张 妍，王化群

（大连海洋大学 信息工程学院，辽宁 大连116023）

PSpice是国际上著名的通用电路分析程序，是一个多功能的电路模拟实验台。PSpice软件几乎完全取代了电路和电子电路实验中的元件、面包板、信号源、示波器和万用表。它可以进行各种各样的电路仿真、激励建立、温度与噪声分析、模拟控制、波形输出、数据输出、并在同一窗口内同时显示模拟与数字的仿真结果。有了PSpice软件就相当于有了电路和电子学实验室。下面以“分析功率放大电路输出功率和效率”为例，说明PSpice在电路模拟和数据处理中的应用。

1 分析方法

1.1 直流扫描分析（DC Sweep）

直流扫描分析是当电路中某一参数（可定义为自变量）在一定范围内变化时，对应自变量的每一个取值，计算出电路中的各直流偏压值（可定义为输出变量），并应用Probe功能观察输出变量的特性曲线。

通过直流扫描分析，得到电路的输入输出特性曲线，从曲线上可读出最大输出幅度；得到电路的输出功率和电源提供的功率随输出电压变化的曲线，从曲线上读出最大输出功率或某一输出幅值下的功率。但这一方法不能用于有隔直电容的电路。

1.2 瞬态分析（Transient）

瞬态分析是一种非线性时域分析方法，它可以在给定激励信号（或没有任何激励）的条件下，计算电路的时域响应。类似于利用示波器观察各节点电压或电流的波形。

根据功率的定义，输出功率等于负载上瞬时电压与瞬时电流的乘积在一个周期内积分的平均值，即：同理，电源提供的功率用Probe中信号运算的功能得到上述积分曲线，在t等于周期T时刻曲线上的值，就是相应的功率值。通过瞬态分析可得到用于计算的各物理量的时域波形，借以分析晶体管的工作状态，使观察各物理量随时间变化的状态更直观，这也是与直流分析法互补的地方。这一方法适用于有隔直电容的电路。

2 分析过程及数据处理

仿真电路为消除交越失真的OCL电路，如图1所示。

图1 OCL功率放大电路

在理想情况下，即饱和管压降可忽略不计的情况下电路最大不失真输出电压幅度Vom＝VCC／2，最大不失真输出功率Pom＝（Vom）2／2RL＝V2CC／8RL＝1.5W，Pv＝2／π×V2CC／RL＝5.732W，效 率 为26.17%[1]。

2.1 直流扫描分析

1）求最大不失真输出幅度Vom。进行直流（DC）扫描分析：设置输入信号VIN为变量，扫描范围为－12～＋12V。运行后，得到如图2所示的电压传输特性曲线。启动标尺，可读出最大不失真输出幅度Vom≈6.6V，根据Pom＝V2om／RL＝0.871 2W。

图2 输出电压传输特性曲线

2）求最大输出功率Pom和电源提供的功率Pv。进行直流（DC）扫描分析，为了得到Po、Pv随Vo变化的功率曲线，必须将波形显示框的X轴改为V（Vo），具体方法是：选择菜单项 Plot｜X Axis Settings，打开X轴设置对话框；单击Data Range中的按钮，打开X轴变量选择框，从中选出V（Vo）；单击Data Range中的User Defined选项，将X轴的范围改为0～7V，单击OK返回。此时，波形显示框的X轴已改成V（Vo）。接下来选择要显示的曲线。由于功率的定义是有效值电压乘以有效值电流，而直流分析得到的电压、电流相当于峰值电压和峰值电流，所以在求Po曲线时，用电压乘以电流再除以2（即分母上是）。但是电源电压＋Vcc、－Vcc是直流量，所以在求Pv曲线时不必除以。根据Po、Pv的定义，执行Trace／Add Trace命令或相应图标后，在“Trace Expression”编辑框中写入功率表达式“V（Vo）×I（RL）／2”，得到Po曲线。同理键入“ABS（V（Vcc：＋）×I（Vcc）／1.414）”，可得电源提供功率Pv曲线（ABS（）表示绝对值）。根据电路工作的原理，＋Vcc、－Vcc只在半个周期有电流，当电路完全对称时，表达式 ABS（V（Vcc：＋）×I（Vcc）／1.414）求出的是两个电源的总功耗[2－3]。

启动标尺由图3可读出电路的最大输出功率Pom＝1.373 7W，此时电源提供的功率Pv＝3.516 7W，效率为39.06%。

图3 输出功率和电源功率曲线

2.2 瞬态分析

1）求最大不失真输出幅度Vom。将输入信号振幅设置为12V（电源电压），进行瞬态分析，得到电路的输出波形。然后将横轴改为V（Vi：＋），得到电路的输入、输出特性曲线与图2基本一致，说明两种方法有一定的互通性，启动标尺可读出最大不失真输出幅度Vom≈6.6V。

2）求最大输出功率Pom和电源提供的功率Pv。对电路进行瞬态分析必须在电路图上设置至少一个瞬态信号源，在本文中选择正弦瞬态电压源（VSIN元件）。将输入信号设置为振幅为6.6V、频率为1kHz。进行瞬态分析，分析时间为0～1ms（1个周期）。运行后，根据Po的定义，在Add Trace窗“Trace Expression”文本框中键入输出功率的积分表达式，得到Po、PT、Pv的积分曲线分别如图4、图5、图6所示。由于信号周期T＝1ms，即1／T＝1 000Hz，所以曲线的积分表达式中乘了1 000。S（）表示积分运算[4]。

图4、图5、图6中上面两个波形为用于积分的电压、电流波形。由图5可看出Q1只在半个周期内导通，同样，由图6知，Vcc也只在半个周期内提供电流。因此，图5积分结果902.769m，只表示Q1的功耗；图6积分结果－1.785 2只表示Vcc提供的功率。电源提供的总功率为Vcc和－Vcc电源提供的功率之和，即－1.785 2×2＝－3.570 4W。符号表示电源向外提供功率。

由图4得到最大输出功率约为1.238 9W，则效率约为1.238 9W／3.570 4W＝34.70%。

从仿真结果看，与理论值有一定差距，分析产生误差主要原因是理论值是在理想情况下计算，仿真时根据所选器件的工作条件进行测量，计算结果；功率放大电路是在大信号下工作，不可避免地会产生非线性失真，而且随着输入的增加，输出功率越高，非线性失真越严重，也会使测量结果有一定误差。

3 结束语

本文针对功率放大电路的输出功率和效率，分别采用PSpice的直流扫描分析法和瞬态分析法进行仿真分析，阐述了利用PSpice辅助电子电路分析与设计的方法与步骤，表明PSpice是一种功能非常强大、集成性很高的电路仿真软件，将其应用到工程设计领域，可以大大提高设计效率、降低成本、缩短整体设计周期，在电子、信息和自动控制等领域有很高的实用价值。

[1]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]张奕雄，吴浚浩，洪正滨.通信电子线路Pspice仿真的研究与实现[J].现代电子技术，2010（11）：94－96.

[3]蒋玲.基于PSpice对积分电路的研究[J].现代电子技术，2009（14）：170－172.

[4]陶瑞莲.OrCAD PSpice在电子线路实验仿真研究[J].通信电源技术，2010，27（2）：27－29.

[5]夏江涛，肖韶荣，孙冬娇.PSpice在工科电类专业教学中的应用[J].实验技术与管理，2010，27（12）：121－124.