论文100余篇。

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