AC 分析仿真是一種用于分析頻域中電路行為的技術。它可用于研究電路的頻率響應，即其特性如何隨輸入信號頻率的變化而變化。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計中特別有用。
電容器的容抗
電容電抗是電容器的一種特性，當交流電通過電容器時就會產生這種特性;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”是信號的頻率。
容抗與交流信號頻率成反比。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非常重要的特性，用于各種應用，例如濾波器和調諧電路的設計。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：電壓測量節(jié)點。
該圖包含一些有關正確操作的 SPICE 指令：
· “.tran 1”
· “.plot v(N01),v(n02)”
“.tran”指令指定 1 秒持續(xù)時間的瞬態(tài)分析類型，即隨時間分析電路的行為。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 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
如圖 2 所示，在電氣圖中發(fā)電機的頻率和電容器 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)點獲取的電壓實際上低于正弦發(fā)電機的電壓。
圖 2：分壓器中心節(jié)點處測得的正弦電壓
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，它們會導致信號出現一定的相移或延遲，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，此指令允許您計算頻域中電路的響應。要激活此功能，您需要對上一個電路進行兩項更改：
· 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如下：
· “.AC” 是實際的 SPICE 指令，它根據頻率計算 AC 復雜節(jié)點的電壓;
· “l(fā)in”對最小頻率和最大頻率進行線性分析;
· 100 是分析中考慮的點數。對于“oct”和“dec”類型，此參數分別表示每個八度或每個十進制的步數;
· 5 是模擬開始的最小頻率;
· 200 是模擬結束的最大頻率。
啟動模擬后，屏幕上會顯示與兩個節(jié)點 N01(正弦發(fā)電機的電壓)和 N02(分壓器上的電壓)相關的頻率分析，如圖 4 所示。該圖非常有趣，顯示了以下曲線：
· 帶有實心圓圈的紅色圖(左側刻度以 dB 為單位)：節(jié)點 N01 處發(fā)電機的固定電壓(21.583625 dB);
· 帶有空心圓圈的紅色圖(右側刻度以度為單位)：節(jié)點 N02 處發(fā)電機電壓的固定相位(0°);
· 帶有實心圓圈的藍色圖表(左側刻度以 dB 為單位)：節(jié)點 N02 處發(fā)電機的電壓隨頻率的增加而變化;
· 帶有空心圓圈的藍色圖表(右側刻度以度為單位)：節(jié)點 N02 處發(fā)電機電壓的可變相位。
在 QSPICE 中，電壓值可以用 dB 或伏特表示，但采用對數刻度。伏特和 dB(更準確地說是 dBV)之間存在精確的對應關系，反之亦然。兩個轉換公式如下：
相反，下表顯示了一些電壓轉換為其各自的 dBV 值。此轉換對于比較不同測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，軟件將執(zhí)行線性模擬。
低通濾波器的模擬
“.AC”指令對于模擬和觀察低通濾波器的頻率響應非常有用，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)的低頻信號通過，阻止高頻信號。在圖5中，您可以觀察到一個典型的低通濾波器，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連接到電容器并從這兩個元件的連接處獲取輸出來創(chuàng)建簡單的一階無源濾波器。根據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：由三個單元級聯組成的簡單低通濾波器
在這種情況下，為簡單起見，濾波器由兩種主要類型的元件組成，即電阻器和電容器。這些元件可以串聯或并聯，具體取決于應用的需求。對于濾波器元件的計算，有專門的文獻，還有幾種工具、軟件和計算器可幫助用戶進行設計。計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級聯模塊，并具有以下特征：
· V1：正弦信號;
· 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)
電氣圖包括三個不同的信號輸出，可從中獲取濾波信號(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 以對數刻度顯示了不同頻率下的濾波器響應曲線。通過增加電路的復雜性或組成電路的單元數量，濾波速率也會更高。對于高階濾波器，僅使用無源元件已不再方便，但建議使用運算放大器和有源元件。
圖 6：低通濾波器在三個輸出端的頻率響應
用于極地衛(wèi)星接收的無源帶通濾波器
本文的最后一個示例說明了無源 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，工作頻率為 137 MHz。濾波器使用極低值的電感器和電容器，因此其構造應遵循精度和 SMD 組裝標準。
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。這種分析使我們能夠評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，尤其是對于濾波器和放大器的設計。
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