采用关联优化方法能高效实现高频电子线路的优化设计

摘要：本文基于OrCAD／Pspice电子线路计算机辅助分析设计软件以实现高频电子线路的综合电路分析仿真为目的，针对回路使用的信号频率比较高，电路实现的功能多、结构复杂，造成OrCAD设计软件在仿真过程时运算量大，电路调试过程变得复杂、电路的元器件参量优化难度大，通过采用复杂电路的仿真调试关联优化的方法对变容二极管调频与功率放大及发射电路的仿真过程进行分析，仿真效果表明，采用关联优化方法能有效提高优化设计效率。

    OrCAD／Pspice是个通用的电子线路计算机辅助分析设计软件，是电路计算机仿真程序中极为优秀的一款软件。具备强大的电路设计与仿真能力，能够方便地实现电子线路的直流分析、交流分析、瞬态分析、噪声分析、灵敏度分析、傅里叶分析、谐波失真分析以及在不同温度下的电路性能分析，完成电子线路的元器件参量优化。提供了丰富的电子元器件模型，能实现各电路参量的测试、分折功能及器件库的构建功能。随着OrCAD／Pspice快速发展，实现各种功能时操作变得越为简化，受编程过程限制越少，且对电路的计算和仿真越为准确。在掌握电路原理的基础上，能方便地利用电子辅助仿真设计软件Pspice完成所需电路的设计分析和器件特性分析。笔者将对可变电容调频与功率放大及发射电路的仿真过程进行分析探讨。

1 OrCAD／Pspice在高频电子线路仿真中的优势作用
    高频电子线路中的振荡电路、调幅电路、混频电路、调频电路、解调电路在生活中应用非常广泛，在设计和生产中，利用OrCAD／Pspi ce来辅助分析所需高频电路的各项功能和特性指标，能方便实现高频电子线路各种设计需要。而且应用OrCAD／layout phus能快速完成满足线路性能要求的实际印制电路板的设计。最为重要的是OrCAD／Pspice软件计算准确，使设计仿真的指标更符合电路的实际效果。高频电子线路设计的复杂性，OrCAD电路软件的高效性，使得OrCAD／Pspice进行高频电子线路设计、仿真、分斩、制造时，更充分体现了OrCAD辅助设计技术的优点：缩短了设计周期，提高了设计制造项目的整体效率，节约了设计成本；利用OrCAD中的灵敏度分析、容差分析、噪声分析、最坏情况分析、优化参量分析功能，使得质量得到提高和保证；OrCAD大量的单元设计和丰富的元器件模型及易于调整的模型参数，为复杂的设计分析提供了便利。虽然，OrCAD提供了高效平台，但对设计分析高频综合电路时，还得学习掌握OrCAD分析、调试、优化电路的方法，才能让OrCAD效能得以更好的体现。如在OrCAD／Pspice电子线路计算机辅助分析设计软件在进行高频电子线路的综合电路分析仿真时，因回路信号频率高，电路复杂，造成仿真运算量大，仿真调试过程复杂、优化参量难度大，若非有意识地提高设计效率，很多设计者会浪费大量的精力在调试和参量优化过程中。

2 仿真电子原理图
    如图1所示为实用变容二极管谓频、功率放大及发射电路，左端IN接口为调制信号输入。右端OUT天线为调频信号经功率放大后发射输出，电路中三极管Q1与电容C1、C2、C3、C4、电感L1及变容二极管D10组成载波信号的形成和调制信号的调频工作级，调频好的信号经电容C12耦合输入到三极管Q2和电容C11、变压器TX1组成的小信号谐振放大级，该级放大电路工作在甲类放大状态，调频信号经Q2级谐振放大后输入功率放大Q3级，Q3级作为功率输出级要求兼顾高功率和高效率输出，所以在丙类放大，且要求工作在临界弱过压状态。最终经过合理放大后从OUT发射出去。

要理想地完成变容二极管调频、功率放大及发射综合电路设计要求，设计要需要认真分析各级功能电路的性能指标，合理计算好各元器件的参数，否则，将很难调试成功。即使初步设置好了各参数，若在综合电路里调试分析，也将因回路信号频率高，电路复杂，造成仿真运算量大，优化参量难度大。很多设计者在调试时，因为OrCAD提供的Probe模块能方便判断测量点的信号波形是否失真，判断出某测量点波形失真时，就重复地优化各元器件参数，没考虑到综合电路中的调试是极为耗时的，更为重要的一点，综合电路中某一测量点性能的不达标，还因电路前后级联接而造成电路相互的影响。就如图1变容二极管调频、功率放大及发射电路，中间经常会加入一缓冲隔离级，一般采用非谐振的普通甲类放大级，目的是将振荡级与功放级隔离，以减少功放级对振荡级的稳定性的影响。因为电路中前后级的互相影响存在，且各级小失真的迭加，造成即使易判断出某点波形失真，仍优化困难。为了提高设计效率，就应该从每一功能分立级电路独立设计做起，再一级级关联优化，毕竟高频电路比低频电路运算量是成高量级变化的，且高频中要充分考虑元器件和接线分布阻抗的。

3 关键功能电路仿真分析
    图1变容二极管调频、功率放大及发射电路设计中，设计者应先完成Q1振荡级设计，再加入变容二极管和调制信号的设计，否则未产生振荡时，不能判断是振荡级设计未好，还是变容二极管参数未确定好，变容二极管有一系列关键参数，都需计算设置的。摄荡级在调频电路中不采用稳定性低的普通电容三点式振荡电路和克拉泼振荡电路，而是采用稳定性高的西勒振荡电路，如图2所示。

    在西勒振荡电路中，改变与电感L1上相并的C4容量值，回路的振荡频率就可调整，而C3用数值固定的电容，当C1>>C3，C2>>C3时，振荡频率近似为
    
    当选取C3为40 pF，C4为40 pF，其他元器件按设计要求设置时，振荡器仿真波形如图3所示，仿真产生的振荡信号频率与计算设计的频率差不多相等，都约为4MHz。

对于Q3级功率放大级，如图4所示，则要求放大器输出功率大，效率要高，即谐振功率放大器一般工作在临界状态，因为临界状态的谐振功率放大器输出功率最大，效率也高，最能符合设计要求，而过压状态具有较高的效率，所以工作点可以靠近过压状态，比靠近欠压状态好。设计时，应先独立进行Q3级功率放大电路工作状态的调节，否则，会因为判断工作状态电流波形受前后级电路影响因素多，而难于优化参量。图5为设置好负载值，Vct及Vbb参量后，仿真得到弱过压的临界状态(如图5所示的上部分波形)和强过压状态(如图5所示的下部分波形)时通过发射极的电流Ie波形，从该波形图可以判断调节好功率放大级的工作状态。

    在每个独立功能电路设计分析成功的基础上，前级开始逐步往下一级关联起来调试分析，考虑相关级的影响，从而完成整个综合电路的设计要求，这将很大程度上提高电路参数优化效率。

4 结束语
    通过OrCAD／Pspice设计高频电子线路一综合电路图——变容二极管调频、功率放大及发射电路的仿真过程分析，设计者在高频综合电路的调试优化时，应充分考虑前后级电路间的相互影响和仿真过程运算量的影响，采用关联优化方法能高效实现高频电子线路的优化设计。