基于PSpice的RLC串联电路的谐振分析单管放大电路的静态工作点及交流

武汉理工大学《电路CAA》课程设计说明书1课程设计任务书学生姓名::专业班班级:指导教师::工作单单位:信信息工程程学院题目::电电路CAAA课程程设计━━基于PPSpiice的的RLCC串联电电路的谐谐振分析析单管放放大电路路的静态态工作点点及交流流扫描分分析初始条件::提供实验室室机房及及其PSSpicce软件件；选RLC串串联或GGCL并并联电路路及RLLC串联联电路。选一单管放放大电路路。要求完成的的主要任任务：((包括课课程设计计工作量量及其技技术要求求,以及及说明书书撰写等等要求):1、熟练运运用PSSpicce软件件创建电电路、模拟电电路、显示或或绘制结结果（至至少有三三条曲线线以上）；；2、使用该该软件进进行二阶阶电路的的零状态态响应分分析（分分三种情情况：过过阻尼、欠欠阻尼、临临界阻尼尼讨论），使用该软件进行RLC串联电路的阻抗、电流频率特性分析（分三种Q值讨论）；3、独立完完成课程程设计说说明书，课程设设计说明明书按学学校统一一规范来来撰写，具体包括：：⑴目录录；⑵理论论分析；；⑶程序设设计；⑷程序序运行结结果及图图表分析析和总结结；⑸课程设设计的心心得体会会（至少少8000字，必必须手写写。）；；⑹参考文文献（不不少于55篇）。时间安排::(11)布布置课程程设计任任务，查阅资资料，学习PPspiice软软件两天天；(22)用用Psppicee软件进进行电路路分析一天半半；(33)完完成课程程设计报报告书及及答辩一一天半；参考文献：：1.《电电路》第第五版，邱邱关源，罗罗先觉，高高等教育育出版社社，200042．《电路路分析》吴吴锡龙主主编，高高等教育育出版社社，200043．《PSSPICCE电路路设计与与应用》汪汪建民主主编，国国防工业业出版社社，20007指导教师签签名:年月月日系主任(或或责任教教师)签签名:年月日日目录1PSSPICCE软件件简介........................................................................112RLLC串联联电路的的谐振分分析............................................................2.1RRLC串串联电路路谐振原原理分析析............................................................42.2电电路设计计................................................................................52.2．11RLLC串联联电路........................................................................52.3仿真真结果及及所得曲曲线...................................................................62.3.11RLCC串联电电路谐振振....................................................................62.4曲曲线分析析及总结结......................................................................1102.4.11RLLC串联联谐振电电路的曲曲线分析析.....................................................103单管放放大电路路的静态态工作点点及交流流扫描分分析.........................................1123.1设设计电路路..............................................................................1123.2电电路分析析..............................................................................1123.2.11理论分分析............................................................................1223.2.22静态分析析............................................................................133.2.33动态分析析............................................................................144心得体体会................................................................................1775参考文文献...............................................................................18本科生课程程设计成成绩评定定表...............................................................191CAAA设计软软件Psspicce简介介从20世纪纪50年年代晶体体管电路路逐步取取代电子子管电路路以来，半半导体电电路经历历了小规规模集成成电路((SSII)、中中规模集集成电路路(MSSI)、大大规模集集成电路路(LSSI)、超超大规模模集成电电路(VVLSII)和甚甚大规模模集成电电路(UULSII)4个个发展阶阶段，使使集成电电路的功功能越来来越强，集集成度越越来越高高，规模模越来越越大。要要分析和和设计复复杂的电电子系统统，人工工分析、设设计已不不适用，必必须采用用计算机机辅助分分析与设设计，即即采用CCAA与与CADD(CoompuuterrAiideddAnnalyysissanndDDesiign))技术。正正因为如如此，CCAA与与CADD已经成成为分析析和设计计电子电电路的关关键技术术之一，各各种软件件也应运运而生，SSpicce和PPspicce软件件相继问问世。..

Sppicee(SiimullatiionProograamwwithhInnterrgraadeddCiircuuitEmpphassis，侧侧重于集集成电路路的模拟拟程序))是美国国加利福福尼亚大大学伯克克莱分校校研制的的模拟电电路仿真真标准软软件，从从20世世纪700年代初初期问世世以来已已经有220多个个版本。PPspicce是美美国Miicroosimm公司开开发的众众多Sppicee不同分分支中的的一种，主主要用于于PC机机上，实实现电子子电路设设计的模模拟和仿仿真。

Pspicce可以以进行模模拟电路路分析、数数字电路路分析和和数模混混合电路路分析，因因此在设设计制作作实际电电路前，可可以使用用它模拟拟电路的的性能，调调整器件件参数，分分析电路路的结构构，而且且这种分分析不受受器件的的数量、类类型和损损耗情况况的限制制，不需需要任何何实际仪仪器。它它还可以以快速、方方便、精精确地评评价电路路设计的的正确性性，获得得电路的的技术指指标，节节省大量量的时间间和费用用。同时时，它还还能反映映元器件件的改变变对电路路所造成成的影响响，分析析一些较较难测量量的电路路特性，例例如噪声声、频谱谱分析、失失真、器器件和环环境温度度对电路路的影响响等，从从而大大大提高电电路的设设计质量量。可见见Pspicce软件件相当于于一个模模拟的“实实验台”，可可以代替替大部分分制板实实验工作作，所以以一般来来说，PPspicce是进进行实际际电路工工作前必必要的仿仿真过程程。但是是要想利利用它得得到好的的设计结结果还必必须具备备使用此此工具的的熟练能能力和丰丰富经验验。

PPSpiice有有很多优优点：第一，Psspicce的元元器件模模型库提提供了几几千种常常用器件件，包括括电阻、电电容、电电感、晶晶体管和集集成电路路，用户户可以直直接调用用，也可可以自己己建立模模型，或或对库中中已有的的器件模模型进行行修改。第二，利用用Pspicce的仿仿真功能能，可以以对一些些传统方方法难以以进行的的实验进进行仿真真模拟，比比如电路路的温度度特性、容容差、灵灵敏度、最最坏情况况分析等等，提高高电路分分析和设设计的应应用范围围。第三，利用用Pspicce的图图表功能能，可以以对电路路进行仿仿真测试试，不仅仅能测试试电路的的静态工工作点、放放大倍数数、输入入输出阻阻抗参数数，还可可以描绘绘模拟电电路和数数字电路路中各测测试点的的波形，观观察器件件或温度度的变化化对电路路性能的的影响，比比如饱和和失真、截截止失真真、放大大倍数的的上升与与下降等等因素对对器件的的影响。第四，Psspicce仿真真系统中中为用户户提供了了节点访访问，用用户通过过在电路路中标上上节点号号，然后后就可以以在仿真真图中观观测到各各个节点点以及各各节点之之间的情情况。同同时，仿仿真结果果图还向向用户提提供了加加、减、乘乘、除等等基本的的数学运运算，提提供了绝绝对值、均均方差、正正弦、余余弦、对对数、指指数等基基本函数数运算，这这是其他他软件所所无法比比拟的。第五，Psspicce实用用性强，仿仿真效果果好。因因为如果果用Prroteel等软软件仿真真时，仿仿真过程程复杂，当当改变某某个参数数，即使使是电阻阻值或是是电容值值，都需需要重新新建立网网络表的的连接，而而在Psspicce中，改改变参数数的仿真真是非常常容易实实现的。第六，Psspicce操作作简单、易易学，高高版本采采用Wiindoows界界面、菜菜单式结结构，使使用鼠标标和键盘盘热键进进行操作作，工作作效率更更高。...

美美国的OOrCAAD公司司是世界界上知名名度很高高的EDDA公司司。19998年年OrCCAD公公司与开开发Psspicce软件件的Miicroosimm公司实实现了强强强联合合，推出出了新版版本OrrCADDPsspicce99。OrrCADDPsspicce99不仅大大大丰富富和完善善了模拟拟电路的的分析功功能，也也进一步步增强了了数字电电路、数数／模混混合电路路的分析析功能。OrCADDPsspicce99的逻辑辑模拟功功能有：：第一，分析析数字电电路输出出与输入入之间的的逻辑关关系；第二，分析析数字电电路的延延迟特性性；第三，对同同时包含含有模拟拟器件和和数字器器件的电电路进行行数／模模混合模模拟，可可以同时时显示出电路路内部的的模拟信信号和数数字信号号波形；；第四，检查查数字电电路中是是否存在在时序异异常和冒冒险竞争争现象；；第五，实现现最坏情情况逻辑辑模拟。目前，OrrCADD公司已已经推出出了Psspicce最新新版本PPspiice9．22，其功功能更加加完善Pspicce仿真真软件是是省时、经经济地从从事科研研工作的的有力手手段，它它给电路路设计者者和软件件使用者者提供了了极大的的便利，具具有极大大的工程程应用价价值。Pspicce是计计算机辅辅助分析析设计中中的电路路模拟软软件。它它主要用用于所设设计的电电路硬件件实现之之前，先先对电路路进行模模拟分析析，就如如同对所所设计的的电路用用各种仪仪器进行行组装、调调试和测测试一样样，这些些工作完完全由计计算机来来完成。用用户根据据要求来来设置不不同的参参数，计计算机就就像扫描描仪一样样，分析析电路的的频率响响应，像像示波器器一样，测测试电路路的瞬态态响应，还还可以对对电路进进行交直直流分析析、噪声声分析、MMontteCCarllo统计计分析、最最坏情况况分析等等，使用用户的设设计达到到最优效效果。以以往一个个新产品品的研制制过程需需要经过过工程估估算，试试验板搭搭试、调调整，印印刷板排排版与制制作，装装配与调调试，性性能测试试，测试试指标不不合格，再再从调整整开始循循环，直直至指标标合格为为止。这这样往往往需要反反复实验验和修改改。而仿仿真技术术可将“实实验”与与“修改改”合二二为一。为为确定元元件参数数提供了了科学的的依据。它它的优点点主要有有：(1))为电路路设计人人员节省省了大量量的时间间。(2))节省了了各种仪仪器设备备。(3))生产产产品一致致性好、可可靠性高高。(4))产品的的更新率率高、新新产品投投放市场场快等。Pspicce程序序采用改改进节点点法列电电路方程程，用牛牛顿-莱莱普生方方法的改改进算法法进行非非线性分分析，用用变节步步长的隐隐式积分分法进行行瞬态分分析，在在求解线线性代数数方程组组时，采采用了稀稀疏矩阵阵技术。本次课程程设计即即采用PPspiice软软件进行行电路图图绘制及及仿真。2RRLC串串联电路路的谐振振分析2．1原理理分析2.1..1RLLC串联联谐振原原理分析析（1）本次次设计采采用3条条RLCC串联支支路，分分3种QQ值进行行阻抗、电电流频率率特性分分析。在在每一条条RLCC串联电电路中，在在可变频频的电压压源V11的激励励下，由由于感抗抗、容抗抗随频率率变动，所所以电路路中的电电流应亦亦随频率率变动。输入阻抗频率特性表表示为由于串联电电路中同同时存在在电感LL和电容容C，两两者的频频率特性性不仅相相反，而而且直接接相减。所所以可以以肯定，一一定存在在一个频频率w00，使感感抗容抗抗完全抵抵消，即即X（jjw0）=00.此时时，（jjw0）=00，RLLC串联联电路发发生串联联谐振，即即电感电电容同时时存在，且且满足。则则谐振频频率f00=RLCC串联谐谐振频率率只有一一个，且且只与RR、L有有关，与与电阻RR无关。（2）只有有当输入入信号VV1的频率率与电路路的固有有频率ff0相同时时，才能能在电路路中激起起谐振。电电路在谐谐振时的的电流II（jw0）为极极大值，也也是最大大值，即即谐振峰峰。当VV1的幅度度不变，谐谐振峰仅仅与电阻阻R有关关，改变变R即能能改变谐谐振峰的的大小。(3)串联联谐振时时，电抗抗电压UUx（jww0）=00，L、CC串联端端口相当当于短路路两者模模值相等等且反相相，完全全抵消，则定义谐振电路的品质因数QQQQ值综合合反映了了电路中中三个参参数对谐谐振状态态的影响响。2.2电电路设计计2.2.11RLLC串联联谐振电电路设计计图3.1RLCC串联谐谐振电路路如图所示，电电路中用用到的元元器件有有：电阻阻R1,,R2,,R3,,其阻值值分别为为：1，22，1..电感LL1,LL2,LL3的电电感值分分别为：：30mmh，335mhh，355mh。电电容C11,C22,C33，容值值都为：：0.11u。其其参数设设置用控控制变量量法，以以便于分分别研究究R,LL,C对对谐振的的影响。2.3仿仿真结果果及所得得曲线2.3.11RLLC串联联谐振分分析在不同情况况下频率率的取值值范围分分别设置置为：表4.1各情况况下所取取频率范范围表Startt（单位位：KHHz）End（单单位：KKHz）只显示I（RR1）一条条曲线时时2.852.95只显示I（RR2）一条条曲线时时2.53.5只显示I（RR3）一条条曲线时时2.53.5显示I（RR1）I（RR2）I（RR3）三条条曲线时时2.53.5设置好后，执执行Psspicce下Runn，出现现Proobe窗窗口。执执行Trracee下AdddTrracee命令即即可看到到I（RR1）、II（R22）、II（R33）阻抗抗、电流流频率特特性曲线线。如图图：图44.1R1支支路的频频率响应应曲线（RR1支路路谐振时时，该支支路电流流达到最最大）图4.2R2支支路的频频率响应应曲线（RR2支路路谐振时时，该支支路电流流达最大大）图图4.33R33支路的的频率响响应曲线线（R33支路谐谐振时，该该支路电电流达最最大）图图4.44R1123的的频率响响应曲线线（谐振振频率与与R无关关，谐振振峰与RR成反比比）图4.5阻抗曲曲线（谐谐振时，阻阻抗最小小）图4.6相相频响应应曲线2.4曲曲线分析析及总结结2.4.11RLLC串联联谐振分分析阻抗及频率率特性分分析（1）RR1支路，对对该RLLC串联联电路，当当谐振时时阻抗=RR+=RR1，为最最小值，如如图4..5所示示。此时电路中中电流达到到最大II(R11)=UU/R11=1//2A=0..5A,如图44.1所所示。谐振频率f0==KHzz，如图图波峰处处。品质因数（2）RR2支路，对对该RLLC串联联电路，当当谐振时时阻抗=RR+=RR2，为最最小值，如如图4..5所示示。此时电路中中电流达到到最大II(R22)=UU/R22=1//2A=0..5A,如图图4.22所示。谐振频率f0==KHzz，如图图波峰处处。品质因数（3）RR3支路路，对该该RLCC串联电电路，当当谐振时时，阻抗=RR+=RR3，为最最小值，如如图4..5所示示。此时电路电电流达到到最大II(R33)=UU/R33=1//1A=1A,如图44.3所所示。谐振频率f0==KHzz，如图图波峰处处。品质因数（4）图44.4对对应于RR1、R2、R3支路，对对该三支支RLCC串联电电路，在在曲线图图中可以以清楚的的看到RR值不同同L、CC值相同同的R2支路、RR3支路各自自发生串联联谐振时时：曲线线峰值为为同一频频率，表表明谐振振频率与与R无关；；曲线峰峰值大小小不同，表表明谐振振峰与RR有关，且且成反比比。在曲曲线图中中还可以以看到LL值不同同R、CC值相同同的R1、R2支路各自自发生串联联谐振时时：曲线线峰值不不是同一一频率，表表明谐振振频率与与L有关，同同理可分分析谐振振频率与与C值也有有关。（5）图图4.66显示出出R1、R2、R3三条支支路的相相频响应应变化。3单管放放大电路路的静态态工作点点及交流流扫描分分析。3.1设设计电路路本电路设计计采用了了三极管管的共集集连接方方式（射射级输出出器）。具具体电路路如下图图：图1.1射级输输出器3.2电路路分析如图所示，本本设计电电路是为为了实现现三极管管的单管管放大功功能，则则应该保保证其中中的三极极管能够够正常放放大。如如下图所所示，该该图为其其直流通通路，工工作电压压选取三三极管22N39004的额额定工作作电压112V。然后，为为了减小小信号源源的输出出波动以以及一些些不可预预知因素素，在本本设计中中作者加加入了由由和组成的的基级分分压式射射级偏置置电路来来稳定该该三极管管的静态态工作点点，避免免三极管管受到输输入信号号波动和和温度变变化的影影响（具具体见后后的交流流扫描的的温度分分析），而而使得三三极管工工作在非非线性区区，从而而产生意意外的非非线性失失真。具具体而言言，=1100kk,且=330k，近近乎于33：1的的比例，从从而可以以将基级级的电位位稳定在在2.55V左右右（经过过静态分分析之后后得到该该基级电电位是22.5444V）。然然后三极极管的基基级与射射级的压压降是00.7VV左右（经经过静态态分析之之后得到到压降具具体是00.6773V），射射级的电电位是11.8VV左右（经经过静态态分析之之后得到到该射级级电位是是1.8871VV）。图2.1..1.11直流流通路电电路图由图可知，由由于电阻阻对静态态工作点点的自动动调节（负负反馈）作作用，该该电路的的Q点基基本稳定定。本电电路设计计中的==3.33k,=1..3k。则则是为了了控制电电流在三三极管线线性工作作区域内内，而不不至于太太大产生生饱和失失真。其其中集电电极电流流为1..4299mA,,基级电电流是00.97753mmA。如如下式：：3.2.22动态态分析图2.1..2.11交流流等效电电路用BJT的的H参数数小信号号模型取取代图11.1中中的BJJT，即即可得到到共集电电极放大大电路的的小信号号等效电电路，如如图所示示。根据电压增增益、输输入电阻阻的定义义，由图图2.11.2..1可分分别得到到、的表达达式：∵1+β≈≈β,且且β(Ree//RRL)>>>rbbe∴Ri≈RRb///β(Ree//RRL)3.2.22静态分分析静态工作点点分析设设置如下下：图2.2..1静静态工作作点设置置静态工作点点分析如如图：图2.2..2静静态工作作点（电电压标记记）图2.2..3静静态工作作点（电电流）图2.2..4静静态工作作点（功功率）3.2.33动态分分析3.2.33.1时时域分析析（瞬态态分析）：在设置中，可可以设置置波形图图中有55个周期期，即55ms。信信号源采采用的是是1kHHz，则则设置如下图2.3..1.11瞬态态分析设设置波形图如下下（电压压、电流流只截取取了前三三个周期期）：图2.3..1.22电压输输出波形形图2.3..1.33电流输输出波形形射级输出器器是对电电压保持持输出基基本不变变，对电电流放大大，由上上两图可可知其电电路放大大倍数为为1.55uA//3800nA==3.994.3.2.33.2交交流分析析:设置如下：：图2.3..2.11通频频带分析析设置幅频与相频频曲线输输出波形形图：图2.3..2.22幅频曲曲线通频带为上上限频率率减去下下限频率率，即：：23..9688M-33.75504==23..9688M图2.3..2.22相频频曲线可以看出，通通频带中中的相位位变化不不大。故故在通频频带中，相相位稳定定。4.心得体体会（另另附页）心得体会这次课程设设计的完完成过程程比较漫漫长，在在设计的的完成过过程中出出现了各各种各样样的问题题。但是是，经过过询问同同学，网网上查资资料，已已经查阅阅相关的的参考资资料，这这些问题题都得到到了很好好的解决决。在课课设完成成后，我我发现我我对于电电路的理理解更进进了一步步，对相相关的原原理也理理解的更更透彻了了。在设计中，最最先出现现的问题题，也是是我最陌陌生的问问题就是是软件的的应用。因因为从来来没有接接触过，加加之我对对电脑的的应用也也不是很很精通，使使我在学学习的过过程中出出现了很很多问题题。首先先，我像像班级里里的对电电脑比较较精通的的同学教教会我怎怎样安装装，运行行软件;;然后，我我通过自自己查找找参考书书和在网网上搜索索，逐步步学习和和摸索软软件中的的各项应应用，和和它的原原理，作作用。逐逐渐的学学会了软软件的应应用。在课设的进进行中，我我的基础础知识不不够扎实实的漏洞洞就暴露露出来了了。因为为在课本本的理论论学习中中在老师师讲课时时没有认认真听讲讲，错过过了很多多要点，使使得对原原理的理理解，学学习都一一知半解解，