活学活用 LTspice 进行电路设计 — 用 Voltage-controlled Voltage Source 仿真放大器
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在上篇《活学活用 LTspice 进行电路设计 — 用 Behavioral Voltage Sources 创建任意波形》中,我们向大家介绍了如何使用 Behavioral Voltage Sources (简称 BV),本文将讲解另一种电压源 — Voltage-controlled Voltage Source (简称 VCVS)。
VCVS 的功能
Voltage-controlled Voltage Source (VCVS) 具有 4 个端⼦。左侧的 2 个端子为输入端子 (控制端子),可输出与输入电压差成比例的电压。因此,如果比例常数大于 1,可视为放大器;如果小于 1,可视为衰减器。接下来我们试着制作一个 “10倍的放大器”。首先,在 “Select Component Symbole” 对话框中选择 “e”,并将其放在电路图上。如下图 (图1) 所示:
![图1 元件对话框中选择 “e”](/sites/default/files/images/articles/%E6%B4%BB%E5%AD%A6%E6%B4%BB%E7%94%A8%20LTspice%20%E8%BF%9B%E8%A1%8C%E7%94%B5%E8%B7%AF%E8%AE%BE%E8%AE%A1%20%E2%80%94%20%E7%94%A8%20Voltage-controlled%20Voltage%20Source%20%E4%BB%BF%E7%9C%9F%E6%94%BE%E5%A4%A7%E5%99%A8/%E5%9B%BE1%20%E5%85%83%E4%BB%B6%E5%AF%B9%E8%AF%9D%E6%A1%86%E4%B8%AD%E9%80%89%E6%8B%A9%E2%80%9Ce%E2%80%9D.jpg)
接下来,在 “E” 的地方填写比例常数。由于要仿真 10 倍放大器,所以改为 “10”。 将光标悬停在组件 (E1) 处单击鼠标右键,或在字母 “E” 上右键点击以打开编辑器,在 “Value” 处输入值。如下图 (图2) 所示:
![图2 在 “Value” 输入任意值](/sites/default/files/images/articles/%E6%B4%BB%E5%AD%A6%E6%B4%BB%E7%94%A8%20LTspice%20%E8%BF%9B%E8%A1%8C%E7%94%B5%E8%B7%AF%E8%AE%BE%E8%AE%A1%20%E2%80%94%20%E7%94%A8%20Voltage-controlled%20Voltage%20Source%20%E4%BB%BF%E7%9C%9F%E6%94%BE%E5%A4%A7%E5%99%A8/%E5%9B%BE2%20%E5%9C%A8%E2%80%9CValue%E2%80%9D%E8%BE%93%E5%85%A5%E4%BB%BB%E6%84%8F%E5%80%BC.jpg)
如下图 (图3) 所示进行布线,添加 1kHz、100mVp-p 的正弦波形,并检查输出波形以确认操作。在 OUT 端子的波形被放大了 10倍,可以确认 1Vp-p 的振幅波形。像这样,用这种方式可以很容易仿真放大器。
![图3 电路图和模拟结果](/sites/default/files/images/articles/%E6%B4%BB%E5%AD%A6%E6%B4%BB%E7%94%A8%20LTspice%20%E8%BF%9B%E8%A1%8C%E7%94%B5%E8%B7%AF%E8%AE%BE%E8%AE%A1%20%E2%80%94%20%E7%94%A8%20Voltage-controlled%20Voltage%20Source%20%E4%BB%BF%E7%9C%9F%E6%94%BE%E5%A4%A7%E5%99%A8/%E5%9B%BE3%20%E7%94%B5%E8%B7%AF%E5%9B%BE%E5%92%8C%E6%A8%A1%E6%8B%9F%E7%BB%93%E6%9E%9C.jpg)
VCVS 仿真理想运算放大器
上文提及 Voltage-controlled Voltage Source (VCVS) 可以仿真放大器,以下与放大器的代表性 IC “运算放大器” 进行简单的比较。如下图 (图4) 所示,使用高精度运算放大器 IC “OP07” 仿真 10 倍的放大器 (非反相放大器)。同样,Voltage-controlled Voltage Source (VCVS) 也使用电阻来仿真 10 倍的非反相放大器。
Voltage-controlled Voltage Source (VCVS) 的增益设置为非常大的值 1T (10 的 12 次方)。OP07 的频带宽度 (BW) 为 0.6MHz,而运算放大器的频率并不是无限大的,故大于 BW 的信号不能发挥放大器的作用,需要实操确认这一点。
![图4 10 倍非反相放大器的比较](/sites/default/files/images/articles/%E6%B4%BB%E5%AD%A6%E6%B4%BB%E7%94%A8%20LTspice%20%E8%BF%9B%E8%A1%8C%E7%94%B5%E8%B7%AF%E8%AE%BE%E8%AE%A1%20%E2%80%94%20%E7%94%A8%20Voltage-controlled%20Voltage%20Source%20%E4%BB%BF%E7%9C%9F%E6%94%BE%E5%A4%A7%E5%99%A8/%E5%9B%BE4%2010%E5%80%8D%E9%9D%9E%E5%8F%8D%E7%9B%B8%E6%94%BE%E5%A4%A7%E5%99%A8%E7%9A%84%E6%AF%94%E8%BE%83.jpg)
由下图 (图5) 的模拟结果可以看出,由于输入信号高于 10MHz 和 BW,OP07 的输出 (OUT2:绿色) 被衰减到几乎为 0V,且用 Voltage-controlled Voltage Sourc (VCVS) 仿真的放大器 (OUT1:蓝色) 产生的信号按预期放大了 10 倍。
![图5 10 倍非反相放大器的模拟结果](/sites/default/files/images/articles/%E6%B4%BB%E5%AD%A6%E6%B4%BB%E7%94%A8%20LTspice%20%E8%BF%9B%E8%A1%8C%E7%94%B5%E8%B7%AF%E8%AE%BE%E8%AE%A1%20%E2%80%94%20%E7%94%A8%20Voltage-controlled%20Voltage%20Source%20%E4%BB%BF%E7%9C%9F%E6%94%BE%E5%A4%A7%E5%99%A8/%E5%9B%BE5%2010%E5%80%8D%E9%9D%9E%E5%8F%8D%E7%9B%B8%E6%94%BE%E5%A4%A7%E5%99%A8%E7%9A%84%E6%A8%A1%E6%8B%9F%E7%BB%93%E6%9E%9C.jpg)
工程师们有时可能会困惑,在实际模拟中需要具体使用哪种设备模型。特别是在放大器电路的设计中,即使用具有代表性的运算放大器 IC,但其也有数千种不同类型。另外,现实中运算放大器的规格并不理想,存在开环增益、频率、输入 / 输出阻抗等限制,以及噪声和温度的影响。在这种情况下,使用 Voltage-controlled Voltage Source (VCVS) 可仿真理想放大器,能够有效地研究基本电路规格,而无需担心详细规格。
总结
本文介绍了如何使用 Voltage-controlled Voltage Source (VCVS) 仿真放大器。除了能仿真放大器之外,也有使用变量 S 的传递函数 (Laplace 变换函数) 来定义的方法,我们将在之后的文章为大家进一步讲解。欲了解更多技术细节和 LTspice 相关操作,您可以点击下方「联系我们」,提交您的需求,骏龙科技公司愿意为您提供更详细的技术解答。
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