電流電壓轉(zhuǎn)換電路及仿真

　　1 引言

　　本文基于PSPICE和EWB兩種仿真軟件，分析討論將微弱電流轉(zhuǎn)換成3-5V電壓的電路仿真。

　　2 PSPICE和EWB軟件簡(jiǎn)介及比較

　　1) PSPICE軟件簡(jiǎn)介

　　PSPICE是一種通用的電子電路分析模擬軟件，它主要用于在對(duì)所分析的電路硬件實(shí)現(xiàn)之前，先用計(jì)算機(jī)對(duì)電路進(jìn)行模擬分析。它以SPICE語(yǔ)言為內(nèi)核，可以將通過(guò)各種途徑得到的SPICE語(yǔ)言描述的器件模型加入模型庫(kù)。PSPICE9.0與傳統(tǒng)的SPICE相比較，具有六大功能模塊：電路原理圖設(shè)計(jì)模塊Capture、核心模塊PSPICE A/D、激勵(lì)信號(hào)編輯模塊Stimulus Editor、模型參數(shù)提取模塊、模擬分析和顯示模塊、優(yōu)化模塊Optimizer。其模擬功能有：

　　(1)直流分析：計(jì)算電路的直流工作點(diǎn)。直流小信號(hào)傳輸函數(shù)，直流轉(zhuǎn)移特性曲線。

　　(2)交流小信號(hào)分析：頻域分析(計(jì)算電路的幅頻和相頻特性)和噪聲分析(計(jì)算每個(gè)頻率點(diǎn)上指定輸出端的等效輸出噪聲和指定輸入端的等效輸入噪聲)。

　　(3)瞬態(tài)分析：在用戶指定區(qū)間內(nèi)進(jìn)行電路的瞬態(tài)特性分析;在大信號(hào)正弦激勵(lì)下。對(duì)輸出波形進(jìn)行傅立葉分析。計(jì)算出基波和9次諧波系數(shù)以及失真系數(shù)。

　　(4)靈敏度分析：計(jì)算電路元器件參數(shù)變化引起電路輸出量變化，包括直流靈敏度分析和交流小信號(hào)靈敏度分析。

　　(5)容差分析：計(jì)算電路元器件參數(shù)偏離標(biāo)稱值情況下，對(duì)電路輸出特性的影響。包括蒙特卡羅分析和最壞情況分析。

　　(6)溫度分析：根據(jù)用戶指定的溫度。進(jìn)行不同溫度下電路特性分析。

　　(7)優(yōu)化設(shè)計(jì)：在給定電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電路性能約束情況下，確定電路元器件的最佳參數(shù)組合。

　　2)EWB軟件簡(jiǎn)介

　　EWB軟件是加拿大Interactive Image Technologies公司于20世紀(jì)80年代末，推出的專用電子線路仿真軟件。它可以在計(jì)算機(jī)上模擬進(jìn)行電路的連接、元件型號(hào)、參數(shù)的選擇，然后選擇所需的虛擬測(cè)試儀器對(duì)電路進(jìn)行仿真運(yùn)行和測(cè)試，并在模擬儀器上讀出測(cè)試結(jié)果。繪制電路圖所需的元器件、電路仿真所需的測(cè)試儀器均可直接從屏幕上抓取，而且儀器的操作開關(guān)、按鍵同實(shí)際儀器極為相似。它基于SPICE3語(yǔ)言，可以讀入SPICE格式的電路網(wǎng)表文件進(jìn)行模擬分析，還可以以OrCAD格式的電路網(wǎng)表文件。它擁有龐大的元器件庫(kù)，元器件總數(shù)達(dá)近萬(wàn)種，提供了電路仿真軟件實(shí)用化的必備保證。除可使用虛擬儀器外，它還可對(duì)電路進(jìn)行更為詳盡的分析。其分析結(jié)果均以圖形或報(bào)表的形式表現(xiàn)出來(lái)，共有13種分析方法：直流工作點(diǎn)分析、交流頻率分析、瞬態(tài)分析、傅立葉分析、噪聲分析、失真分析、參數(shù)掃描分析、溫度掃描分析、傳遞函數(shù)分析、零極點(diǎn)分析、直流和交流靈敏度分析、蒙特卡羅分析和最壞情況分析。

　　3)比較

　　(1)EWB界面直觀，操作方便，容易掌握。相對(duì)于其它的仿真軟件，它的價(jià)格極低，具有極高的價(jià)格性能比。

　　(2)同EWB相比較，PSPICE具有如下的優(yōu)點(diǎn)：一是信號(hào)源種類多，尤其是瞬態(tài)分析的信號(hào)源：二是輸出波形功能強(qiáng)大，只需在所觀測(cè)的節(jié)點(diǎn)放置電壓(電流)探針，就可以在仿真圖中觀測(cè)結(jié)果。它還集成了許多數(shù)學(xué)運(yùn)算，還可以對(duì)仿真結(jié)果窗口進(jìn)行編輯。用PSPICE軟件對(duì)電子電路進(jìn)行仿真雖不如EWB簡(jiǎn)便，但是它可以完成許多EWB無(wú)法完成的任務(wù)。所以對(duì)電子電路仿真最好配合使用這兩種軟件。

　　3 微電流/電壓轉(zhuǎn)換電路圖原理及仿真分析

　　1 電路圖原理

　　由于實(shí)際中遇到的有用信號(hào)都很小且共模干擾很高，因此選擇高增益、高共模抑制比和高輸入阻抗的三級(jí)運(yùn)放差分放大檢測(cè)電路，其原理圖如圖(1)所示：

　　圖1三級(jí)運(yùn)放差分放大檢測(cè)電路

　　圖中運(yùn)放A1、A2接成比例運(yùn)算電路形式，且兩者都：采用同相輸入使得電路輸入阻抗高。電路結(jié)構(gòu)采用對(duì)稱形式，外圍電阻采用高精密電阻，使得漂移、噪聲、失調(diào)電壓和失調(diào)電流等相互抵消，以提高電路的測(cè)量精度，否則電路的放大倍數(shù)、共模抑制比和精度等將明顯降低。根據(jù)集成運(yùn)放的虛短和虛斷原理?？傻幂斎胼敵鲫P(guān)系為：

　　2.應(yīng)用EWB仿真

　　(一)根據(jù)圖(1)畫出電路原理圖：

　　(1)新建一張電路圖紙

　　單擊File->New即可新建一張空白的電路圖。

　　(2)圖紙?jiān)O(shè)置

　　單擊Circuit->Schematic Options即可對(duì)新建的電路圖進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。

　　(3)放置所需的元器件

　　從元器件柜欄抓取所需的元器件

　　(4)元器件編輯，元器件布局調(diào)整，連線。

　　(5)運(yùn)行仿真，從虛擬儀器觀察輸出或某些節(jié)點(diǎn)的電氣參數(shù)(電流、電壓、功率等)。

　　(二)以輸入15uA電流為例。先選中元器件。右擊鼠標(biāo)，從彈出的菜單中選擇Component Properties按照要求對(duì)元器件進(jìn)行相應(yīng)的編輯。如果元器件是集成運(yùn)放，還可從Model選中Edit對(duì)運(yùn)放模型進(jìn)行相應(yīng)的改動(dòng)，如偏置電流、開環(huán)增益、輸入阻抗等參數(shù)的改動(dòng)。按照要求，選擇元器件并設(shè)置參數(shù)后，合理布置元器件并布圖連線后，微弱電流/電壓轉(zhuǎn)換電路圖為圖(2)。