广告

用于电路分析和设计的Spice仿真指南–第7部分:交流分析

2023-09-26 15:43:59 Giovanni Di Maria 阅读:
SPICE中的交流分析是评估电子电路频率响应的主要技术之一。

在本文中,我们将探讨使用“.AC”指令进行交流分析,这是评估电路频率响应的主要技术之一。它是SPICE最强大的功能之一,它让人们能够研究电路的频率响应,即电路对不同频率信号的反应。从带通滤波器的响应到高频电路中的振荡,借助它,设计人员可以了解电路在不同情况下的行为。DTrednc

电容器容抗

让我们通过一个简单的例子来了解一下.AC指令的运行原理。图1显示了一个由以下电子元件组成的电路:DTrednc

  • V1:12V正弦电压发生器,频率可变。
  • C1:3.3uF的电容器。
  • R1:1Ω的电阻。

在交流状态下,电容器的行为与电阻器类似。换句话说,电容器的容抗随信号频率变化,当然也随电容器的电容值变化。容抗是电子学中的一个基本概念,代表交流电流过电容器时电容器呈现的“虚拟”电阻。频率越低,容抗越大,交流电通过时电容器的抵抗力越大。随着频率的增加,容抗减小,电容器允许更多的电流通过。在交流状态下,电容器的容抗由以下公式给出:DTrednc

DTrednc

其中:DTrednc

  • Xc是电容器的容抗,以Ω为单位。
  • f是信号的频率,以Hz为单位。
  • C是电容器的电容值,以F为单位。

容抗用于滤波电路,其中电容器在不同的工作频率下表现不同。基于这种行为,3.3uF电容器在不同频率下的阻抗如下:DTrednc

  • 1000Hz:48.23Ω
  • 2000Hz:24.11Ω
  • 3000Hz:16.07Ω
  • 4000Hz:12.06Ω
  • 5000Hz:9.64Ω
  • 6000Hz:8.04Ω
  • 7000Hz:6.89Ω
  • 8000Hz:6.03Ω
  • 9000Hz:5.36Ω
  • 10000Hz:4.82Ω

图1中的图表显示了频率在1Hz到10kHz之间时流经电容器和电阻器的电流变化趋势。DTrednc

DTrednc

图1:电容器在不同频率下具有不同的容抗DTrednc

LTspice中使用的指令如下:DTrednc

.ac lin 10000 1 10kDTrednc

其中:DTrednc

  • .ac表示正在进行频率分析。
  • Lin表示它是线性分析,频率在指定范围内线性递增。
  • 10000是进行分析的点数。换句话说,仿真器在指定频率范围内的10,000个不同点上进行分析。
  • 1是频率的初始值(以Hz为单位)。
  • 10k是频率的最终值(以Hz为单位)。后缀“k”表示该值以kHz为单位。

从本质上来说,通过运行一次仿真,设计人员可以观察电路在不同频率下的行为。LTspice使用并自动创建的SPICE源文件如下:DTrednc

* REACTANCE by Giovanni Di MariaDTrednc

V1 in 0 SINE(0 1 1K) AC 12DTrednc

C1 in N001 3.3uFDTrednc

R1 N001 0 1DTrednc

.ac lin 10000 1 10kDTrednc

.backannoDTrednc

.endDTrednc

在ngspice中,SPICE脚本略有不同,如下所示。不过,结果与前面的软件中的结果相同。在本例中,分析已扩展到500kHz的频率。DTrednc

* REACTANCE by Giovanni Di MariaDTrednc

V1 in 0 SINE(0 1 1K) AC 12DTrednc

C1 in N001 3.3uFDTrednc

R1 N001 0 1DTrednc

.probe alliDTrednc

.controlDTrednc

   ac lin 10000 1 500kDTrednc

   plot i(R1)DTrednc

.endcDTrednc

.endDTrednc

需要注意的是,正弦电压源配置频率为1Khz,电压为1V(零峰值),但在交流分析机制中,这一设置将被忽略,取而代之的是“AC 12”子句,它将电压源精确设置为12V。在ngspice中运行SPICE源文件会生成R1上的电流图,如图2所示,并将其与LTspice生成的图形进行比较。DTrednc

DTrednc

图2:使用LTspice(上)和ngspice(下)绘制的不同频率下R1上的电流图DTrednc

无源带通滤波器的创建和仿真

本节介绍RLC带通滤波器的仿真,更重要的是,观察其频率响应,RLC带通滤波器是用于从电信号中选择特定频率的重要组件。如图3所示,它由三种主要类型的元件组成,即电阻器(R)、电感器(L)和电容器(C)。这些组件可以根据需要串联或并联连接。RLC带通滤波器仅选择并允许一定范围的频率通过,衰减低于和高于截止频率的频率。对于滤波器组件的计算,有相应的文献资料,并且还有许多有助于设计的工具、软件应用和计算器。示例中设计的滤波器具有以下特性:DTrednc

  • 滤波器:带通滤波器。
  • 类型:Chebyshev(切比雪夫)。
  • 阶数:3。
  • 下限截止频率:150Hz。
  • 上限截止频率:250Hz。
  • 输入阻抗:50Ω。
  • 输出阻抗:50Ω。

DTrednc

图3:带通滤波器接线图DTrednc

使用LTspice设计的滤波器中使用的组件如下:DTrednc

  • V1:输入音频信号。
  • R1:50Ω电阻器。
  • R2:50Ω电阻器。
  • C1:39uF电容器。
  • C2:8.2uF电容器。
  • C3:8.2uF电容器。
  • L1:电感18mH。
  • L2:电感82mH。
  • L3:电感82mH。

通常,电感值必须手动构建,但它们也很容易在市场上找到。接线图的生成可以通过LTspice的NETLIST SPICE实现:DTrednc

* Bandpass filter by Giovanni Di MariaDTrednc

V1 N001 0 SINE(0 1 1K) AC 12DTrednc

C2 N002 N003 8.2uFDTrednc

L2 N003 N004 82mHDTrednc

R1 N002 N001 50DTrednc

C1 0 N004 39uFDTrednc

L1 N004 0 18mHDTrednc

C3 N004 N005 8.2uFDTrednc

L3 N005 out 82mHDTrednc

R2 0 out 50DTrednc

.ac lin 10000 1 1kDTrednc

.backannoDTrednc

.endDTrednc

ngspice的NETLIST略有不同,但主要原理是相同的。DTrednc

* REACTANCE by Giovanni Di MariaDTrednc

V1 N001 0 SINE(0 1 1K) AC 12DTrednc

C2 N002 N003 8.2uFDTrednc

L2 N003 N004 82mHDTrednc

R1 N002 N001 50DTrednc

C1 0 N004 39uFDTrednc

L1 N004 0 18mHDTrednc

C3 N004 N005 8.2uFDTrednc

L3 N005 out 82mHDTrednc

R2 0 out 50DTrednc

.controlDTrednc

   ac lin 10000 1 1kDTrednc

   plot v(out)DTrednc

.endcDTrednc

.endDTrednc

图4显示了带有LTspice(浅色)和ngspice(深色)的带通滤波器的频率响应。前两张图以线性表示法显示横坐标和纵坐标的测量值。通过替换脚本命令,可以在ngspice中获取以分贝(Y)和对数刻度(X)为单位的图表:DTrednc

plot v(out)DTrednc

通过以下内容实现:DTrednc

plot vdb(out) xlogDTrednc

然而,使用LTspice,只需右键单击坐标轴即可更改其属性,对数图形完全相同。DTrednc

DTrednc

图4:使用LTspice和ngspice时的带通滤波器频率响应DTrednc

晶体管放大器的频率响应

作为最后一个示例,我们可以研究一个简单的共发射极晶体管放大器的频率响应,其电路图如图5所示。这是一个经典的放大器,在本例中将信号放大约16倍。当然,这里我们不打算解释它的工作原理。其ngspice脚本如下:DTrednc

* Amplifier by Giovanni Di MariaDTrednc

V1 N001 0 5VDTrednc

Q1 N002 N003 N004 0 BC547BDTrednc

R1 N001 N002 2.2kDTrednc

R2 N004 0 1kDTrednc

R3 N001 N003 22kDTrednc

R4 N003 0 10kDTrednc

C1 N003 In 10nFDTrednc

V2 In 0 SINE(0 10mV 1k) AC 10mVDTrednc

C2 Out N002 1µFDTrednc

R5 Out 0 47kDTrednc

C3 N004 0 100uFDTrednc

.model BC547B NPN(IS=2.39E-14 NF=1.008 ISE=3.545E-15 NE=1.541 BF=294.3 IKF=0.1357 VAF=63.2 NR=1.004 ISC=6.272E-14 NC=1.243 BR=7.946 IKR=0.1144 VAR=25.9 RB=1 IRB=1.00E-06 RBM=1 RE=0.4683 RC=0.85 XTB=0 EG=1.11 XTI=3 CJE=1.358E-11 VJE=0.65 MJE=0.3279 TF=4.391E-10 XTF=120 VTF=2.643 ITF=0.7495 PTF=0 CJC=3.728E-12 VJC=0.3997 MJC=0.2955 XCJC=0.6193 TR=1.00E-32 CJS=0 VJS=0.75 MJS=0.333 FC=0.9579 Vceo=45 Icrating=100m)DTrednc

.controlDTrednc

   ac lin 100000 1 900megDTrednc

   plot v(out) xlogDTrednc

.endcDTrednc

.endDTrednc

DTrednc

图5:简单共发射极晶体管放大器的电路图DTrednc

运行两个仿真(使用LTspice和ngspice)可得出两个放大器的频率响应。图形如图6所示,与放大器的输出电压相关,分别对应于LTspice(上)和ngspice(下)。同样,仿真是在频域中进行的,x轴代表频率,y轴表示放大器的线性输出电压。DTrednc

DTrednc

图6:使用LTspice(上)和使用ngspice(下)的共发射极放大器的频率响应DTrednc

结论

SPICE中的“.AC”分析是一种功能强大的工具,用于观察和分析电子电路的频率响应。它使工程师能够评估不同频率情况下的设计行为,并优化电路性能。它对于滤波器和放大器的设计尤其有用。从示例中可以看出,LTspice和ngspice生成的频域图有时会略有不同。这一事实应该让我们明白,在进行相对复杂的分析时,两个仿真器的表现往往会略有不同。正是由于这个原因,我们建议使用两到三种不同的仿真器运行多次电子仿真,以观察结果之间的差异。DTrednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News,参考链接:Guide to Spice Simulation for Circuit Analysis and Design – Part 7: The AC Analysis,由Ricardo Xie编译。)DTrednc

相关阅读:

用于电路分析和设计的SPICE仿真指南-第1部分:简介和网表DTrednc

用于电路分析和设计的SPICE仿真指南-第2部分:时间常数DTrednc

用于电路分析和设计的Spice仿真指南-第3部分:时间常数的进一步研究DTrednc

用于电路分析和设计的Spice仿真指南–第4部分:用于多重仿真的.STEP指令DTrednc

用于电路分析和设计的Spice仿真指南–第5部分:直流扫描分析DTrednc

用于电路分析和设计的Spice仿真指南–第6部分:更深入的直流扫描分析DTrednc

责编:Ricardo
本文为电子技术设计原创文章,未经授权禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了