電子仿真 SPICE 課程:橫坐標(biāo)與時(shí)間不同的圖形
出處:維庫電子市場(chǎng)網(wǎng) 發(fā)布于:2024-12-26 16:13:36 | 385 次閱讀
.TRAN 1 通過向電路提供電流,電容器根據(jù) RC 時(shí)間常數(shù)進(jìn)行充電。在該電路中,有一個(gè)直流電壓源,帶有一個(gè) 100Ω 電阻器和一個(gè)容量為 2,200μF 的電容器。指令.IC v(out)=0 設(shè)置“out”節(jié)點(diǎn)的初始條件;換句話說,電容器最初放電,兩端電壓為 0 V。模擬持續(xù)一秒,感興趣的節(jié)點(diǎn)是“out”,位于電阻器和電容器之間。電壓開始通過電阻器對(duì)電容器充電,電路的行為將是典型的 RC 電路(電阻器和電容器串聯(lián)),其中電容器開始遵循指數(shù)曲線充電。電阻限制了電容器的充電速度,“輸出”節(jié)點(diǎn)的電壓逐漸增加,直到達(dá)到 15V。
在圖中,橫坐標(biāo)表示從仿真開始時(shí)的瞬時(shí)零到一秒所經(jīng)過的時(shí)間。
類似地,.DC 指令執(zhí)行直流模擬,改變電壓或電流并顯示有關(guān)可變電壓源的相關(guān)量的趨勢(shì)。圖2中的示例顯示了另一個(gè)包含直流電壓源、電阻器和二極管的電路,并通過指令在發(fā)生器的電壓域中進(jìn)行分析:.直流V1 0 4 10m 仿真開始時(shí),V1 從 0V 開始,逐漸增加至 4V。1K 電阻限制流經(jīng)電路的電流。 1N4148 二極管的閾值電壓約為 0.7 V。這意味著,當(dāng)“輸出”節(jié)點(diǎn)處的電壓低于約 0.7 V 時(shí),二極管不會(huì)導(dǎo)通。當(dāng)電壓超過 0.7V 時(shí),二極管將開始導(dǎo)通,從而允許電流流過二極管。顯然,這些值的趨勢(shì)是模擬的而不是數(shù)字的,因此電壓的變化是逐漸增加的,而不是突然的變化。當(dāng)高于 0.7V 時(shí),由于二極管的特性,二極管上的電壓將幾乎保持在 0.7V 恒定。
圖 2:使用 .DC 指令進(jìn)行的直流域仿真顯示橫坐標(biāo)上發(fā)電機(jī)的電壓不斷增加。
自定義 X 軸
SPICE 的一個(gè)非常有趣且強(qiáng)大的方面是能夠顯示圖形,其中 X 軸代表時(shí)間或電壓以外的量,例如溫度、電流、電阻等。為此,您可以組合 .OP 和 .STEP 指令。 .OP 指令對(duì)電路的工作點(diǎn)進(jìn)行分析。該分析返回電路中電壓和電流的靜態(tài)值,不隨時(shí)間變化,但不直接生成圖表。另一方面,.STEP 指令允許您執(zhí)行參數(shù)模擬;也就是說,在改變溫度、電阻、電壓或電流等參數(shù)的同時(shí)執(zhí)行電路分析。通過組合.STEP和.OP,您可以更改參數(shù)并觀察相關(guān)圖形的變化。圖 3 中的示例顯示了一個(gè)電路,其圖形顯示在晶體管 R1 基極電阻值的域中。事實(shí)上,橫坐標(biāo)的值是相對(duì)于 R1 的,并且介于 100 kΩ 和 1 MΩ 之間。這是一個(gè)簡(jiǎn)單的電路,使用 BJT NPN 晶體管并用作放大器。該仿真旨在展示僅通過改變晶體管基極電阻值即可如何改變集電極電流和線性區(qū)中的工作點(diǎn)。 .STEP 指令定義了一個(gè)電阻,其值范圍在 100K 到 1,000K Ω 之間。它確保執(zhí)行多次模擬,每次模擬都使用不同的 R1 電阻值。 .OP 指令針對(duì) R1 的每個(gè)值返回電路中電壓和電流的固定值,使您可以了解 R1 電阻如何影響晶體管的操作。使用以下指令在基極電阻域中執(zhí)行分析:
.OP
.步進(jìn)參數(shù) R1 100K 1000K 10K 這兩個(gè)圖表示電路中晶體管相對(duì)于流過基極電阻的電流的行為。上圖顯示了當(dāng)基極電流變化時(shí)流經(jīng)電路負(fù)載電阻的電流??v坐標(biāo)軸(Y軸)代表以毫安為單位的電流,而橫坐標(biāo)軸(X軸)代表電阻R1的值。下圖顯示集電極電壓;再次,隨著基極電阻的變化。縱坐標(biāo)軸(Y 軸)代表該電壓(以伏特為單位),而橫坐標(biāo)軸與第一張圖的橫坐標(biāo)軸相同,并顯示參數(shù) R1。正如您所看到的,集電極電壓為 VCC/2 的理想點(diǎn)是當(dāng)基極電阻值約為 331 kΩ 時(shí),集電極電流為 2.73 mA。在電阻值域中觀察圖形的能力非常有用,因?yàn)樗试S用戶仔細(xì)選擇電子元件,而無需運(yùn)行多次電子模擬。電容器和電感器也是如此。
圖 3:電阻域中的模擬,X 軸上為相對(duì)值
本文的最后一個(gè)示例是與 MOSFET 功耗圖相關(guān)的示例,其中 X 軸為溫度。圖 4 中的電氣圖顯示了在參數(shù)模擬中使用 MOSFET 的電路,其中溫度變化范圍為 –10°C 至 180°C。由于以下指令,分析是在溫度域中進(jìn)行的:
.OP
.階躍溫度 -10 180 1
.OP指令計(jì)算電路中每個(gè)溫度值的穩(wěn)態(tài)電流和電壓值。 .STEP TEMP指令(這次不需要添加PARAM關(guān)鍵字)允許用戶分析MOSFET的特性如何隨著溫度的變化而變化。在較高溫度下,MOSFET 的行為與較低溫度下的行為不同,仿真將顯示這些變化如何影響電路的整體運(yùn)行。該圖顯示了 MOSFET 功耗隨溫度變化的趨勢(shì),X 軸顯示了工作溫度。請(qǐng)記住,一般來說,MOSFET 功耗的計(jì)算公式如下:
PD MOSFET = ( V漏極× I漏極) + ( V柵極× I柵極)
柵極電流通常被認(rèn)為為零,因?yàn)槠浞葮O低。溫度變化會(huì)影響組件的功耗,官方數(shù)據(jù)表也證實(shí)了這一點(diǎn)。在溫度域中觀察圖表的能力也非常有用,因?yàn)樗⒘苏_的工作溫度范圍以使電路安全可靠。
溫度域模擬,橫坐標(biāo)為相對(duì)值。
圖 4:溫度域仿真,橫坐標(biāo)為相對(duì)值
在 SPICE 中,.OP 和 .STEP 指令的組合使用為設(shè)計(jì)人員提供了很大的靈活性,可以探索時(shí)間或電壓變量(例如溫度、電阻、電流或功率)之外的電路行為。這種方法允許在各種工作條件下研究電路,從而更深入地了解整體性能和各個(gè)組件之間的變化。 .OP指令對(duì)電路進(jìn)行靜態(tài)分析,計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓和電流的工作點(diǎn)或穩(wěn)態(tài)。它不考慮時(shí)間變化,而是在假設(shè)條件恒定的情況下計(jì)算給定時(shí)間的電路狀態(tài)。 .STEP 指令允許通過在指定范圍內(nèi)修改一個(gè)或多個(gè)參數(shù)來運(yùn)行多個(gè)模擬,從而為分析添加動(dòng)態(tài)維度。它不是簡(jiǎn)單地執(zhí)行單一靜態(tài)分析,而是允許設(shè)計(jì)人員查看電壓、電流和其他量如何隨著變量的變化而變化。通常,從 SPICE 仿真得出的圖表在 X 軸上使用時(shí)間(在瞬態(tài)分析中)或電壓(在直流掃描分析中)來顯示數(shù)量如何隨時(shí)間變化或作為輸入電壓的函數(shù)變化。但是,同時(shí)使用 .OP 和 .STEP 可以制作 X 軸代表其他量(例如溫度和電阻)的圖表。此功能允許用戶檢查電子電路在各種場(chǎng)景中的行為,例如熱設(shè)計(jì)、確定最佳值的組件尺寸等。這種額外的分析功能對(duì)于準(zhǔn)確和自信的電路設(shè)計(jì)至關(guān)重要,因?yàn)樗试S用戶測(cè)試電路本身如何響應(yīng)溫度或電阻等關(guān)鍵參數(shù)的變化,并針對(duì)不同的工作條件進(jìn)行優(yōu)化。
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