基于PSpice的电路特性分析和器件性能研究

基于PSpice的电路特性分析和器件性能研究
雷前召
【摘要】为了实现计算机对电路的特性进行分析,利用PSpice对RLC电路的交流分析、频率响应以及谐振频率进行模拟,模拟结果和理论值相吻合,PSpice仿真能得到与实际器件操作相同的效果.为了对电路元件的性能进行评估,利用PSpice进行了蒙特卡罗高级分析,分析结果表明:RLC电路器件的合格率和批量元件频率的偏差相关联,并与其容差相联系,PSpice是研究器件性能的有效工具.
【期刊名称】《现代电子技术》
【年(卷),期】2010(033)020
【总页数】3页(P8-10)
【关键词】交流分析;频率响应;谐振频率;电路元件
【作者】雷前召
【作者单位】渭南师范学院,物理与电子工程系,陕西,渭南,714000
【正文语种】中文
【中图分类】TN02-34
0 引言
Pspice软件的主要功能是将Schematics产生的图形文件进行仿真，并将结果存档; 另外，PSpice还提供一个附属的波形观测程序Probe，从而提供一个模拟实验台。

利用PSpice软件可以对各种电路进行直流[1]、交流、瞬态等的基本特性分
析，还可以进行极限状态和最坏情况分析，以及噪声分析[2]和优化设计、故障模式仿真[3-4]等。

1 基本电路特性分析
RLC振荡器在广播、通信、测量等科技领域中应用广泛，是现代电子系统必不可少的组成部分，RLC电路更是一种典型基本电路，RLC电路包括串联和并联两种情况。

利用软件自带的Schematics绘图工具，可以很方便地绘出电路原理图见图1。

借助Probe探头，可以用来观测电路的输出波形，实现各种电路的所有基本分析。

1.1 RLC电路的交流分析
1.1.1 交流扫描分析
目前复合电源正获得越来越广泛的实际应用。

一个复合电源包含多种频率，可以是正弦信号、交流扫频信号、直流电压以及含各种频率的信号。

以RLC串联电路为例，图1中串联电路的VAC是一复合电压源，取扫频信号源幅度AC为2.0 V。

电感、电容、地线通过各自的属性对话框分别赋值L=10
μH,R=100 Ω,C=0.005 μF，对应的输出结果如图2所示。

图1 RLC串、并联电路原理图
图2 RLC串联交流扫描分析曲线
模拟结果显示了该复合电压源随不同频率的变化情况，模拟过程简便快捷，参数调整灵活、模拟结果可靠。

1.1.2 RLC电路的频率响应分析
频率响应分析能够分析传输函数的幅频响应和相频响应，亦即可以得到电压增益、电流增益。

RLC串联电路图的参数设置是按照中心频率50 kHz、带宽为0.5 kHz 的要求设计的，L，C，R可以通过各自的属性对话框给其赋相应的值。

在
Trace/Add Trace功能选项中打开Add Trace对话框，在Trace Expression栏处
输入dB[5](V(Vo)/V(Vi))，仿真出RLC电路的幅频特性曲线(如图3(a)所示)；输入P(V(Vo)/V(Vi))，仿真出RLC电路相频特性曲线(如图3(b)所示)。

图3 RLC串联电路幅频、相频特性曲线
可以看出在PSpice的仿真分析中，元件参数设置方便、易于改变，设定各种激励信号也非常容易，输出信号直观，便于查对。

1.2 对谐振频率进行分析
RLC电路的交流谐振是RLC电路的一种特定工作状态，因其具有良好的选频特性，在通信及电子技术中有广泛应用。

以RLC并联电路为例，实验结果如图4所示。

保持电源电压值不变, RLC并联电路中的电流I 随频率不是单调变化的，而是在
f=f0处有极大值 Imax ，这种现象为谐振，发生谐振时的频率f称为谐振频率。

为了解曲线的详细情况，可利用放大工具，并打开标尺，读取曲线上的点所对应的频率和电流幅度。

分别改变RLC串联电路中L和C的值，测量对应的谐振频率f，可进一步分析谐振频率f随L和C的变化关系。

当电路中的C保持不变时, f随L
的减小而增大，如图4(a)、(b)所示；当电路中的L保持不变时，f随C的增大而
减少，如图4(c)、(d)所示。

通过数据分析，可得：谐振频率f与成反比。

图4 RLC并联电路电流与谐振频率的关系
RLC振荡器是典型的非线性电路，由于其工作频率较高，设计参数较多、状态变
化十分复杂，难以用传统的仪器和方法对起振过程进行观测与研究，人们对它的认识还停留在有一定近似性的理论结果上。

采用计算机辅助设计，通过软件的模拟仿真来验证电路[6]，这样使得设计人员能将精力更直接地集中在设计层次方面，从
而大大提高设计效率、降低成本、缩短整体设计周期；另外特别适合于解决电子电路课程中的CAI教学问题[7]。

2 实验器件性能的统计分析
这是属于电路优化的内容，即电路已经通过PSpice的模拟，相当于电路除了某些
性能不够理想外，已经具备了所要求的基本功能，此时可以进行极限状态分析、最坏情况分析以及优化设计[8]。

这些都属于对器件性能进行的所谓高级分析[9]，一
般要借用统计的方法，而蒙特-卡罗分析(Monte-Carlo analysis)是处理统计问题
的常用方法。

2.1 器件的蒙特-卡罗交流分析
仍采用图2的交流分析电路及参数设置，但使用大量相近参数的电阻进行蒙特-卡
罗交流分析。

图5显示的是多个电阻元件的蒙特-卡罗交流分析结果，线条比使用单一元件(见图2)得到的交流分析要粗，说明电阻元件参数是有一定误差的。

当然这只是一种定
性分析说明，下面的性能分析将是定量分析。

图5 RLC串联电路蒙特-卡罗交流分析
2.2 器件的蒙特-卡罗性能分析
设RLC并联电路的中心频率为10 kHz、带宽为1.5 kHz，在做蒙特-卡罗分析时，Rbreak元件的参数误差系数设置为10%，电路的电感L=10 μH、电容C=1 μF，经过蒙特-卡罗分析获取的性能分析结果如图6(a)所示。

模拟结果是利用正态分布
统计分析方法,在图6(b)的下部显示了统计数据。

其中sample是样品数，division 是直方图在横坐标占据的方块数，mean就是均值(期望值)，sigma为均方差。

根据正态分布的3σ规则[10],偏离均值(mean)为1倍均方差(sigma)之内，出现的概率为0.682 6，对于本次模拟来说，就是100个样品会有68个合格的。

此时元件对中心频率的相对偏差将会限于±σ/503 604=±0.022%之内；允许偏离中心频率越大，合格率越高。

如果偏差为2倍sigma时，出现概率为0.954 4，偏差为3
倍sigma时，出现概率为0.997 4。

模拟结果很好地体现了正态分布规则。

图6 电阻精度取不同值时蒙特-卡罗性能分析结果
模拟中如果选用容差更小的元件，比如电阻精度为1%。

模拟结果如图6(b)所示，
其sigma值为σ=4.244 31，对中心频率的相对偏差就大大降低。

再根据正态分布的3σ规则，即使偏离中心频率为3倍sigma，还有99.74%的元件满足条件，其频率的相对偏差远低于前例的0.022%。

通过模拟可以看出产品的合格率与频率的偏差满足正态分布，偏差越大，合格率越高；在允许的偏差取相同值的情况下，容差越小合格率越高，当然造价也越高。

3 结语
PSpice是一个优秀的虚拟实验台，通过PSpice的Probe探针，可以方便、快捷地完成电路的各种基本分析；而对典型电路RLC振荡电路的分析,可以避开非线性计算，实现任意波形的瞬态观测，为电子系统的设计和电子产品的开发提供了一种全新的设计手段和便捷的途径。

利用蒙特-卡罗高级分析结果，结合产品的造价等因素，就能确定应该采用多高精度的元件，这不仅对器件的购买和使用了提供指导，也能够使元件的性能得到最充分的发挥，无疑对电子工程、信息工程和自动控制等领域工作的人员具有很高的实用价值。

参考文献
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