QSPICE模拟仿真：AC 分析

[导读]AC 分析仿真是一种用于分析频域中电路行为的技术。它可用于研究电路的频率响应，即其特性如何随输入信号频率的变化而变化。AC 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特别有用。

AC 分析仿真是一种用于分析频域中电路行为的技术。它可用于研究电路的频率响应，即其特性如何随输入信号频率的变化而变化。AC 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特别有用。

电容器的容抗

电容电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;它用首字母缩写词 Xc 表示，单位为欧姆，就像电阻一样。计算电容电抗的公式如下：

这里：

· “Xc”是容抗，以欧姆为单位;

· “C”为电容器的电容量，单位为法拉;

· “f”是信号的频率。

容抗与交流信号频率成反比。随着频率的增加，容抗减小。容抗也与电容器的电容成反比。这意味着随着电容器的电容增加，容抗减小。容抗是电容器的一个非常重要的特性，用于各种应用，例如滤波器和调谐电路的设计。让我们首先检查图 1 中的电气图，其中包含电阻器和电容器之间的串联连接。它由以下组件组成：

· V1：理想正弦波发生器，电压为12Vpp，频率为50Hz;

· R1：50欧姆理想电阻;

· C1：100微法拉的理想电容器;

· N01和N02：电压测量节点。

该图包含一些有关正确操作的 SPICE 指令：

· “.tran 1”

· “.plot v(N01),v(n02)”

“.tran”指令指定 1 秒持续时间的瞬态分析类型，即随时间分析电路的行为。而 .plot 指令则指定在图中显示哪些所需变量，本例中显示的是节点 N01 和 n02 处的电压。

图 1：该电路包含电阻器和电容器之间的串联

如图 2 所示，在电气图中发电机的频率和电容器 C1 的容量下，后者的行为几乎像电阻器一样，与 R1 一起形成分压器。根据上面检查的公式，电容电抗为 31,831 欧姆，从分压器中心节点获取的电压实际上低于正弦发电机的电压。

图 2：分压器中心节点处测得的正弦电压

理论上，电气图中的 100 微法拉电容器在 50 Hz 频率下相当于 31,831 欧姆的电阻，因此几乎等效的电路图可以是图 3 中所示的电路图。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，而电阻器则是具有完美线性操作的元件。

图 3：交流电容器几乎与电阻器相似

“.AC”指令

如前所述，此指令允许您计算频域中电路的响应。要激活此功能，您需要对上一个电路进行两项更改：

· 用“.ac lin 100 5 200”指令替换“.tran 1”指令;

· 将 V1 生成器属性“SIN 0 12 50”替换为“AC=12”属性。

因此，此模拟中要包含的参数如下：

· “.AC” 是实际的 SPICE 指令，它根据频率计算 AC 复杂节点的电压;

· “lin”对最小频率和最大频率进行线性分析;

· 100 是分析中考虑的点数。对于“oct”和“dec”类型，此参数分别表示每个八度或每个十进制的步数;

· 5 是模拟开始的最小频率;

· 200 是模拟结束的最大频率。

启动模拟后，屏幕上会显示与两个节点 N01(正弦发电机的电压)和 N02(分压器上的电压)相关的频率分析，如图 4 所示。该图非常有趣，显示了以下曲线：

· 带有实心圆圈的红色图(左侧刻度以 dB 为单位)：节点 N01 处发电机的固定电压(21.583625 dB);

· 带有空心圆圈的红色图(右侧刻度以度为单位)：节点 N02 处发电机电压的固定相位(0°);

· 带有实心圆圈的蓝色图表(左侧刻度以 dB 为单位)：节点 N02 处发电机的电压随频率的增加而变化;

· 带有空心圆圈的蓝色图表(右侧刻度以度为单位)：节点 N02 处发电机电压的可变相位。

在 QSPICE 中，电压值可以用 dB 或伏特表示，但采用对数刻度。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。两个转换公式如下：

相反，下表显示了一些电压转换为其各自的 dBV 值。此转换对于比较不同测量之间的电压值很有用。

图 4：所考虑图表的交流分析

频率可以以 8 倍或 10 倍为单位线性显示，也可以通过指定固定值列表显示。以下是相关使用语法：

.ac oct N FREQ1 FREQ2

.ac dec N FREQ1 FREQ2

.ac [lin] N FREQ1 FREQ2

.ac list FREQ1 FREQ2 FREQ3 …

如果没有指定“oct”、“lin”或“list”参数，软件将执行线性模拟。

低通滤波器的模拟

“.AC”指令对于模拟和观察低通滤波器的频率响应非常有用，即用于仅通过低频并消除高次谐波的非常重要的电路。这种类型的滤波器仅允许从0 Hz到其截止频率(fc)的低频信号通过，阻止高频信号。在图5中，您可以观察到一个典型的低通滤波器，它等效于上一段中的图。从电气图中可以看出，可以通过将电阻器串联连接到电容器并从这两个元件的连接处获取输出来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，确定低通滤波器或高通滤波器。

图 5：由三个单元级联组成的简单低通滤波器

在这种情况下，为简单起见，滤波器由两种主要类型的元件组成，即电阻器和电容器。这些元件可以串联或并联，具体取决于应用的需求。对于滤波器元件的计算，有专门的文献，还有几种工具、软件和计算器可帮助用户进行设计。计算元件和截止频率的主要公式如下：

示例中的过滤器包含三个级联模块，并具有以下特征：

· V1：正弦信号;

· R1、R2、R3：50欧姆电阻;

· C1、C2、C3：16 uF 电容。

使用这些组件，截止频率约为 200 Hz。电气图中使用的 SPICE 指令如下：

.ac lin 100 10 800

.plot v(out1),v(out2),v(out3)

电气图包括三个不同的信号输出，可从中获取滤波信号(out1、out2 和 out3)。out3 的滤波速率高于 out2，而 out2 的滤波速率又高于 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性或组成电路的单元数量，滤波速率也会更高。对于高阶滤波器，仅使用无源元件已不再方便，但建议使用运算放大器和有源元件。

图 6：低通滤波器在三个输出端的频率响应

用于极地卫星接收的无源带通滤波器

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传递一定范围的频率，衰减低于和高于截止频率的频率。在建议的示例中，滤波器可用于接收极地卫星的无线电信号，工作频率为 137 MHz。滤波器使用极低值的电感器和电容器，因此其构造应遵循精度和 SMD 组装标准。