AC 分析仿真是一種用于分析頻域中電路行為的技術(shù)。它可用于研究電路的頻率響應(yīng)，即其特性如何隨輸入信號(hào)頻率的變化而變化。AC 分析可用于研究各種電路，包括線性和非線性電路、有源和無源電路。此外，它在振蕩器電路、放大器和濾波器的設(shè)計(jì)中特別有用。

電容器的容抗

電容電抗是電容器的一種特性，當(dāng)交流電通過電容器時(shí)就會(huì)產(chǎn)生這種特性;它用首字母縮寫詞 Xc 表示，單位為歐姆，就像電阻一樣。計(jì)算電容電抗的公式如下：

這里：

· “Xc”是容抗，以歐姆為單位;

· “C”為電容器的電容量，單位為法拉;

· “f”是信號(hào)的頻率。

容抗與交流信號(hào)頻率成反比。隨著頻率的增加，容抗減小。容抗也與電容器的電容成反比。這意味著隨著電容器的電容增加，容抗減小。容抗是電容器的一個(gè)非常重要的特性，用于各種應(yīng)用，例如濾波器和調(diào)諧電路的設(shè)計(jì)。讓我們首先檢查圖 1 中的電氣圖，其中包含電阻器和電容器之間的串聯(lián)連接。它由以下組件組成：

· V1：理想正弦波發(fā)生器，電壓為12Vpp，頻率為50Hz;

· R1：50歐姆理想電阻;

· C1：100微法拉的理想電容器;

· N01和N02：電壓測(cè)量節(jié)點(diǎn)。

該圖包含一些有關(guān)正確操作的 SPICE 指令：

· “.tran 1”

· “.plot v(N01),v(n02)”

“.tran”指令指定 1 秒持續(xù)時(shí)間的瞬態(tài)分析類型，即隨時(shí)間分析電路的行為。而 .plot 指令則指定在圖中顯示哪些所需變量，本例中顯示的是節(jié)點(diǎn) N01 和 n02 處的電壓。

圖 1：該電路包含電阻器和電容器之間的串聯(lián)

如圖 2 所示，在電氣圖中發(fā)電機(jī)的頻率和電容器 C1 的容量下，后者的行為幾乎像電阻器一樣，與 R1 一起形成分壓器。根據(jù)上面檢查的公式，電容電抗為 31,831 歐姆，從分壓器中心節(jié)點(diǎn)獲取的電壓實(shí)際上低于正弦發(fā)電機(jī)的電壓。

圖 2：分壓器中心節(jié)點(diǎn)處測(cè)得的正弦電壓

理論上，電氣圖中的 100 微法拉電容器在 50 Hz 頻率下相當(dāng)于 31,831 歐姆的電阻，因此幾乎等效的電路圖可以是圖 3 中所示的電路圖。電容器不是線性元件，因此與電阻器相比，它們會(huì)導(dǎo)致信號(hào)出現(xiàn)一定的相移或延遲，而電阻器則是具有完美線性操作的元件。

圖 3：交流電容器幾乎與電阻器相似

“.AC”指令

如前所述，此指令允許您計(jì)算頻域中電路的響應(yīng)。要激活此功能，您需要對(duì)上一個(gè)電路進(jìn)行兩項(xiàng)更改：

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

· 將 V1 生成器屬性“SIN 0 12 50”替換為“AC=12”屬性。

因此，此模擬中要包含的參數(shù)如下：

· “.AC” 是實(shí)際的 SPICE 指令，它根據(jù)頻率計(jì)算 AC 復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的電壓;

· “l(fā)in”對(duì)最小頻率和最大頻率進(jìn)行線性分析;

· 100 是分析中考慮的點(diǎn)數(shù)。對(duì)于“oct”和“dec”類型，此參數(shù)分別表示每個(gè)八度或每個(gè)十進(jìn)制的步數(shù);

· 5 是模擬開始的最小頻率;

· 200 是模擬結(jié)束的最大頻率。

啟動(dòng)模擬后，屏幕上會(huì)顯示與兩個(gè)節(jié)點(diǎn) N01(正弦發(fā)電機(jī)的電壓)和 N02(分壓器上的電壓)相關(guān)的頻率分析，如圖 4 所示。該圖非常有趣，顯示了以下曲線：

· 帶有實(shí)心圓圈的紅色圖(左側(cè)刻度以 dB 為單位)：節(jié)點(diǎn) N01 處發(fā)電機(jī)的固定電壓(21.583625 dB);

· 帶有空心圓圈的紅色圖(右側(cè)刻度以度為單位)：節(jié)點(diǎn) N02 處發(fā)電機(jī)電壓的固定相位(0°);

· 帶有實(shí)心圓圈的藍(lán)色圖表(左側(cè)刻度以 dB 為單位)：節(jié)點(diǎn) N02 處發(fā)電機(jī)的電壓隨頻率的增加而變化;

· 帶有空心圓圈的藍(lán)色圖表(右側(cè)刻度以度為單位)：節(jié)點(diǎn) N02 處發(fā)電機(jī)電壓的可變相位。

在 QSPICE 中，電壓值可以用 dB 或伏特表示，但采用對(duì)數(shù)刻度。伏特和 dB(更準(zhǔn)確地說是 dBV)之間存在精確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，反之亦然。兩個(gè)轉(zhuǎn)換公式如下：

相反，下表顯示了一些電壓轉(zhuǎn)換為其各自的 dBV 值。此轉(zhuǎn)換對(duì)于比較不同測(cè)量之間的電壓值很有用。

圖 4：所考慮圖表的交流分析

頻率可以以 8 倍或 10 倍為單位線性顯示，也可以通過指定固定值列表顯示。以下是相關(guān)使用語法：

.ac oct N FREQ1 FREQ2

.ac dec N FREQ1 FREQ2

.ac [lin] N FREQ1 FREQ2

.ac list FREQ1 FREQ2 FREQ3 …

如果沒有指定“oct”、“l(fā)in”或“l(fā)ist”參數(shù)，軟件將執(zhí)行線性模擬。

低通濾波器的模擬

“.AC”指令對(duì)于模擬和觀察低通濾波器的頻率響應(yīng)非常有用，即用于僅通過低頻并消除高次諧波的非常重要的電路。這種類型的濾波器僅允許從0 Hz到其截止頻率(fc)的低頻信號(hào)通過，阻止高頻信號(hào)。在圖5中，您可以觀察到一個(gè)典型的低通濾波器，它等效于上一段中的圖。從電氣圖中可以看出，可以通過將電阻器串聯(lián)連接到電容器并從這兩個(gè)元件的連接處獲取輸出來創(chuàng)建簡(jiǎn)單的一階無源濾波器。根據(jù)電阻器和電容器之間的連接類型，確定低通濾波器或高通濾波器。

圖 5：由三個(gè)單元級(jí)聯(lián)組成的簡(jiǎn)單低通濾波器

在這種情況下，為簡(jiǎn)單起見，濾波器由兩種主要類型的元件組成，即電阻器和電容器。這些元件可以串聯(lián)或并聯(lián)，具體取決于應(yīng)用的需求。對(duì)于濾波器元件的計(jì)算，有專門的文獻(xiàn)，還有幾種工具、軟件和計(jì)算器可幫助用戶進(jìn)行設(shè)計(jì)。計(jì)算元件和截止頻率的主要公式如下：

示例中的過濾器包含三個(gè)級(jí)聯(lián)模塊，并具有以下特征：

· V1：正弦信號(hào);

· R1、R2、R3：50歐姆電阻;

· C1、C2、C3：16 uF 電容。

使用這些組件，截止頻率約為 200 Hz。電氣圖中使用的 SPICE 指令如下：

.ac lin 100 10 800

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

電氣圖包括三個(gè)不同的信號(hào)輸出，可從中獲取濾波信號(hào)(out1、out2 和 out3)。out3 的濾波速率高于 out2，而 out2 的濾波速率又高于 out1。圖 6 以對(duì)數(shù)刻度顯示了不同頻率下的濾波器響應(yīng)曲線。通過增加電路的復(fù)雜性或組成電路的單元數(shù)量，濾波速率也會(huì)更高。對(duì)于高階濾波器，僅使用無源元件已不再方便，但建議使用運(yùn)算放大器和有源元件。

圖 6：低通濾波器在三個(gè)輸出端的頻率響應(yīng)

用于極地衛(wèi)星接收的無源帶通濾波器

本文的最后一個(gè)示例說明了無源 RLC 帶通濾波器的創(chuàng)建和仿真。如圖 7 所示，它僅由電阻器、電感器和電容器組成。RLC 帶通濾波器僅選擇并傳遞一定范圍的頻率，衰減低于和高于截止頻率的頻率。在建議的示例中，濾波器可用于接收極地衛(wèi)星的無線電信號(hào)，工作頻率為 137 MHz。濾波器使用極低值的電感器和電容器，因此其構(gòu)造應(yīng)遵循精度和 SMD 組裝標(biāo)準(zhǔn)。

圖7：接收極地衛(wèi)星帶通濾波器電氣圖

電路圖中使用的SPICE指令如下：

.ac lin 100 130Meg 145Meg

.plot v(out)

.end

正如您所理解的，QSPICE 的“.AC”分析是一種非常強(qiáng)大的工具，其目的是分析電子電路在交流狀態(tài)下的頻率響應(yīng)。這種分析使我們能夠評(píng)估不同頻率情況下的電子圖的行為并優(yōu)化電路的性能。它特別有用，尤其是對(duì)于濾波器和放大器的設(shè)計(jì)。