LPspice 电路仿真软件

Posted 2022-08-17 卓晴

简 介： 本文对于 LTspice 仿真软件进行初步测试，对于部分输出结果进行讨论。

关键词： LTspice，仿真

 

§01 LTspice仿真

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一、背景介绍

  LTspice是一款 Windows 下的免费的电路仿真软件，可以在 AD 官网下载。LTspice 的作者 Mike Engelhardt 在 LTspice 简介中介绍了他开发这款可以自由使用软件的想法。1975 年不到 20 岁的毛头小伙的他就开始编写用于环形加速器中的非弹性原子核相对论动力学仿真软件。 有着几十年开发物理仿真软件的经验的他认为最好的仿真软件应该来自于实际关注和使用该软件的人，而并非软件公司。他自认为开发的 LTspice 的性能可以胜过任何销售的商业软件，目的就是为了让任何人在任何代价下都可以使用到高性能的 SPICE 程序。 LTspice 可以用于室内 IC 设计，也称为 Linear Technology Co. 为开发高性能模拟器件的发展战略。

▲ 图1.1 LTspice 软件界面

  LTspice 与众不同之处就是它是一款自由软件， Linear Technology 公司无偿向所有人提供免费下载，在功能上与 IC 设计专业软件没有任何裁剪。从2016年开始 LTspice XVII 开始允许下载使用。

  前几天看到其他同学在使用这款软件，今天我也 下载了这款软件 ，对于一些常见到的电路进行仿真测试，作为今后在信号与系统以及电子综合设计等课程中制作课件。 软件不仅可以非常方便的搭建各种模拟和离散电路，而且观察电路中各点的电压、电流波形也非常方便。特别是它可以将仿真的数据通过文本文件导出，可以进一步用于深入的分析。

  下面基于 LTspice 软件，对于一些电路的仿真进行测试。

二、单管放大电路

  这是一款基于结型场效应管的前置音频放大器，原理图如下图所示，电路设计的比较讲究，包括输入保护二极管(D2)，内部带宽限制电容(C2)等。 电路增益主要有 R5, R6 的比值决定，放大倍数为：19.5。

▲ 图1.2.1 低噪声前置放大器

  电路输入输出正弦波形如下图所示。 这里并没有直接从 LTspice 波形窗口截图，而是从其输出的文本波形文件中获得波形电压数据，使用 MATPLOTLAB 绘制出来，这样可以显示的更加清楚。

▲ 图1.2.2 电路的输入（V_n004）与输出信号V_out信号

  实际上，看到上面的电路以及仿真结果，它 与普通的电路模拟程序也没有什么大的差别。不过能够反映出这款软件来出自于物理仿真开发者倾心之作的狂热喜爱作品，上面仿真软件还可以使用具有实际物理外形的布线图来进行绘制，并且具有相同的仿真能力。看到这一点，不仅令人为此点赞。

▲ 图1.2.3 电路板布线图

  不仅仅如此，下面这款 BTL 音频放大电路也可以实际元器件搭建出电路图进行仿真。这样就可以做到不仅仅原理上相同，而且电路的物理外观也达到了相近。

▲ 图1.2.4 BTL音频功率放大电路

▲ 图1.2.5 BTL音频功率放大电路的布线图

三、精密整流电路

  下面是 LTspice 搭建的精密整流电路。

▲ 图1.3.1 精密整流电路

  这是在 100 Hz 下输入波形与输出波形。

▲ 图1.2.6 精密整流电路

  作为仿真软件，不仅可以对低频情况下的输出波形能够给出正确的波形，同时在高频情况下，也需要把电路中元器件的杂散分布参数所带来的影响进行仿真。下面将 输入信号的频率提高到 5kHz，电路给出的仿真数据显示出该电路在高频下整流波形出现的失真。

▲ 将输入信号频率增加到5kHz之后的整流波形

四、多谐振荡器

  下面是利用两个 NPN 晶体管 2N3904 搭建的多谐振荡器。

▲ 图1.4.1 双NPN晶体管多谐振荡器

  下图给出了电路从上电开始到振荡的过渡过程，过渡过程大约是 5ms 左右。细心的人可能观察到，电路中 R3 与 R4 的电路阻值并不相同。

▲ 图1.4.2 Q2的集电极（n002）与基极（n004）的电压波形

  如果将 R3 的阻值修改成 与 R4 相同，都是 100k，电路会怎样？ 下面给出了 R3，R4 都是 100k 情况下电路启动过程，可以看到电路整个启动过程增加到 27ms。 所以电路中原来设置 R3，R4 不对称是为了加快电路的启动过程。

▲ 图1.4.3 Q2的集电极（n002）与基极（n004）的电压波形

五、Clapps三点电容振荡器

  下面是基于 结型场效应管 2N5484搭建的 Clapps 三点电容高频振荡电路。

▲ 图1.5.1 Clapps三点电容振荡电路

  下面是仿真结果，给出了振荡电路整个其中过程的电压波形。 我有一个疑问，这个起振过程究竟与实际上波形是否是一致的呢？

▲ 图1.5.2 Clapps 三点电容振荡器启动过程

  在电路中 D2 起到输出限幅作用。 下面给出了电路中 D2 接入和不介入，电路输出波形幅值的影响。

▲ 二极管对于输出波形的影响

六、线性电路

  LTspice 还可以对使用 Laplace 描述的线性电路进行仿真。下图给出了一个由压控电压源组成的电路，它的传递函数如下：

$$H\left(s\right)=\frac{1}{{\left(1+1\times 10^{-6}\cdot s\right)}^{0.5}\cdot {\left(1+5\times 10^{-9}\cdot s\right)}^2}$$

▲ 图1.6.1 线性压控电源电路

  电路输入一个方波信号，电路的输出波形如下：

▲ 输入输出波形

 

※ 总  结 ※

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  本文对于 LTspice 仿真软件进行初步测试，对于部分输出结果进行讨论。

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■ 相关文献链接:

• 安装 AD LTspice电路仿真软件

● 相关图表链接:

• 图1.1 LTspice 软件界面
• 图1.2.1 低噪声前置放大器
• 图1.2.2 电路的输入（V_n004）与输出信号V_out信号
• 图1.2.3 电路板布线图
• 图1.2.4 BTL音频功率放大电路
• 图1.2.5 BTL音频功率放大电路的布线图
• 图1.3.1 精密整流电路
• 图1.2.6 精密整流电路
• 将输入信号频率增加到5kHz之后的整流波形
• 图1.4.1 双NPN晶体管多谐振荡器
• 图1.4.2 Q2的集电极（n002）与基极（n004）的电压波形
• 图1.4.3 Q2的集电极（n002）与基极（n004）的电压波形
• 图1.5.1 Clapps三点电容振荡电路
• 图1.5.2 Clapps 三点电容振荡器启动过程
• 二极管对于输出波形的影响
• 图1.6.1 线性压控电源电路
• 输入输出波形