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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・情報理工学域・Ⅲ類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。
((注意))
この版で使用した LTspiceの versionは、LTspiceIVです。
最新版の LTspiceXVII で実行できない場合、出力結果が異なる場合があります。
同じ結果を再現したい場合は、LTspiceIV(WindowsXP 版)を使用してください。
電通大・Ⅲ類
坂本克好
2018.04.02版 アナログ回路 I 参考資料 3
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[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
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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
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[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
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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]
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[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
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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 ]
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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
Fig.8 出力ファイルの中身
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[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
Fig.2 SPICE命令で tableを記述
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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
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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[°]
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[ 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
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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
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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