CCⅡ低通滤波器的PSpice仿真分析

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CCⅡ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OrCAD/ 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

图1 基于CC Ⅱ的低通滤波电路

一般地， 图1 所示电路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：

式中： K 为CCⅡ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：

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：

这种设计方法的主要思路是通过令R1 = R2 = R ,C1 = C2 = 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R1 = R2 = R, C1 = C2 = C, 并选取适当的C 值；

（ 2） 根据给定的ωp 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。

设计指标为： f p = 105 Hz, 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 = 1 nF, 则可求得： R = 10 k , 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CCⅡ的仿真模型采用子电路形式， 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1 A, 直流电流为0 A , 设电容C1 和C2 的初始值为0; 分析类型为AC Sw eep/ Noise, 起始频率为10 Hz, 终止频率为100 MHz, 扫描记录点数为1 000; 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R1 , R2, C1, C2 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， R1 =R2 = 10 kΩ, C1 = 10 pF, C2 = 10F。

图3 参数扫描分析后Io 的频率特性曲线。

　　2. 2 电路优化设计

　　PSpice A/ A是OrCAD 高级版本新增加的高级分析工具， 包含Sensit iv ity , MONte Carlo, Smoke, Optimizer, Paramet ric 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Opt imizer。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Sensit iv ity 进行灵敏度分析，将程序运行结果传给Opt imizer。

由运行结果可知， 对电路指标最敏感的元件是R1和C1。可以调用PSpice A/ A 中的优化设计Opt imizer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Opt imizer;

（ 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MAX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约为： R1= R2 = 65 kΩ , C1= 10 pF, C2 = 10F, 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