用PSPICE实现电子电路的分析与设计

【摘　要】本文就一个有源低通滤波器的设计及其群时延均衡的过程，具体说明了PSPICE在电子电路分析和设计中所起的作用。
    关键词：CAA CAD 滤波器 群时延均衡
　　
1　引　言
　 从50年代晶体管电路逐步取代电子管电路以来，半导体电路经历了小规模集成电路（SSI）、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（VLSI）和甚大规模集成电路（ULSI）几个发展阶段，集成电路的功能越来越强，集成度越来越高，规模越来越大。面对这一状况，人们已经清醒地认识到，要分析和设计复杂的电子系统，人工的方法已不适用，必须采用计算机辅助分析与设计（Comput erAided Analysis and Design），即采用CAA与CAD技术。因此，CAA与CAD已经成为分析和设计电子电路的关键技术之一，各种软件应运而生，PSPICE版本也随之问世。它不仅可以分析、设计模拟电路，也可以分析、设计数字电路和数模混合电路，既能以文本形式输入，又能以图形形式输入，深受广大电子电路设计者的欢迎。本文就在设计一个低通滤波器过程中，如何利用PSPICE软件对其性能进行分析并进行群时延均衡，谈谈PSPICE的应用。
2　低通滤波器的设计
  低通滤波器的指标如下：通带截止频率15kHz，阻带截止频率19kHz，阻带最小衰减60dB，通带内群时延差≤40μs。此滤波器的截止特性很陡峭，显然，要达到所要求的幅频特性，采用椭圆滤波器最为合适。根据参考文献〔1〕中的设计参数，选定7阶有源椭圆滤波器，其电路如图1所示。
                
3　用PSPICE分析滤波器的特性
　 上面的电路是否满足设计要求？为此，我们采用了PSPICE软件对电路进行分析，分析结果即滤波器的幅频特性和群时延特性如图2所示。
　 由图2可见，幅频特性基本满足要求，但群时延特性不好。通频带内的群时延相差130μs。为了改善群时延特性，减少相位失真，要采用群时延均衡电路。
                  
4　用PSPICE设计均衡电路的参数
　 均衡的思路是这样的：根据已经得到的群时延特性图2（b），首先在七阶有源椭圆滤波器后面加一个如图4所示的一阶均衡网络，利用它来均衡直流处的群时延，使电路输出的群时延特性成为图3（a）所示的样子。然后再加一个如图5所示的二阶均衡网络，目的是均衡频率f1点处的群时延特性，使输出的群时延特性如图3（b）所示。接下来再选择两个二阶的均衡网络，分别均衡频率f2、f3点处的群时延特性，使总的群时延特性近似为常数，如图3（c）所示的那样。实现上述想法的硬件电路如图6所示。
               
                             
   图4所示的一阶均衡网络的系统函数为
                        
R′的值可以随意选择。改变R或C的值，可以使群时延改变。
   图5所示的电路为二阶均衡节，其传递函数如下式所示：
                             
   它有两个设计参数ωr和Q，群时延特性曲线本质上是带通形，而且通过改变Q值能将曲线展宽或变锐。通过设计ωr参数决定峰值延迟频率。由于具有这种灵活性，故二阶节实际上可用来均衡任意延迟曲线。唯一的限制在于设计者是否愿意采用很多节和完成给定均衡度需作的多次尝试。
　 二阶均衡节的群时延由下式给出：
                        
    C和R的值可随意选择，而图中A是要求的增益。
             
   均衡电路如图6所示。其中IC4是一级电压跟随器，起隔离作用。该电路中的参数是利用PS PICE程序反复选择后确定下来的。将滤波器电路与均衡电路前后连接，利用PSPICE程序分析输出的群时延特性如图7所示。其群时延差为39．3μs，满足设计要求。下面给出PSPICE软件程序。
                           
                                    
PSPICE程序：
   ·ACDEC20 15Hz 20kHz
   ·LIBLINEAR．LIB
   VIN 1 0 AC1
   R1 1 2 1．7875K　　
   R2 2 4 3．575K
   R3 3 0 16．445K
   R4 4 0 74K
   R5 5 0 10K
   R6 5 6 1．36K
   R7 6 7 2．2975K
   R8 7 9 4．5945K
   R9 8 0 4．0475K
   R10 9 0 18．215K
   R11 10 0 10K
   R12 10 11 10．13K
   R13 11 12 2．7245K
   R14 12 14 5．445K
   R15 13 0 2．8615K
   R16 14 0 12．875K
   R17 15 0 10K
   R18 15 16 16．43K
   R19 16 17 5K
   R20 19 0 5K
   R21 18 20 10K
   R22 20 21 10K
   R23 21 22 3．705K
   R24 22 0 723
   R25 23 25 7．409K
   R26 24 0 1   
   R27 25 26 5K
   R28 21 26 10K
   R29 27 0 1
   R30 26 28 10K
   R31 28 29 4．152K
   R32 29 0 244
   R33 30 32 8．304K
   R34 31 0 1
   R35 32 33 5K
   R36 28 33 10K
   R37 34 0 1
   R38 33 35 10K
   R39 35 36 3．388K
   R40 36 0 5．464k
   R41 37 39 6．775K
   R42 38 0 1
   R43 39 40 5K
   R44 35 40 10K
   R45 41 0 1
   R46 40 42 10K
   C1 2 6 0．01383Uf
   C2 4 0 3073Pf
   C3 1 3 668Pf
   C4 3 4 334Pf
   C5 7 11 7700Pf
   C6 9 0 1701Pf
   C7 6 8 1932Pf
   C8 8 9 966Pf
   C9 12 16 5768Pf
   C10 14 0 1282Pf
   C11 11 13 2440Pf
   C12 13 14 1220Pf
   C13 17 0 7800Pf
   C14 18 19．0106Uf
   C15 22 25．01Uf
   C16 22 23．01Uf
   C17 29 32．01Uf
   C18 29 30．01Uf
   C19 36 39．01Uf
   C20 36 37．01Uf
   VCC1 43 0 DC12V
   VEE1 44 0 DC－12V
   VCC2 45 0 DC12V
   VEE2 46 0 DC－12V
   VCC3 47 0 DC12V
   VEE3 48 0 DC－12V
   VCC4 49 0 DC12V
   VEE4 50 0 DC－12V
   VCC5 51 0 DC12V
   VEE5 52 0 DC－12V
   VCC6 53 0 DC12V
   VEE6 54 0 DC－12V
   VCC7 55 0 DC12V　
 　VEE7 56 0 DC－12V
   VCC8 57 0 DC12V
   VEE8 58 0 DC－12V
   VCC9 59 0 DC12V
   VEE9 60 0 DC－12V
   VCC10 61 0 DC12V
   VEE10 62 0 DC－12V
   VCC11 63 0 DC12V
   VEE11 64 0 DC－12V
   *subcircuit callfor IC1．．．IC11
   X1 5 4 43 44 6 LM118
   X2 10 9 45 46 11 LM118
   X3 15 14 47 48 16 LM118
   X4 18 17 49 50 18 LM118
   X5 20 19 51 52 21 LM118
   X6 23 24 53 54 25 LM118
   X7 26 27 55 56 28 LM118
   X8 30 31 57 58 32 LM118
   X9 33 34 59 60 35 LM118
   X10 37 38 61 62 39 LM118
   X11 40 41 63 64 42 LM118
   * end of scbcircuit definiTIon
   * plot the results of ac analysis
   ．PLOT ACVDB（42）Vp（42）VG（42）  
   ．PRINT ACVG（18）VG（42）
   ．PROBE　
 　．END
5　结束语
　 本文论述的利用PSPICE对滤波器进行分析和设计的基本思想，适用于很多的电子电路。可以看出，它具有灵活性和多样性，可以避免设计过程中的错误，便于设计中的修改和扩展，从而降低设计人员调试的劳动强度，达到事半功倍的效果。

　　参　考　文　献