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QSPICE:交流分析(第6部分)

2023-11-17 15:32:44 Giovanni Di Maria 阅读:
交流分析仿真是一种用于在频域中分析电路行为的技术···

交流分析仿真是一种用于在频域中分析电路行为的技术。它对于研究电路的频率响应非常有用,也就是电路特性是如何随着输入信号频率的变化而变化。交流分析可用于研究各种电路,包括线性和非线性电路、有源和无源电路。此外,它在振荡器电路、放大器和滤波器的设计中尤其有用。eYBednc

电容器的容抗

容抗是电容器的一种特性,当交流电通过电容器时就会产生这种特性,它的缩写为Xc,单位为欧姆,就像电阻一样。容抗的计算公式如下:eYBednc

eYBednc

其中:eYBednc

  • “Xc”是容抗,单位为欧姆;
  • “C”为电容器的电容,单位为法拉;
  • “f”是信号的频率。

容抗与交流信号频率成反比。随着频率增加,容抗减小。容抗也与电容器的电容量成反比。这意味着随着电容器的电容增大,容抗减小。容抗是电容器的一个非常重要的属性,用于多种应用,例如滤波器和调谐电路的设计。让我们先来看看图1中的电路图,其中包含一个电阻器和一个电容器的串联连接。它由以下组件组成:eYBednc

  • V1:理想的正弦波发生器,电压为12Vpp,频率为50Hz;
  • R1:理想电阻阻值为50Ω;
  • C1:100μF的理想电容;
  • N01和N02:电压测量节点。

该图包含了一些用于正确操作的SPICE指令:eYBednc

  • “.tran 1”
  • “.plot v(N01),v(n02)”

“.tran”指令指定了持续时间为1秒的瞬态分析类型,即分析电路在一段时间内的行为。“.plot”指令则指定在图表中要显示哪些所需变量,在本例中为节点N01和N02处的电压。eYBednc

eYBednc

图1:该电路为一个电阻器和一个电容器之间的串联连接eYBednc

如图2所示,在电路图中发生器的频率和电容器C1的容量条件下,电容器的行为几乎像电阻器一样,与R1一起构成分压器。根据上述计算公式,电容的容抗为31831Ω,并且从分压器中心节点获取的电压实际上低于正弦发生器的电压。eYBednc

eYBednc

图2:在分压器中心节点处获取的正弦电压eYBednc

理论上,电路图中的100μF的电容器在50Hz频率下对应于31831Ω的电阻,因此图3所示的电路图几乎是等效的。电容器不是线性元件,因此与电阻器相比,它们会导致信号出现一定的相移或延迟,而电阻器则是完全线性工作的元件。eYBednc

eYBednc

图3:交流电容器几乎类似于电阻器eYBednc

“.AC”指令

如前所述,该指令允许您在频域中计算电路的响应。要激活此功能,您需要对之前的电路进行两处更改:eYBednc

将“.tran1”指令替换为“.ac lin 100 5 200”指令;eYBednc

  • 将V1发生器属性“SIN 0 12 50”替换为“AC=12”属性。
  • 因此,该仿真中要包含的参数如下:
  • “.AC”是实际的SPICE指令,计算AC复杂节点的电压与频率的函数;
  • “lin”在最小频率和最大频率之间进行线性分析;
  • 100是分析中要考虑的点数。对于“oct”和“dec”类型,该参数分别表示每个倍频程或每个10倍频的步数;
  • 5是仿真开始的最小频率;
  • 200是仿真结束时的最大频率。

开始仿真后,与两个节点N01(正弦发生器的电压)和N02(分压器上的电压)相关的频率分析会显示在屏幕上,如图4所示。该图非常有趣,显示了以下曲线:eYBednc

  • 实心圆的红色图(左刻度以dB为单位):节点N01处发生器的固定电压(21.583625dB);
  • 空心圆的红色图(右刻度以度为单位):节点N02处发生器电压的固定相位(0°);
  • 实心圆的蓝色图(左刻度以dB为单位):随着频率增加,节点N02处发生器的电压变化;
  • 空心圆的蓝色图(右刻度以度为单位):节点N02处发生器电压的可变相位。

可以看出,在QSPICE中,电压值可以用dB或伏特表示,但都是对数刻度。伏特和dB(更准确地说是dBV)之间存在精确的对应关系,反之亦然。两者的换算公式如下:eYBednc

eYBednc

下表显示了一些转换为其各自dBV值的电压。这种转换对于比较不同测量点之间的电压值非常有用。eYBednc

eYBednc

eYBednc

图4:对所考虑图表的交流分析eYBednc

频率可以以8或10的系数线性显示,也可以通过指定固定值列表来显示。下面是相关的使用语法:eYBednc

.ac oct N FREQ1 FREQ2eYBednc

.ac dec N FREQ1 FREQ2eYBednc

.ac [lin] N FREQ1 FREQ2eYBednc

.ac list FREQ1 FREQ2 FREQ3 …eYBednc

如果未指定“oct”、“lin”或“list”参数,软件将执行线性仿真。eYBednc

低通滤波器的仿真

“.AC”指令对于仿真和观察低通滤波器的频率响应非常有用,低通滤波器是一种非常重要的电路,只允许低频通过并消除高次谐波。这种类型的滤波器只允许从0Hz到其截止频率(fc)的低频信号通过,而阻止高频信号。在图5中,您可以看到一个典型的低通滤波器,它相当于上一段中的图表。从电路图中可以看出,通过串联一个电阻和一个电容,并从这两个元件的交界处获取输出,就可以创建简单的一阶无源滤波器。根据电阻器和电容器之间的连接类型,可确定是低通滤波器还是高通滤波器。eYBednc

eYBednc

图5:由三个级联单元组成的简单低通滤波器eYBednc

在本例中,为简单起见,滤波器主要由两种类型的组件组成,即电阻器和电容器。这些组件可以串联或并联,具体取决于应用的需要。对于滤波器组件的计算,有专门的文献,也有一些工具、软件和计算器可以帮助用户进行设计。计算元件和截止频率的主要公式如下:eYBednc

eYBednc

示例中的滤波器包含三个级联模块,特征如下:eYBednc

  • V1:正弦信号;
  • R1、R2、R3:50Ω电阻;
  • C1、C2、C3:16uF电容。

使用这些组件时,截止频率约为200Hz。电路图中使用的SPICE指令如下:eYBednc

.ac lin 100 10 800eYBednc

.plot v(out1),v(out2),v(out3)eYBednc

该电路图包括三个不同的信号输出端(out1、out2和out3),可以从中获取滤波后的信号。Out3的滤波率高于out2,而out2的滤波率又高于out1。图6以对数刻度显示了不同频率下的滤波器响应曲线。通过增加电路的复杂度或组成电路的单元数,滤波率也会更高。对于高阶滤波器,仅使用无源元件已不再方便,而是建议使用运算放大器和有源元件。eYBednc

eYBednc

图6:低通滤波器在三个输出处的频率响应eYBednc

用于接收极地卫星的无源带通滤波器

本文的最后一个示例说明了无源RLC带通滤波器的创建和仿真。如图7所示,它仅由电阻器、电感器和电容器组成。RLC带通滤波器仅选择并通过一定范围的频率,衰减低于和高于截止频率的频率。在所提出的示例中,滤波器可用于接收来自极地卫星的无线电信号,工作频率为137MHz。该滤波器使用的电感器和电容器值极低,因此其结构应遵循精密和SMD组装标准。eYBednc

eYBednc

图7:接收极地卫星的带通滤波器电路图eYBednc

电路图中使用的SPICE指令如下:eYBednc

.ac lin 100 130Meg 145MegeYBednc

.plot v(out)eYBednc

结论

正如您所了解的,QSPICE的“.AC”分析是一个非常强大的工具,其目的是分析交流状态下电子电路的频率响应。通过这种分析,我们可以评估电路图在不同频率情况下的行为,并优化电路的性能。它尤其适用于滤波器和放大器的设计。eYBednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News,参考链接:QSPICE: AC Analysis (Part 6),由Ricardo Xie编译。)eYBednc

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责编:Ricardo
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