SPICE中的交流分析
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在本文中，我們將探討使用“.AC”指令進(jìn)行交流分析，這是評(píng)估電路頻率響應(yīng)的主要技術(shù)之一。它是SPICE最強(qiáng)大的功能之一，它讓人們能夠研究電路的頻率響應(yīng)，即電路對(duì)不同頻率信號(hào)的反應(yīng)。從帶通濾波器的響應(yīng)到高頻電路中的振蕩，借助它，設(shè)計(jì)人員可以了解電路在不同情況下的行為。
電容器的容抗
讓我們通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)了解一下.AC指令的運(yùn)行原理。圖1顯示了一個(gè)由以下電子元件組成的電路：
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V1：12V正弦電壓發(fā)生器，頻率可變。
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C1：3.3uF的電容器。
- R1：1Ω的電阻。
其中：
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Xc是電容器的容抗，以Ω為單位。
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f是信號(hào)的頻率，以Hz為單位。
- C是電容器的電容值，以F為單位。
容抗用于濾波電路，其中電容器在不同的工作頻率下表現(xiàn)不同?；谶@種行為，3.3uF電容器在不同頻率下的阻抗如下：
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1000Hz：48.23Ω
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2000Hz：24.11Ω
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3000Hz：16.07Ω
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4000Hz：12.06Ω
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5000Hz：9.64Ω
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6000Hz：8.04Ω
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7000Hz：6.89Ω
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8000Hz：6.03Ω
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9000Hz：5.36Ω
- 10000Hz：4.82Ω
圖1：電容器在不同頻率下具有不同的容抗
- .ac表示正在進(jìn)行頻率分析。
- Lin表示它是線性分析，頻率在指定范圍內(nèi)線性遞增。
- 10000是進(jìn)行分析的點(diǎn)數(shù)。換句話說(shuō)，仿真器在指定頻率范圍內(nèi)的10,000個(gè)不同點(diǎn)上進(jìn)行分析。
- 1是頻率的初始值(以Hz為單位)。
- 10k是頻率的最終值(以Hz為單位)。后綴“k”表示該值以kHz為單位。
* REACTANCE by Giovanni Di MariaV1 in 0 SINE(0 1 1K) AC 12C1 in N001 3.3uFR1 N001 0 1.ac lin 10000 1 10k.backanno.end在ngspice中，SPICE腳本略有不同，如下所示。不過(guò)，結(jié)果與前面的軟件中的結(jié)果相同。在本例中，分析已擴(kuò)展到500kHz的頻率。
* REACTANCE by Giovanni Di MariaV1 in 0 SINE(0 1 1K) AC 12C1 in N001 3.3uFR1 N001 0 1.probe alli.control ac lin 10000 1 500k plot i(R1).endc.end需要注意的是，正弦電壓源配置頻率為1Khz，電壓為1V(零峰值)，但在交流分析機(jī)制中，這一設(shè)置將被忽略，取而代之的是“AC 12”子句，它將電壓源精確設(shè)置為12V。在ngspice中運(yùn)行SPICE源文件會(huì)生成R1上的電流圖，如圖2所示，并將其與LTspice生成的圖形進(jìn)行比較。
圖2：使用LTspice(上)和ngspice(下)繪制的不同頻率下R1上的電流圖
無(wú)源帶通濾波器的創(chuàng)建和仿真
本節(jié)介紹RLC帶通濾波器的仿真，更重要的是，觀察其頻率響應(yīng)，RLC帶通濾波器是用于從電信號(hào)中選擇特定頻率的重要組件。如圖3所示，它由三種主要類型的元件組成，即電阻器(R)、電感器(L)和電容器(C)。這些組件可以根據(jù)需要串聯(lián)或并聯(lián)連接。RLC帶通濾波器僅選擇并允許一定范圍的頻率通過(guò)，衰減低于和高于截止頻率的頻率。對(duì)于濾波器組件的計(jì)算，有相應(yīng)的文獻(xiàn)資料，并且還有許多有助于設(shè)計(jì)的工具、軟件應(yīng)用和計(jì)算器。示例中設(shè)計(jì)的濾波器具有以下特性：
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濾波器：帶通濾波器。
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類型：Chebyshev(切比雪夫)。
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階數(shù)：3。
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下限截止頻率：150Hz。
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上限截止頻率：250Hz。
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輸入阻抗：50Ω。
- 輸出阻抗：50Ω。
圖3：帶通濾波器接線圖
使用LTspice設(shè)計(jì)的濾波器中使用的組件如下：
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V1：輸入音頻信號(hào)。
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R1：50Ω電阻器。
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R2：50Ω電阻器。
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C1：39uF電容器。
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C2：8.2uF電容器。
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C3：8.2uF電容器。
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L1：電感18mH。
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L2：電感82mH。
- L3：電感82mH。
* Bandpass filter by Giovanni Di MariaV1 N001 0 SINE(0 1 1K) AC 12C2 N002 N003 8.2uFL2 N003 N004 82mHR1 N002 N001 50C1 0 N004 39uFL1 N004 0 18mHC3 N004 N005 8.2uFL3 N005 out 82mHR2 0 out 50.ac lin 10000 1 1k.backanno.endngspice的NETLIST略有不同，但主要原理是相同的。
* REACTANCE by Giovanni Di MariaV1 N001 0 SINE(0 1 1K) AC 12C2 N002 N003 8.2uFL2 N003 N004 82mHR1 N002 N001 50C1 0 N004 39uFL1 N004 0 18mHC3 N004 N005 8.2uFL3 N005 out 82mHR2 0 out 50.control ac lin 10000 1 1k plot v(out).endc.end圖4顯示了帶有LTspice(淺色)和ngspice(深色)的帶通濾波器的頻率響應(yīng)。前兩張圖以線性表示法顯示橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)的測(cè)量值。通過(guò)替換腳本命令，可以在ngspice中獲取以分貝(Y)和對(duì)數(shù)刻度(X)為單位的圖表：plot v(out)通過(guò)以下內(nèi)容實(shí)現(xiàn)：plot vdb(out) xlog然而，使用LTspice，只需右鍵單擊坐標(biāo)軸即可更改其屬性，對(duì)數(shù)圖形完全相同。
圖4：使用LTspice和ngspice時(shí)的帶通濾波器頻率響應(yīng)
晶體管放大器的頻率響應(yīng)
* Amplifier by Giovanni Di MariaV1 N001 0 5VQ1 N002 N003 N004 0 BC547BR1 N001 N002 2.2kR2 N004 0 1kR3 N001 N003 22kR4 N003 0 10kC1 N003 In 10nFV2 In 0 SINE(0 10mV 1k) AC 10mVC2 Out N002 1μFR5 Out 0 47kC3 N004 0 100uF.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).control ac lin 100000 1 900meg plot v(out) xlog.endc.end
圖5：簡(jiǎn)單共發(fā)射極晶體管放大器的電路圖
圖6：使用LTspice(上)和使用ngspice(下)的共發(fā)射極放大器的頻率響應(yīng)
結(jié)論
SPICE中的“.AC”分析是一種功能強(qiáng)大的工具，用于觀察和分析電子電路的頻率響應(yīng)。它使工程師能夠評(píng)估不同頻率情況下的設(shè)計(jì)行為，并優(yōu)化電路性能。它對(duì)于濾波器和放大器的設(shè)計(jì)尤其有用。從示例中可以看出，LTspice和ngspice生成的頻域圖有時(shí)會(huì)略有不同。這一事實(shí)應(yīng)該讓我們明白，在進(jìn)行相對(duì)復(fù)雜的分析時(shí)，兩個(gè)仿真器的表現(xiàn)往往會(huì)略有不同。正是由于這個(gè)原因，我們建議使用兩到三種不同的仿真器運(yùn)行多次。
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