電路分析和設(shè)計(jì) Spice 仿真指南 – 第 17 部分：.OP 指令

出處：維庫(kù)電子市場(chǎng)網(wǎng) 發(fā)布于：2025-01-08 16:28:45 | 932 次閱讀

　　使用 SPICE 進(jìn)行電子仿真的課程的本部分中，我們將詳細(xì)探討 .OP 指令。這是一項(xiàng)重要功能，廣泛用于快速準(zhǔn)確地獲取穩(wěn)態(tài)條件下（即無(wú)動(dòng)態(tài)變化）電路行為的關(guān)鍵信息。 .OP指令可用于分析電路的工作點(diǎn)，并確定電路各部分在DC（直流）平衡狀態(tài)下的電壓和電流。此功能對(duì)于了解組件是否正確偏置、檢測(cè)任何設(shè)計(jì)錯(cuò)誤以及確保電壓和電流值在組件的規(guī)格范圍內(nèi)至關(guān)重要。
　　介紹
　　.OP是“工作點(diǎn)”的縮寫(xiě)，是一個(gè)重要的SPICE指令，用于計(jì)算電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，也稱為休息點(diǎn)。實(shí)際上，它允許用戶計(jì)算“直流穩(wěn)態(tài)”條件下的電壓和電流，即不包括時(shí)間或動(dòng)態(tài)變化。 “.OP”仿真是運(yùn)行起來(lái)最簡(jiǎn)單、最快的分析之一，它提供了關(guān)鍵且非常重要的信息，例如元件的偏置電流和工作電壓，使用戶可以確定電路是否按預(yù)期工作。
　　要運(yùn)行“.OP”分析，只需將“.op”指令放入電路中即可。在這種類型的仿真中，軟件將電容視為開(kāi)路，將電感視為短路。分析結(jié)果可以在文本窗口中觀察。在“.OP”模擬之后，如果鼠標(biāo)觸摸節(jié)點(diǎn)或組件，分析結(jié)果將在狀態(tài)欄中可見(jiàn)。 LTspice 嘗試了多種方法來(lái)查找工作點(diǎn)。它們?nèi)缦?，但是，在模擬過(guò)程中可以排除或包含它們：
　　直接牛頓迭代
　　自適應(yīng) Gmin 步進(jìn)
　　自適應(yīng)源步進(jìn)
　　偽瞬態(tài)
　　為了理解“.OP”指令的基本工作原理，我們可以從檢查一個(gè)簡(jiǎn)單的電路開(kāi)始，如圖 1 所示。這是一個(gè)由直流電壓源組成的充電 RC 電路。它由 24 V 直流電源 (V1) 組成，提供對(duì)電容器緩慢充電所需的電壓。在“輸出”節(jié)點(diǎn)和地之間連接有一個(gè) 10 kOhm 電阻器 (R1) 和 220 uF 電解電容器 (C1)，與電源串聯(lián)。它通過(guò)電阻器 R1 充電，直到達(dá)到電源電壓 (24 V)。
　　SPICE指令“.tran 60 uic”表示將執(zhí)行60秒的瞬態(tài)仿真。 “uic”（使用初始條件）選項(xiàng)忽略電容器的初始狀態(tài)，假設(shè)電容器最初已放電，其兩端的初始電壓為 0 伏。當(dāng)仿真開(kāi)始時(shí)，電容器C1放電。充電時(shí)，電容器兩端的電壓逐漸增加至 24V，遵循 RC 電路典型的指數(shù)曲線。右圖顯示了“輸出”節(jié)點(diǎn)的電壓與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。電容器在等于 5 個(gè)時(shí)間常數(shù)的時(shí)間后充電，在示例中約為 11 秒。 60秒仿真結(jié)束時(shí)，最終電流和電壓值如下：
　　電壓（VCC）：24V
　　電壓（C1）：24V
　　我（C1）：0A
　　我（R1）：0A
　　我（V1）：0A
　　為了觀察這些參數(shù)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)運(yùn)行瞬態(tài)仿真并在分析終點(diǎn)（即第 60 秒）手動(dòng)分析測(cè)量結(jié)果。有時(shí)，瞬態(tài)仿真可能會(huì)非常長(zhǎng)，并且需要高度復(fù)雜的硬件和軟件資源。
　　

　　圖 1：電解電容器充電的瞬態(tài)仿真
　　為了獲得電路的工作值，即當(dāng)電路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)并且不再發(fā)生瞬變時(shí)穩(wěn)定的那些值，可以使用.OP指令。該指令允許用戶確定電路的實(shí)際工作條件，考慮到無(wú)功組件（例如電容器和電感器）已完成其充電和放電瞬態(tài)，因此處于直流平衡狀態(tài)。
　　當(dāng)使用.OP指令時(shí)，SPICE計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)和組件的電壓和電流，就好像電路已經(jīng)連接了足夠的時(shí)間以穩(wěn)定一樣。在實(shí)踐中，.OP指令允許用戶快速獲得電路穩(wěn)定條件的概覽，揭示晶體管等有源元件的極化狀態(tài)，并驗(yàn)證工作電壓和電流是否符合設(shè)計(jì)階段的預(yù)期。
　　這種類型的分析對(duì)于快速驗(yàn)證組件的正確尺寸并確保電路在平衡條件下按預(yù)期運(yùn)行非常有用。與瞬態(tài)仿真等其他仿真不同，.OP 分析不考慮時(shí)間變化，因此可以快速、精確地分析電路的直流條件，從而促進(jìn)初始設(shè)計(jì)和驗(yàn)證過(guò)程。因此可以在圖中使用以下指令：
　　.op
　　刪除之前的指令：
　　.tran 60 uic

　　現(xiàn)在，運(yùn)行仿真不會(huì)創(chuàng)建任何圖形，而只是在文本塊中顯示平衡時(shí)的運(yùn)行結(jié)果，如圖 2 所示。對(duì)于想要立即了解情況的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，這是一種極其快速且方便的仿真類型電路的最終值和工作值。

　　圖 2：電路工作點(diǎn)的 .OP 仿真結(jié)果。
　　圖2：電路工作點(diǎn)的.OP仿真結(jié)果
　　一個(gè)更復(fù)雜的例子
　　.OP 分析在具有有源器件（例如晶體管和運(yùn)算放大器）的電路中特別有用。例如，對(duì)于簡(jiǎn)單的晶體管放大器，.OP 允許用戶快速建立偏置電壓和電流，這對(duì)于電路的正確運(yùn)行至關(guān)重要。讓我們考慮一個(gè)帶有 NPN 晶體管的示例，如圖 3 所示。
　　這是一個(gè)共發(fā)射極晶體管放大器，可適當(dāng)偏置 NPN 晶體管 (2N2222) 以固定其工作點(diǎn)。它由提供 12 V 電源電壓的電壓源 (V1) 組成。集電極電阻 (R1) 是實(shí)際負(fù)載，值為 2.2 kOhm?；鶚O電阻 (R2) 的值為 820 kOhm，連接在電源和晶體管基極之間。其作用是對(duì)晶體管的基極進(jìn)行偏置，提供小的基極電流使晶體管進(jìn)入部分導(dǎo)通狀態(tài)，即進(jìn)入線性區(qū)。本例的NETLIST如下：
　　* .OP 分析
　　V1 vcc 0 12V
　　R1 vcc 集電極 2.2k
　　Q1 集電極基極 0 0 2N2222
　　R2 vcc 基極 820k
　　.model NPN NPN
　　.model PNP PNP
　　.lib C:\LTspice\lib\cmp\standard.bjt
　　.op
　　.backanno
　　.結(jié)尾
　　R1 和 R2 的組合設(shè)定晶體管的集電極電流和工作點(diǎn)。晶體管被偏置在有源區(qū)，在那里它充當(dāng)放大器。電路圖中包含的.OP指令用于計(jì)算電路的靜態(tài)工作點(diǎn)（DC工作點(diǎn)）。這使得用戶能夠獲取每個(gè)節(jié)點(diǎn)和組件的電壓和電流，從而提供有關(guān)晶體管工作點(diǎn)的有價(jià)值的信息。
　　該晶體管偏置電路旨在將 2N2222 NPN 晶體管的正確工作點(diǎn)設(shè)置在 0 V 和 VCC 之間的中間位置，從而使其放大倍數(shù)保持平衡，理論上不會(huì)失真。運(yùn)行仿真后，由于.OP指令的存在，結(jié)果窗口出現(xiàn)，顯示晶體管各個(gè)節(jié)點(diǎn)和端子（基極、集電極、發(fā)射極）的電壓和電流值，允許用戶檢查晶體管是否正常在活躍區(qū)或飽和區(qū)。 .OP 分析提供了一系列值來(lái)快速分析組件的偏振態(tài)：
　　每個(gè)元件兩端的電壓：有助于確認(rèn)端子電壓是否滿足元件的要求
　　電路各個(gè)分支中的電流：對(duì)于確保有源組件（例如晶體管）在正確的狀態(tài)下運(yùn)行至關(guān)重要
　　.OP 分析僅計(jì)算直流穩(wěn)態(tài)，不考慮時(shí)間或頻率變化的影響。因此，要了解電路的動(dòng)態(tài)行為，有必要使用其他指令，例如.TRAN（用于瞬態(tài)分析）或.AC（用于頻率分析）。 .OP 仿真在單個(gè)解決方案中給出了以下所有結(jié)果，無(wú)需設(shè)計(jì)人員手動(dòng)選擇電路的每個(gè)節(jié)點(diǎn)及其中的每個(gè)組件，以觀察電流和電壓值：
　　電壓（Vcc）：12V
　　V（集電極）：5.68105V
　　V（基極）：0.682097V
　　電流（Q1）：0.00287225A
　　Ib(Q1): 1.38023e-05 A
　　即(Q1)：0.00288605A
　　我（R1）：0.00287225A
　　I(R2): 1.38023e-05 A
　　我（V1）：0.00288605A

　　該晶體管處于完美的線性區(qū)，因?yàn)槠涔ぷ鼽c(diǎn)（靜止?fàn)顟B(tài)）位于 VCC 和 GND (5.68 V) 之間的中間位置。從該點(diǎn)獲取放大信號(hào)，用 V((集電極) 表示。因此，通過(guò) .OP 模擬，您只能觀察和分析瞬態(tài)后的最終值，而無(wú)法檢查信號(hào)的變化隨著時(shí)間的推移。

　　圖 3：晶體管放大器的仿真以及電路工作點(diǎn)的可視化
　　結(jié)論
　　LTspice（和其他模擬器）中的 .OP 指令是一個(gè)功能強(qiáng)大且簡(jiǎn)單的工具，可以立即概覽電路的工作點(diǎn)。盡管它不提供動(dòng)態(tài)信息，但它非常適合快速檢查偏差和靜態(tài)操作條件。它在具有有源器件的電路中特別有用，其中正確的直流條件對(duì)于避免非線性行為或超出設(shè)計(jì)人員預(yù)期規(guī)格的行為至關(guān)重要。
　　.OP 分析執(zhí)行速度很快，并且不考慮時(shí)間或可變效應(yīng)，例如隨時(shí)間變化的振蕩或信號(hào)。這使其成為初始電路分析的理想選擇，允許用戶在進(jìn)行更復(fù)雜的仿真（例如瞬態(tài)或頻率仿真）之前驗(yàn)證靜態(tài)參數(shù)是否正確。因此，了解 .OP 指令的操作和應(yīng)用對(duì)于任何電子電路設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)都是一個(gè)基本步驟，特別是在開(kāi)始使用需要仔細(xì)分析靜態(tài)條件和工作點(diǎn)的復(fù)雜電路時(shí)。

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