电路与电子学LTspice分析与仿真 课件【ch01】 LTspice简介

LTspice简介电路与电子学LTspice分析与仿真第一章国家精品课程·国家电工电子教学基地教材新工科建设·计算机类系列教材01SPICE概述SPICE(SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis)是一种功能强大的通用模拟电路仿真器，已经有几十年的历史，主要用于集成电路、模拟电路、数模混合电路、电源电路等电子系统的设计和仿真。SPICE于1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用FORTRAN语言开发，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。SPICE正式版SPICE2G在1975年推出。SPICE概述1985年，加州大学伯克利分校用C语言对SPICE进行了改写，由MicroSim公司推出这一版本被称为伯克利SPICE。1988年，SPICE被定为美国国家工业标准。与此同时各种以伯克利SPICE为核心的商用SPICE仿真软件也随之产生。与此同时，各种以伯克利SPICE为核心的商用SPICE仿真软件也随之产生。SPICE概述常见的SPICE仿真软件有HSPICE、PSpice、Spectre、T-Spice、SmartSpice、IsSpice、LTspice等，其中以Synopsys公司的HSPICE和Cadence公司的PSpice最为著名。HSPICE是SPICE工业标准仿真软件，在业内应用最为广泛，主要应用于集成电路设计。PSpice是PC用户的最佳选择具有图形化的前端输入环境，用户界面友好，性价比高。SPICE概述02LTspice概述LTspice概述LTspice的特点LTspice是在PC上运行的高性能SPICE图形仿真软件，由凌力尔特公司(LinearTechnology，LT)开发，该公司已被亚德诺公司(AnalogDevicesInc，ADI)收购。其特点是软件体积小、运行速度快、操作使用方便，可以直接在公司网站上免费下载和安装使用。与商用的HSPICE和PSpice软件相比，LTspice软件免费且不需要License，安装快捷方便，可以用文本文件添加器件库，适用于教学和小型企业的电子电路设计。LTspice概述LTspice的特点LTspice软件的特点如下:免费下载且不需要License就可使用；器件模型编辑和导入简便；图形化的电路原理图编辑输入和仿真结果输出；可载入其他SPICE软件生成的网表，并进行仿真。本书使用2020年11月发布的LTspiceXVII版本。LTspice概述LTspice的下载与安装登录ADI公司网站，找到“下载LTspice”选项，可下载LTspiceXVII.exe。执行该文件完成安装。默认安装的目录是C:\ProgramFiles\LTC\LTspiceXVII，供教学使用的例程目录是C:\ProgramFiles\LTCLTspiceXVII\examples\Educational，其中，asc文件是仿真用原理图，plt文件是仿真结果，将.asc和plt文件放在同一个文件夹中并运行，可直接看到已经保存的波形图。LTspice概述例1-2-1反相比例运算放大电路如图1-2-1所示，试求电压放大倍数。解:有两种方法可以求电压放大倍数，分别是瞬态分析和交流分析。(1)输入原理图首先，输入如图1-2-1所示电路的原理图。无人驾驶飞机LTspice概述(1)输入原理图a.新建原理图；b.添加器件；c.编辑器件属性；d.添加和修改点命令。(2)求电压放大倍数a.瞬态分析求电压放大倍数。b.交流分析求电压放大倍数。无人驾驶飞机LTspice概述LTspice的语法LTspice用图形方式输入电路的原理图，并自动生成符合SPICE工业标准的网表文件。例如，打开例1-2-1的原理图(见图1-2-14(a))，选择菜单命令“View一SPICENetlist”，显示网表文件如图1-2-14(b)所示，此时击，弹出如图1-2-22(a)所示的快捷菜单(默认保存为同名net文件)。可以将网表文件保存为同名cir文件，如图1-2-22(6)所示。LTspice概述LTspice的语法LTspice概述LTspice的语法网表文件中的基本语句有以下4种。(1)注释语句:由“*”开头的语句为文件的说明部分，“***”为.asc文件所在路径。(2)电路描述语句:定义电路的拓扑结构和器件参数，由器件描述语句、模型描述语句、电源语句等组成。(3)电路特性分析和控制语句:以“.”开头的语句，又称为点命令，用于描述要分析的电路特性及控制命令。(4)结束语句:即end，标志电路描述语句的结束，在网表文件的最后一行。03LTspice电路分析直流分析(DirectCurrent，DC)是LTspice最基本的分析功能，是指分析和计算直流电压源或直流电流源作用于电路时电路的工作状态。直流分析包括静态工作点分析、直流扫描分析和直流传输特性分析等。1.静态工作点分析静态工作点分析(.op)可以计算出各节点的电压、各器件的电流等，从而获取电路是否正常工作及工作的状态等信息。其输出是以文本方式给出的。在对电路进行仿真的过程中，首先要对电路的静态工作点进行分析和计算。直流分析LTspice电路分析2.直流扫描分析直流扫描分析(dc)是指将电路中直流电源、温度、器件参数作为扫描输入参量，让这些参量以特定的规律进行扫描，从而获取这些参量变化对电路各种性能参量的影响。其输出是以波形方式给出的。直流扫描分析语句:.dc<srcnam><Vstart><Vstop><Vincr>[<srcnam2><Vstart2><Vstop2><Vincr2>直流分析LTspice电路分析直流传输特性分析直流传输特性分析(.tf)用于计算电路的直流小信号增益、输入阻抗和输出阻抗。小信号增益是输出变量对输入源的增益。直流传输特性分析适用于直接耦合电路的增益、输入电阻和输出电阻的计算，输出是以文本方式给出的。直流传输特性分析语句:.tfV(<node>[,<ref>])<source>.tfI(<voltagesource>)<source>直流分析LTspice电路分析LTspice电路分析线性小信号交流分析简称交流分析，是LTspice的主要分析功能。交流分析属于频域分析。在交流小信号的条件下，对电路中非线性器件选择合适的线性模型，使电路在直流工作点附近线性化，在电路中输入指定频率范围的扫频信号，可以计算出电路的幅频特性曲线相频特性曲线、输入电阻、输出电阻等。交流分析LTspice电路分析在进行交流分析前，先计算直流静态工作点，在工作点附近对电路中的非线性器件进行线性化，在指定频率范围内，扫描分析线性化后电路的频率特性曲线。交流分析的信号源必须是独立的交流电源，通常交流信号源的幅值为1、相位为0。交流分析LTspice电路分析瞬态分析也称暂态分析，是LTspice中使用最多、最复杂、最耗时的分析。瞬态分析(.tran)是一种非线性分析，在给出激励信号的情况下，计算电路中各节点电压和支路电流等的时域响应。电路的初始状态可以给定，如果没有给定，则通过直流分析可以得到电路的初始状态。瞬态分析傅里叶分析(four)可以将瞬态分析波形从时域变换到频域，求其频域的变化规律，主要用于分析时域信号的直流分量、基波分量、2~9次谐波分量和线性谐波失真(HarmonicDistortion)系数。傅里叶分析以瞬态分析为基础，点命令.four必须与点命令.tran一起使用。傅里叶分析的结果保存在.log文件中。选择菜单命令“View一SpiceErrorLog”，可以看到傅里叶分析的结果。傅里叶分析LTspice电路分析LTspice中所有器件参数和模型参数均默认工作在常温下，即300K(27C)，然而实际电路的工作温度是不同的。温度分析是指分析电路在不同温度条件下的工作状态。直流分析、交流分析、瞬态分析等都可以加入温度分析。温度分析LTspice电路分析参数扫描分析是指分析某个参数在一定范围内发生改变时对整个电路的影响。直流分析、交流分析、瞬态分析等都可以加入参数扫描分析。参数扫描分析LTspice电路分析在电路中，无源器件和有源器件均会产生噪声，主要包括电阻产生的热噪声、半导体器件产生的散粒噪声和闪烁噪声等。在噪声分析时，将器件的噪声等效为一个输入信号进行交流分析。通过噪声分析，计算出各器件在某一输出节点产生的总噪声，以及某一输入节点的等效输入噪声。噪声分析可以帮助确认一个电路产生噪声的主要来源，从而采取一定的电路设计措施来减小噪声的影响。噪声分析LTspice电路分析由于噪声是一个随机过程，只能用平均功率来衡量噪声的大小。噪声分析与交流分析有关，噪声分析需要对交流分析的每个频率、电路中的每个噪声源(电阻、电容、三极管等)计算出噪声，它们对输出节点的影响是通过对各个均方根求和得到的，同时也可以计算电压放大倍数(输出电压/输入电压)，并计算等效输入噪声。噪声分析04器件和器件模型器件和器件模型无源器件和器件模型无源器件由器件名称、器件连接的节点号、器件的参数组成。1.电阻电阻描述语句:Rxxxnln2<value>[tc=tcl，tc2，tc3][temp=<value>]其中，Rxxx是电阻的器件名称;n1和n2是电阻两端的节点号;<value>是电阻值，单位是欧姆;[tc=tc1,tc2,tc3]是可选的温度系数，tc1、tc2和tc3分别是一阶、二阶和三阶温度系数。器件和器件模型无源器件和器件模型2.电容电容描述语句:Cnnnnln2<capacitance>[ic=<value>][Rser=<value>][Lser=<value>][Rpar-<value>][Cpar-<value>][m=<value>[RLshunt=<value>][temp=<value>]其中，Cnnn是电容的器件名称;n1和n2是电容两端的节点号;<capacitance>是电容值，单位为F(法);[ic=<value>]是可选项，表示电容上的初始电压。器件和器件模型无源器件和器件模型3.电感电感描述语句:Lxxxn1n2<inductance>[ic=<value>][Rser-<value>][Rpar=<value>][Cpar=<value>][m=<value>][temp=<value>]其中，Lxxx是电感的器件名称;n1和n2是电感两端的节点号;<iductance>是电感值，单位为H(亨利)。器件和器件模型4.互感互感描述语句:KxxxL1L2[L3…]<coeficient>其中，Kxxx是互感的器件名称;L1和L2是两个合电感的名称，可以将多个合电感按顺序写下去;<coefficient>是耦合系数，且0<coeficient<1，耦合系数为1表示电感之间实现了理想耦合，没有漏电感。无源器件和器件模型器件和器件模型变压器是利用耦合线圈间的磁耦合来传输能量和信号的器件。通常有两个线圈，与电源相接的为一次绕组(也称初级线圈或原边绕组),与负载相接的为二次绕组(也称次级线圈或副边绕组)。如果线圈绕在铁心上，则构成铁心变压器:如果线圈绕在非铁磁材料上，则构成空心变压器。无源器件和器件模型器件和器件模型(1)铁心变压器铁心变压器的耦合系数一般接近1，属于紧耦合，用于输配电设备;空心变压器的耦合系数一般较小，属于松耦合，用于高频电路和测量仪器。根据电磁感应原理，变压器可将一种电压的交流电能变换为同频率的另一种电压的交流电能。铁心变压器的主要构件是一次绕组、二次绕组和铁心，如图1-4-1所示。无源器件和器件模型器件和器件模型无源器件和器件模型器件和器件模型无源器件和器件模型(2)空心变压器空心变压器由两个具有互感的线圈绕在非铁心材料制成的芯子上所组成，其耦合系数较小，属于松耦合。空心变压器电路如图1-4-7(a)所示，其中R、R为电感内阻，ab端为空心变压器的一次侧，c、d端为空心变压器的二次侧;Zl为负载，U1为外接电压源。器件和器件模型无源器件和器件模型器件和器件模型6.电流控制开关电流控制开关描述语句:Wxxxnln2Vnam<model>[on,off]其中，n1和n2分别是开关的正、负节点，Vnam是控制电流流过的电压源的名称，model为模型名，是由.model语句定义的模型。无源器件和器件模型器件和器件模型1.二极管及其模型在LTspice中，半导体二极管可以用二极管描述语句和二极管模型语句定义。二极管语句说明二极管名称、连接的节点及模型名称;二极管模型语句进一步说明二极管的特性，如直流特性、小信号特性、温度依赖关系、噪声特性等。模型参数考虑了温度影响及各种电容和半导体的物理特性。有源器件和器件模型器件和器件模型1.二极管描述语句:Dnnnanodecathode<model>[area][off][m=<val>][n=<val>][temp=<value>]其中，anode、cathode分别为二极管的阳极、阴极节点，model为二极管的模型名称。二极管模型语句:.modelMNAMED(PNAME1-PVALIPNAME2-PVAL2…)有源器件和器件模型器件和器件模型有源器件和器件模型2.双极型三极管及其模型双极型三极管可以用一个器件语句和一个模型描述。在模型描述语句中，有双极型三极管的直流特性、小信号特性、温度特性、噪声特性等。双极型三极管描述语句:OxxxCollectorBaseEmitter[SubstrateNode]model[area][off]IC=<Vbe,Vce>][temp=<T>]器件和器件模型有源器件和器件模型3.MOS管及其模型MOS管描述语句:MxxxNdNgNsNb<model>[m=<value>][AD-<area>][AS=<area>]+[L=<len>][W=<width>][PD=<perim>][PS=<perim>]INRD=<value>]INRS=<value>]+[of]IC=<Vds,Vgs,Vbs>][temp=<T>]器件和器件模型有源器件和器件模型4.结型场效应管及其模型结型场效应管描述语句:JxxxDGS<model>[area][off][IC=Vds,Vgs][temp=T]结型场效应管模型语句：modelMnameNJF(或PJF)(PNAME-PVAL1…)器件和器件模型有源器件和器件模型05信号源1.直流电压源编辑直流电压源属性。将鼠标指针放到要编辑的电压源图标上，指针形状由“+”变成手形后右击，弹出如图1-5-3所示直流电压源属性对话框，可以编辑直流电压源。如果要编辑其他类型的电压源，单击Advanced按钮。直流电压源描述语句:Vxxxn+n-<voltage>其中，n+和n-分别为电压源的正、负节点，voltage为电压。直流电源信号源信号源2.直流电流源编辑直流电流源属性。将鼠标指针放到要编辑的电流源图标上，指针形状由“+”变成手形后右击，弹出如图1-5-5所示直流电流源属性对话，可以编辑直流电流源。如果要编辑其他类型的电流源，单击Advanced按钮。直流电流源描述语句:Ixxxn+n-<current>直流电源信号源1.交流电压源交流电压源的添加方式与直流电压源一样，如果已经添加了直流电压源或瞬态电压源，将鼠标指针放到电压源图标上，指针形状由“+”变成手形后右击，弹出如图1-5-7所示电压源属性对话框，可以进行编辑。交流电压源描述语句:Vxxxn+n-ACACMEGACPHASE交流电源信号源交流电源信号源2.交流电流源交流电流源的添加方式与直流电流源一样，交流电压源描述语句:Ixxxn+n-ACACMEGACPHASE其中，ACMEG为幅值，默认值为1A;ACPHASE为相位，默认值为0°。幅值和相位的单位可以省略。交流电源信号源1.正弦电压源正弦电压源描述语句:Vxxxn+n-SINE(VoffsetVampFreqTdThetaPhiNcycles)瞬态正弦电源信号源瞬态正弦电源信号源2.正弦电流源正弦电流源的添加方式与直流电流源一样，正弦电流源描述语句:Ixxxn+n-SINE(IoffsetlampFreqTdThetaPhiNcycles)正弦电流源计算公式为:I(t)=I+Ine-a(-si[2fx(t-t)+xPhi/180)]瞬态正弦电源信号源1.脉冲电压源脉冲电压源描述语句:Vxxxn+n-PULSE(V1V2TdelayTriseTfallTonTperiodNcycles)2.脉冲电流源脉冲电流源的添加方式与直流电流源一样，脉冲电流源描述语句:Ixxxn+n-PULSE(I12TdelayTriseTfallTonTperiodNcycles)瞬态脉冲电源信号源瞬态脉冲电源信号源瞬态脉冲电源信号源1.指数电压源指数电压源的添加方式与直流电压源一样，其属性对话框如图1-5-15所示，参数含义如表1-5-3所示，指数电压源波形如图1-5-16所示。瞬态指数电源信号源瞬态指数电源信号源2.指数电流源指数电流源的添加方式与直流电流源一样。指数电流源描述语句:Ixxxn+n-EXP(I12trdtrctfdtfc)指数电流源计算公式为瞬态指数电源信号源用于瞬态分析的分段线性电源分为分段线性电压