LTspice を用いたアナログ回路 I の再現
第
2 回目の内容
[目的と内容について] この文章の目的は、電気通信大学・先進理工学科におけるアナログ回路I の第二 回目の実験内容について、LTspice を用いて再現することである。従って、LTspice の使用方法などの詳細は、各自で調査する必要があります。また、最大値の計算や 電圧制御電源などのSPICE 命令も多用しているので、ある程度の SPICE 知識は 必要である。 この文章は、以下の４章からなる。 1) バイアス確認について 2) 入出力特性について 3)周波数特性の解析 4)増幅回路の周波数特性と実験データの比較 付録h-parameter 等価回路による解析 この章の最後として、LTspice を公開している linear technology 社には、このような 有用なソフトを無料で公開していることに感謝いたします。 また、Web 上で LTspice を用いた回路の情報を公開しているサイトの皆様にも感 謝いたします。有難うございました。 電通大・先進理工 坂本克好 2014.04.27 版 アナログ回路I 参考資料
[目的] 増幅回路の設計における電圧値を確認する。 [方法・結果] 回路を作成する。 解析は、 DC op pnt を実行する。 RUN を実行する。計算結果の asc ファイルが開く。 asc ファイルを閉じる 回路上で、右クリックしてメニューを開く。 View -> Place .op Data Label
を選択する。 電圧を確認したい場所をクリックする。 すると、電圧が表示されます。 Fig. 1 増幅回路 Fig. 2 右クリックメニュー
バイアス確認について
表示される値は、桁数が多いので、 ３桁表示に変更する。 表示する桁を制御するには、 Plot ラベル上で右クリックして、 $ を round($*100)/100 と変更する。 動作点(Q)での 電圧を表示する。 VB=2.74V Ve(V3)=2.1V VC(V2)=6.92V 従って、動作点(Q) は、次の計算で得られる。 VBE(Q)=VB-VE =2.74 - 2.1=0.64V Vce(Q)=6.92-2.1 =4.82V 以上から、 設計での値と比較することができる。 Fig. 5 電圧表示した回路 Fig. 4b 変更後 Fig. 4a 変更前 Fig. 3a 電圧表示 Fig. 3b 表示変更結果
[目的]
LTspice を用いて入出力特性の実験を再現する。 [結果]
計算で使用した回路を示す。 解析には、過渡解析を実行する。 Step 命令で、sine 波の振幅 ampl をパラメータにして、list 値に 従って変化させる。 また、measure 命令を用いて、 V1、V2 での peak-to-peak 電圧を 計算する。 増幅率を計算して、ans4 に代入する 回路とSPICE 命令入力後に、 過渡解析を実行する。 Error-log ファイルから、 パラメータグラフを作成する。 はじめに、Error-log ファイルを開く。 Error-log ファイルにおいて、 右クリックして、メニューを表示 させる。
入出力特性について
Fig.1 回路図と SPICE 命令 Fig.2a Error-log ファイル Fig.2b 右クリックメニューこのメニューのPlot .step’ed .meas data を選択すると、グラフが表示される。 Error-log ファイルから、 各点における計算値を示す。 傾きは、一定でないことがわかる。 出力波形を右に示す。 List の成分数が、6 個なので、 波形が6 個同時に表示されます。 1mV,10mV,20mV までが 下側の振れが飽和していない。 しかし、 20mV のとき、上と下の振れの 形が異なっている。 20mV では、歪んでいる。 Fig.5 出力波形のグラフ Fig.3 Step 計算した結果グラフ Fig.4 Error-log ファイルの計算結果 電圧 [V] 時間 [s] 入力電圧[V] 出力電圧[V]
[目的] LTspice を用いて、電流帰還エミッタ接地増幅回路の周波数特性を求める。 [結果] 周波数特性を計算する LTspice で解析する回路を図に示す。 解析には、AC Analysis を選択 する。
Edit Simulation Command ウインド が開くので、Type of Sweep は、 Decade にして、計算したい範囲 と計算点の数を入力する。 計算を実行すると、空白のグラフウインドが開く。 空白のグラフ上のおいて、右クリックして メニューを開く。 メニュー中の Add Trace を選択する。
周波数特性の解析
Fig.1 回路図 Fig.2a Simulate メニュー Fig.2b 解析編集ウインド縦軸に増幅度を表示させるために、 Expression to add 欄に計算の式を入力する。 OK をクリックすると、グラフが表示されます。 しかし、標準のグラフでは、縦軸は[dB]である。 これを、線形に変更する。 縦軸上で、クリックして軸設定ウインド を開く。 右のグラフが表示されます。 左側の縦軸が増幅率であり、右側が位相 の軸である。 実線が増幅率、点線が位相に相当します。 次に、計算結果をテキスト出力して 他のソフトで処理可能にする。 Fig.4b 周波数依存性 Fig.4a 表示方法選択 Fig.3a 右クリックメニュー Fig.3b 信号選択ウインド Fig.3c 計算式入力欄 増幅率 位相[ °] 周波数 [Hz ]
LTspice での計算結果のグラフを テキストファイル出力するには、 出力するグラフを表示する。 このグラフ表示ウインドにおいて、 File の Export を選択する。 出力する信号を選択するウインド が開く。 このウインドにおいて、増幅率 を選択して、OK ボタンをクリック する。 保存先、ファイル名は、 Browse ボタンをクリックすること で変更できる。 出力されたファイルを、メモ帳をもちいて開く。 テキストとして出力されていることが確認できる。 これにより、他のソフトを用いて、 実験値との比較が可能になります。 Fig.5 周波数依存性
Fig.6 Export を選択 Fig.7 信号の選択
[目的] LTSpice を用いることで、計算値はグラフ表示できる。計算値と実験値と比較することで、実験結果 と計算値の差について考察が可能になる。SPICE の値を変化させるなどにより実験結果を再現可能にな り原因が推測できる。LTspice のグラフに実験結果を表示させることが重要である。 [方法と結果] 電源V1 を設置して、 出力にラベルの1 を設定する。 抵抗1kohm の Re1 の接続端子に ラベルref を設定する。 次に、SPICE 命令で以下の様に 記述する。 Efreq1 を電源名にして、 端子をref と 0 に設定する。 周波数と大きさと位相の Table を作成する。 記述内容の詳細は、 SPICE の net リスト の記述方法を調べてください。
増幅回路の周波数特性と実験データの比較
Fig.1 周波数変化電源次に、 実験の回路を作成する。 ポイントは、 電圧制御電源G1 を使用 していることである。 制御電圧は、端子1 を 接続する。電源の大きさ を10m 倍する。 完成した回路図を 右に示す。 解析方法は、 AC Analysis を選択して、 計算範囲を、10Hz から 100kHz に設定する。 回路が完成後、 解析を実行(RUN)する。 次に、 増幅率のグラフを表示する。 Fig.3 増幅回路の回路図 Fig.4 完成した回路図
グラフ上で右クリックして、 メニューを表示させる。 Add Trace を選択する。 OK ボタンで、 緑色のグラフが表示されます。 軸をクリックして、 設定ウインドを開き、 Decibel を Linear に変更する。 図の様に、計算結果：緑色と 実験値V(ref)：青色を 同時表示できます。 位相は、点線で表示されています。 実験値と計算値に差が確認できる。 この差について、 回路パラメータなどを変化させて 原因を調査することになる。 Fig.5 表示する信号を決める Fig.9 計算値と実験値のグラフ Fig.7 増幅率を表示 Fig.8 縦軸の表示を変える Fig.6 表示する値を選択するウインド 周波数 [Hz] 増 幅 率 幅 率 周波数 [Hz] 位相[°]
[ 目的 ] h パラメータ等価回路を用いた周波数解析を実行する。 [ 結果 ] 以下の h パラメータのトランジスタ等価回路を作成する。 hfe : 200 hie: 1k [ohm] hoe: 1/100k [ohm^-1] hre: no-setting もし、必要ならば、Vce による電圧制御電圧電源を用いることになる。 ここでの等価回路において、 ベース抵抗(R8)、エミッタ抵抗(R6)、コレクタ抵抗(R9)を入れています。 電源V3、V2 を挿入することで、電流を検出しています。 この回路でポイントは、 電流制御電流源 ( F ) の使用方法です。 電源V3 に流れる電流値を、 170 倍するように設定します。 電流制御用の電源が必要です。 Value 欄に関係式を入力する。 V3 170 ((注意)) 変数の間にスペースを入れると、 掛け算になります。 Fig.1 h パラメータ等価回路 Fig.2 設定ウインド
h-parameter 等価回路による解析
付録また、等価回路を別の場所で実現している。 このときの端子には、右図のように、 Port Type 欄を、Bi- Direc.を選択する。
周波数解析するので、 AC 解析を実行する。 解析実行後に、Add Trace を選択して、 V( c ) / V( b ) のグラフを表示する。 ミラー効果を考慮して、C5 を接続しています。 また、コレクタ端子に浮遊容量C6、ベース端子に接合容量 C4 を考慮しています。また、グラフ表示を判り易くするために、入力、出力にNode 名を付ける。 Fig.4 周波数特性のグラフ Fig.5 コンデンサ追加した等価回路 Fig.3 端子名設定
解析を実行後の空白グラフが表示される。 右クリックして、Add Trace を選択する。 Add Traces to Plot ウインドにおいて、 下のExpressions to add 欄に V(out)/V(in) を入力する。 OK ボタンをクリックすると、 グラフが表示されます。 初期の表示では、縦軸が[dB]である。 縦軸をクリックして、軸設定ウインドを 開き、linear に変更する。 ここでは、位相に注目する。 10Hz での位相が-60°に なることがわかる。 また、10kHz のとき最小値で約-180°になり、 その後、増加して100kHz では、-175° となる。 増幅率では、コンデンサの影響は明確でないが、 位相の観察からコンデンサの影響が判断できる。 Fig.7 周波数特性グラフ Fig.6 信号選択ウインド
