OKI（900）型手機(jī)信號(hào)發(fā)射電路中鑒相器的噪聲仿真

【摘　要】采用全能OrCAD混合電路仿真Pspice A/DV9軟件，對(duì)OKI(900)型手機(jī)信號(hào)發(fā)射電路中的鑒相器進(jìn)行了噪聲仿真。
?? 關(guān)鍵詞：電子噪聲 仿真分析 鑒相器
　
　? 本文采用了OrCAD公司2000年3月推出的全能OrCAD混合電路仿真Pspice A/DV9軟件，對(duì)OKI(900)型手機(jī)信號(hào)發(fā)射電路中的鑒相器進(jìn)行了噪聲仿真，通過(guò)分析仿真結(jié)果，對(duì)電路噪聲的特點(diǎn)有了更充分的了解，需要提到的是：Pspice A/DV9功能強(qiáng)大，它不僅可對(duì)電路進(jìn)行噪聲仿真，也可對(duì)電路進(jìn)行直流掃描分析、交流掃描分析、暫態(tài)分析和溫度分析等等，電路設(shè)計(jì)者若掌握這一利器，將有助于提高電路設(shè)計(jì)效率。
1 噪聲的產(chǎn)生
?? 在電子電路中，噪聲主要來(lái)自兩個(gè)方面：
　　(1)電阻熱噪聲是由內(nèi)部自由電子的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。自由電子在熱運(yùn)動(dòng)中經(jīng)常相互碰撞，其運(yùn)動(dòng)速度的大小和方向都是不規(guī)則的，溫度越高，運(yùn)動(dòng)越劇烈。自由電子的這種熱運(yùn)動(dòng)在半導(dǎo)體內(nèi)形成非常微弱的電流，這種雜亂起伏的狀態(tài)稱(chēng)為起伏噪聲電流。起伏噪聲電流流過(guò)電阻就會(huì)在其兩端產(chǎn)生起伏噪聲電壓。
　　由于起伏噪聲電壓的變化是不規(guī)則的，其瞬間振幅和瞬時(shí)相位是隨機(jī)的，所以無(wú)法計(jì)算其瞬時(shí)值，起伏噪聲電壓的平均值為零，噪聲電壓是不規(guī)則地偏離此平均值而起伏變化的，但起伏噪聲電壓的均方值是確定的，可以用功率計(jì)測(cè)量出來(lái)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)無(wú)線電頻段內(nèi)，當(dāng)溫度一定時(shí)，單位電阻上所消耗的平均功率在單位頻帶內(nèi)幾乎是一個(gè)常數(shù)，對(duì)照白光內(nèi)包含所有可見(jiàn)光波長(zhǎng)這一現(xiàn)象，人們把這種在整個(gè)無(wú)線電頻段內(nèi)具有均勻頻譜的起伏噪聲稱(chēng)為白噪聲。
?? (2)晶體管噪聲
　　晶體管的噪聲主要有熱噪聲、散熱噪聲、分配噪聲和閃爍噪聲等。其中熱噪聲和散熱噪聲是白噪聲，其余為有色噪聲。
　　熱噪聲：在晶體管中，電子不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生熱噪聲，它主要存在于基極電阻內(nèi)，發(fā)射極和集電極的熱噪聲一般很小，可以忽略。
　　散熱噪聲：由于少數(shù)載流子通過(guò)PN結(jié)注入基區(qū)時(shí)，即使在電流工作情況下，其數(shù)量也是隨機(jī)的，即單位時(shí)間輸入基區(qū)的載流子數(shù)目不同，因而到達(dá)集電極的載流子數(shù)目也不同，由此引起的噪聲稱(chēng)為散熱噪聲。散熱噪聲具體表現(xiàn)為發(fā)射極電流以及集電極電流的起伏現(xiàn)象。
　　分配噪聲：在晶體管中，通過(guò)發(fā)射結(jié)的非平衡載流子大部分到達(dá)集電結(jié)，形成集電極電流。這兩部分電流的分配比例是隨機(jī)的，從而造成集電極電流在靜態(tài)值上下起伏變化，產(chǎn)生噪聲，這就是分配噪聲?！　?br>??? 分配噪聲實(shí)際上也是一種散熱噪聲，但它的功率譜密度是隨頻率變化的，頻率越高，噪聲越大。
　　閃爍噪聲：產(chǎn)生這種噪聲的機(jī)理目前還不甚明確，一般認(rèn)為是由于晶體管表面清潔處理不好或缺陷引起的，其特點(diǎn)是頻譜集中在約1kHz以下的低頻范圍，且功率譜密度隨頻率降低而增大，在高頻工作時(shí)，可以忽略閃爍噪聲。
2 鑒相器的原理分析
　　鑒相器是一個(gè)相位比較裝置，用來(lái)檢測(cè)輸入信號(hào)的相位ui(t)與反饋信號(hào)相位uo(t)，它的輸出是與uo(t)成函數(shù)關(guān)系的誤差信號(hào)
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　? 這個(gè)誤差信號(hào)的特點(diǎn)可以是多種多樣的，有正弦特性、三角特性、鋸齒特性等等。本文用的是正弦特性，它由模擬相乘器和低通濾波器（LPF）串接而成，如圖1所示。
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??? 設(shè)相乘器的相乘系數(shù)為Km〔單位為1／V〕，輸入信號(hào)ui(t)與反饋信號(hào)uo(t)經(jīng)相乘作用：
　　　　　　　　　　　　　　　
經(jīng)過(guò)低通濾波器（LPF），濾除2ω成分之后，得到誤差電壓：
　　　　　　　　　　　　　　
相器的鑒相特性為：
　　　　　　　　ud(t)＝Ud*sinθe
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3 鑒相器的噪聲仿真
　　本文采用Pspice A／DV9軟件對(duì)鑒相器進(jìn)行了噪聲仿真，具體步驟如下。
?? （1）繪出電路圖，設(shè)置交流參數(shù)。
　　·建立項(xiàng)目文件，使用Pspice\NewSimulationProfile選項(xiàng)，在Simulation對(duì)話框中輸入所仿真的電路文件名。
　　·在Simulation Setting下拉菜單中選擇ACSweep項(xiàng)，執(zhí)行交流分析。
　　·設(shè)置Noise Analysis欄內(nèi)各噪聲分析的參數(shù)，設(shè)置內(nèi)容如下：
??? Enable：噪聲分析功能，用鼠標(biāo)打勾。
　　Output Voltage：指定對(duì)此輸出電壓節(jié)點(diǎn)或兩節(jié)點(diǎn)之間電壓差執(zhí)行噪聲分析，現(xiàn)設(shè)置為Vo（Vo）。　
? 　I／VSource：指定等效輸入噪聲源，其實(shí)就是將各文件的噪聲以均方根的形式合并到該信號(hào)源上，本文取VS·RC。
　　Internal：設(shè)置文字輸出檔間隔頻率數(shù)，若不設(shè)置或設(shè)置為0，則不會(huì)產(chǎn)生輸出記錄。
?? （2）存檔并執(zhí)行Pspice。
　　·用File\Save存檔。
??? ·單擊Pspice\Run功能來(lái)啟動(dòng)Pspice執(zhí)行仿真，屏幕會(huì)自動(dòng)打開(kāi)Probe窗口。
?? （3）使用Probe觀察結(jié)果。
　　·使用Probe空?qǐng)D的Trace\Add Trace的選項(xiàng)上，打開(kāi)Add\Trace對(duì)話框，選擇V（ONOISE），并調(diào)整橫軸坐標(biāo)范圍，觀察等效輸出噪聲的頻譜分布圖（見(jiàn)圖3）。
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　　·從圖（3）的輸出噪聲頻譜圖中可明顯看出：在高頻時(shí)，曲線下彎，也就是噪聲振幅變小，若在低頻時(shí)，噪聲曲線稍高，這說(shuō)明該電路在低頻時(shí)更易受噪聲干擾，電路中各元件受噪聲干擾的數(shù)值可參見(jiàn)Probe所產(chǎn)生的輸出文本文件的內(nèi)容。
　　本文僅對(duì)鑒相器電路進(jìn)行了噪聲分析，用同樣的方法，還可對(duì)該電路進(jìn)行直流掃描分析、暫態(tài)分析和溫度分析等等。鑒于篇幅關(guān)系，這里不再一一敘述。