SPICE中的交流分析
 时间: 2024-02-11 |作者: 欧宝直播在线观看

  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,设计人能了解电路在不一样的情况下的行为。

  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:

  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:

  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:

  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。

  Lin表示它是线性分析,频率在指定范围内线是做多元化的分析的点数。换句线个不同点上进行分析。

  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,设计人能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:

  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。

  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。

  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)。这些组件能够准确的通过需要串联或并联连接。RLC带通滤波器仅选择并允许一些范围的频率通过,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:

  通常,电感值必须手动构建,但它们也非常容易在市场上找到。接线图的生成能够最终靠LTspice的NETLIST SPICE实现:

  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:

  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。

  作为最后一个示例,我们大家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:* Amplifier by Giovanni Di Maria V1 N001 0 5V Q1 N002 N003 N004 0 BC547B R1 N001 N002 2.2k R2 N004 0 1k R3 N001 N003 22k R4 N003 0 10k C1 N003 In 10nF V2 In 0 SINE(0 10mV 1k) AC 10mV C2 Out N002 1µtrol ac lin 100000 1 900meg plot v(out) xlog .endc .end

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

  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。从示例中能够准确的看出,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,我们提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。作者:Giovanni Di Maria, 来源:Power Electronics News

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