تحلیل AC با ltspice – { بخش سوم از سری آموزش های ltspice }

مقدمه

در این جلسه قصد داریم تحلیل AC با ltspice را یاد بگیریم. ما تا کنون دو جلسه در مورد LTSPICE منتشر کرده ایم که پیشنهاد جدی ما بر آن است که حتما قبل از مطالعه این جلسه ، حتما جلسات قبل را از لینک های زیر مطالعه کنید : 

• جلسه اول – مروری بر نرم افزار LTSPICE 
• جلسه دوم  – تحلیل DC با LTSPICE

البته ما یک جلسه به صورت جداگانه نیز در مورد مداری که میخواهیم در این جلسه در مورد آن صحبت کنیم ، یعنی فیلتر پایین گذر بحث کرده ایم. خواندن آن جلسه برای درک این جلسه بسیار مهم است : 

• فیلتر پایین گذر به زبان ساده

تحلیل AC با ltspice

به صورت ساده تحلیل AC  پاسخ فرکانسی مدار را  در اختیار ما قرار می دهد. نمودار خروجی در واقع یک نمودار Bode می باشد (در جلسه مربوط به فیلتر پایین گذر در مورد آن صحبت کردیم) و  اندازه و فاز خروجی در یک محدوده فرکانسی خاص به ما نشان داده می شود.

هنگام تحلیل AC گزینه های مختلفی در اختیار ما قرار دارد و میتوانیم از نمودارهای مختلفی استفاده کنیم. علاوه بر نمودار Bode میتوانیم از نمودارهای دیگر مثل نایکوییست نیز استفاده کنیم.

اجازه دهید برای درک بهتر و دقیق تر مثل جلسات قبل مثالی را مطرح کنیم و از روی آن توضیحات لازم را ارایه کنیم. 

مداری که در اینجا قصد شبیه سازی آن را داریم ، یک مدار فیلتر پایین گذر است و قصد داریم ببینیم که به کمک نمودارهای خروجی این مدار چه اطلاعاتی را میتوانیم کسب کنیم. 

در ابتدا مداری مشابه با شکل زیر طراحی کنید : (در جلسات قبل یاد گرفتیم که چگونه میتوانیم چنین مداری را در LTSPICE بکشیم.)

تنها نکته ای که وجود دارد هنگام قرار دادن منبع AC از قسمت Small Signal AC Analysis مطابق شبکه زیر ، دامنه را بر روی 1 ولت تنظیم کنید. (برای باز شدن این پنجره بر روی منبع تغذیه کلیک راست کنید و در پنجره باز شده گزینه Advance را انتخاب کنید.)

برای مقدار دهی قطعات نیز کافی است تا مقدار مقاومت برابر 1 کیلواهم و مقدار خازن برابر با 10n یعنی 10 نانو فاراد قرار دهید. 

یکی از نکاتی که میتوانید از آن استفاده کنید این است که به مدار خود یک متن هم اضافه کنید تا خوانایی آن بالاتر برود. در واقع ببننده صرفا با خواندن آن متن ببیند که مدار شما دقیقا چه مداری است ، بدون آن که بخواهد مدار را تحلیل کنید. 

برای افزودن متن کافی است گزینه  را از Toolbar انتخاب کنید و در صفحه باز شده متن خود را بنویسید. ما متن Ac Analysis – Low pass filter را برای مدار خود انتخاب کرده ایم. توجه کنید که میتوانید از کلمات فارسی هم استفاده کنید. ولی این نرم افزار از متن همزمان فارسی و انگلیسی پشتیبانی نمی کند. 

حال مدار ما آماده است و میتوانیم شبیه سازی را آغاز کنید. از جلسات قبل میدانیم که برای شبیه سازی کافی است ، از Toolbar گزینه Run را انتخاب کنید. در صفحه ای که باز می شود باید وارد تب AC Analysis شویم. در این صورت با صفحه ای مطابق شکل زیر روبرو می شوید. 

چهار فیلد در بالا وجود دارد که آن را مطابق بالا پر کنید. در زیر در مورد این فیلدها توضیح داده شده است :

1.  Type of Sweep : تعیین نوع مقیاس دهی بر روی محور x ها
2.  Number of Points  : تعیین تعداد نقاط (این پارامتر با توحه به پارامتر بالا ممکن است تغییر کند.)
3.  Start Frequency : فرکانس شروع 
4.  Stop Frequency : فرکانس پایانی

حال میتوانیم نتایج خروجی را مشاهده کنیم. 

در ابتدا بر روی نقطه Vout کلیک میکنیم تا نمودار خروجی آن را مشاهده کنیم. نمودار خروجی مربوط به این مدار چیزی شبیه به شکل زیر می باشد : 

این شکل دقیقا همان شکلی است که در جلسه پیش در مورد آن صحبت کردیم و انتظار داشتیم مدار ما نیز همین شکل را تولید کند. 

در واقع با گذشت زمان و رفتن به فرکانس های بالاتر کم کم مقدار خروجی کاهش پیدا میکند. چون این مدار یک فیلتر پایین گذر است و فقط سیگنال هایی در فرکانس پایین را عبور می دهد. 

با توجه به شکل بالا مشخص است که فرکانس قطع تقریبا 10 کیلوهرتز می باشد. 

یکی از سوالاتی که شاید در اینجا برای شما پیش بیاید این است که چرا ما در خروجی با دو نمودار روبرو هستیم ؟ در واقع نمودار دوم نمودار مربوط به فاز می باشد. اگر میخواهید نمودار مربوط به فاز برایتان نشان داده نشود ، کافی است تا بر روی قسمت راست نمودار (جایی که زوایا نوشته شده است) کلیک راست کنید و مطابق شکل زیر گزینه Don’t plot phase را انتخاب کنید. 

میبینید که نمودار مربوط به فاز حذف شد و فقط نمودار مربوط به دامنه نشان داده می شود. 

البته اگر دوست دارید مجددا نمودار مربوط به فاز برای شما نشان داده شود بر روی همان قسمت کلیک راست کنید و گزینه OK را بزنید. 

در مرحله بعد میخواهیم به کمک LTSPICE فرکانس قطع را به صورت دقیق پیدا کنیم.همانطور که میدانیم فرکانس قطع فرکانسی است که نسبت ولتاژ خروجی به ولتاژ ورودی برابر 0.707 می شود. یعنی بهتر برابر با -3dB می گردد. 

قبل از هر چیز بهتر است ابتدا این فرکانس را به صورت Theory بدست آوریم.  همانطور که میدانیم فرکانس قطع مربوط به یک فیلتر پایین گذر از رابطه زیر بدست می آید :

حال اگر مقادیر مشخص شده در مدار را در این فرمول قرار دهیم ، خواهیم داشت : 

یعنی فرکانس قطع تقریبا برابر با 16 کیلوهرتز است.

برای بدست آوردن فرکانس قطع از طریق ltspice ، کافی است تا ابتدا بر روی بر چسب Vout در بالای نمودار خروجی کلیک کنیم. در این صورت همانطور که مشاهده میکنید یک خط چین به صورت افقی و یک حط چین به صورت عمودی بر روی نمودار نشان داده می شود. علاوه بر آن یک صفحه کوچک نیز در گوشه سمت راست پایین برای شما باز می شود که به شما وضعیت آنلاینی از محل آن خط چین را نشان می دهد. 

این خط چین را انتخاب کنید و همینطور به سمت راست صفحه حرکت کنید. این کار را تا زمانی انجام دهید که بهره خروجی برابر با 3dB- شود. یعنی چیزی شبیه به شکل زیر : 

حال فرکانس قطع را نگاه کنید. این فرکانس برابر با 16.1 کیلوهرتز می باشد که تقریبا برابر با عددی است که ما به صورت Theory آن را محاسبه کرده ایم. 

بنابراین از فرکانس 1 هرتز تا فرکانس 16 کیلوهرتز Pass Band و از 16 کیلوهرتز به بعد Stop Band می باشد. 

تحلیل مربوط به این مدار به پایان رسید. اما اجازه دهید به یک نکته در مورد ltspice هم اشاره کنیم. 

اگر بخواهیم محدوده بهره خروجی (یعنی محدوده محور عمودی) را تغییر دهیم ، کافی است تا بر روی اعداد مربوط به محور عمودی کلیک راست کنیم. در این صورت پنجره ای مطابق شکل زیر برای ما باز می شود. 

حال میتوانید محدوده خود را مشخص کنید. مثل بازه شروع را 1 دسی بل انتخاب کنید و OK را بزنید. میبینید که محدوده نمودار شما تغییر کرد.

البته این محدوده برای ما خاصیت چندانی ندارد ولی این موضوع را صرفا به عنوان یک نکته مطرح کردیم تا در آینده در صورت نیاز بتوانیم از آن استفاده کنیم. 

توجه کنید که همین کار را میتوانیم برای محور افقی و محدوده آن نیز انجام دهیم. 

در پایان جلسه حتما به سوالات زیر پاسخ دهید تا به صورت کامل این جلسه را درک کنید. لطفا جواب های خود را در قسمت کامنت ها قرار دهید تا در صورت اشتباه بودن ، نکات لازم گفته شود و در صورت صحیح بودن نیز سایر دوستان از آن استفاده کنند.