活學活用LTspice進行電路設計—用Laplace仿真運放模型

在上篇《活學活用 LTspice 進行電路設計 — 用 Voltage-controlled Voltage Source 仿真放大器》中，我們使用了 Voltage-controlled Voltage Source 仿真放大器。本文將介紹 Laplace (拉普拉斯) 方程，嘗試使用和上次不同的方法仿真運算放大器模型。

什么是 Laplace？

在 LTspice 的 Voltage-controlled Voltage Source 中，可以使用 Laplace (拉普拉斯) 變換對傳遞函數(shù)。通過構建電壓源的微分方程式，仿真各種各樣的等價模型。

用 Laplace 仿真一階低通濾波器

首先，在 “Select Component Symbole” 對話框中選擇 “e”，并將其放在電路圖上。如下圖 (圖1) 所示：

圖1 元件對話框中選擇“e”

將光標懸停在組件 (E1) 處單擊鼠標右鍵，或在字母 “E” 上右鍵點擊以打開編輯器。一階低通濾波器的傳遞函數(shù)為一階延遲元素，因此用 “1/(1+TS)” 表示。這里將截止頻率設定為 fc=1.59kHz。因此，可以計算 “T=1/(2*pi*fc)=100e-6”， 在 “Value” 處輸入方程 “Laplace=1/(1+100e-6*s)”，如下圖 (圖2) 所示：

圖2?在“Value”輸入“Laplace=xxxx”

電路圖如下圖 (圖3) 所示設定，通過 AC 分析確認頻率特性后，觀測到截止頻率約為 1.59Hz。

圖3?電路圖和模擬結果（example1_1.asc)

另外，使用電阻 (R) 和電容器 (C) 的組件，仿真截止頻率為 fc=1.59Hz 的一階低通濾波器，模擬結果如下圖 (圖4) 所示。像這樣，通過使用 Laplace 方程代替由零件組件，可以活用數(shù)學模型進行模擬。

圖4?電路圖和模擬結果（example1_2.asc)

用 Laplace 仿真運算放大器模型

試著仿真開環(huán)增益 100dB (10^5 倍)，單位增益 10MHz (GB 積=10MHz)，且不考慮偏移等規(guī)格，只設定放大率和頻帶的簡易放大器模型。

運算放大器的傳遞函數(shù) (G) ，由放大系數(shù) (A) 和一階延遲的元素 (1+TS) 可表示為 “G=Vout/Vin=A/(1+TS)”。A 是 100dB，所以設為 1e5。另外，T 由 GBW 求得?？梢杂嬎愠鼋刂诡l率 fc 為 GBW/A=10MHz/1e5=100Hz，因此最終得出 T=1/(2*pi*Fc)=0.00159。

最后，使用 Laplace 方程在公式中填寫 “Laplace=1e5/(1+0.00159*s)”，并運行下圖 (圖5) 的仿真模擬。如 AC 分析結果所示，這樣 GBW=10MHz 的簡易運算放大器就仿真完成了。

圖5?電路圖和模擬結果（example2.asc)

總結

本文介紹了如何使用 Laplace 方程仿真濾波器和運算放大器。其實 Laplace 方程不僅可以應用于放大器、濾波器設計，還可以應用于控制系統(tǒng)設計、電機建模以及結合電子電路等分析。

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另外，使用電阻 (R) 和電容器 (C) 的組件，仿真截止頻率為 fc=1.59Hz 的一階低通濾波器，模擬結果如下圖 (圖4) 所示。像這樣，通過使用 Laplace 方程代替由零件組件，可以活用數(shù)學模型進行模擬。

　　審核編輯：湯梓紅