目录

以下内容介绍了一些常见的错误及问题。

仿真图中必须有接地节点

image-20201008155309111

模拟仿真工作方式的一个特点是,它们必须在电路中的某处具有接地节点(也称为0电平)作为参考点进行工作。接地节点可以放置在电路中便于进行模拟测量,不能缺少。

以下两个工程范例进行说明:

(1)没有接地符号,无法运行仿真:所有仿真原理图都必须接地01

(2)添加任何可用的接地符号后,仿真正常运行:所有仿真原理图都必须接地02

注意事项:接地符号不能与电压探头相连,具体原因在“ 探测电压 ”部分中将说明。

电源及信号源

与实际电路中必须具备某种电源的方式一致,即使该电路就是一个信号源本身,在正常工作之前都需要外部电源将电容或电感充电至具备信号源初始条件。

可以使用理想的电压源来构建电源,也可以使用带有一定串联电阻的电压源或者并联电阻的电流源(戴维南定理与诺顿定理)来构建趋向实际的电源和稳压器电源模型。

立创EDA通过了大量的信号源,将在“电源”部份进行详细介绍,部分常用电路供电的使用方法如下:

所有仿真图必须有电源

直流路径

与实际电路不同,仿真原理图中的每个点都必须有一条通向地面的直流路径(或0电位)。在没有直流接地路径的节点上运行仿真将失败并显示错误。在讨论直流接地路径的重要性之前,必须先了解模拟仿真中所使用的一些基本组件和源,并了解它们如何影响这些直流路径。

  1. RLC器件的直流路径

本部分是关于讨论通过电阻,电感和电容的直流路径的值。

  • 默认情况下,LTspice中的电感器的串联电阻为零(即ESR = 0),没有寄生并联电容或电阻。因此,电感器具有通过它们的直流路径。

  • 默认情况下,LTspice中的电容器没有寄生并联电导(即,它们具有无限的直流电阻),串联电阻为零(即ESR = 0)且生串联电感为0(即ESL = 0)。因此,LTspice中的电容器没有直流路径。

  • 电阻器显然具有通过它们的直流路径。

  • LTspice中的电感和电容可以设置为正值,负值或零值。但电阻不能设置为0,主要是由于电阻为0时两端的电压差为0,会产生无限大的电流导致仿真错误。当电阻、电容和电感器件参数设置为负值可能会导致连接到它们的电路出现不稳定或振荡,导致仿真失败。

  1. 通过电压和电流源的直流路径

本节中将介绍通过电压和电流源的直流路径。

在此仅讨论LTspice电压和电流源的默认设置。有关这些多功能设备可用选项的详细信息,请参考LTspice中“帮助”页面或在线页面的相关部分:http://ltwiki.org/LTspiceHelpXVII/LTspiceHelp.html

LTspice中的电压源默认情况下具有理想特性,没有电流限制。对于任何负载电流,输出电压将保持恒定。LTspice中的默认电压源具有一条通过它们的直流路径。由于其零源电阻,如果在没有真实电池并联的情况下并联连接真实电池,就会流过破坏性高电流,就像在仿真原理图中的电压源之间没有串联电阻的情况下,并联并联一样。即使将它们设置为完全相同的电压也是如此。尝试这样做将导致模拟运行失败并显示错误。

类似地,如果将电感器直接连接到实际电源上而在它们之间没有任何电阻,则流过破坏性高电流的方式相同,仿真原理图中的电感器如果没有串联电阻也无法直接与电压源并联。尝试这样做将导致模拟运行失败并显示错误。

默认情况下,LTspice中的电流源(包括I,B,F和G源)具有无限的源电阻,并且没有电压限制。对于任何负载阻抗和电流源两端的电压,输出电流将保持恒定。当将其设置为提供恒定电流输出时,这与调节和限流台式电源的行为不同。除了专用的电源(例如源测量单元)外,台式电源通常只能根据用户的设置在输出端提供高达某个最大正电压的源电流,或者在输出端提供一个降至某个最小负电压的电流。因此,LTspice中的默认电流源没有直流路径通过它们。

由于它们通过无限的源电阻产生恒定电流,其结果与如果两个真实电流源串联而没有在每个源两端都具有有限电阻的情况下会产生破坏性的高电压相同,则无法连接仿真中的电流源串联,没有与每个电源并联的有限电阻。尝试这样做将导致模拟运行失败并显示错误。

在仿真中,将电容器与产生电流I的电流源并联连接,而不同时与电阻器R并联连接,将导致电容器上的电压向无穷大倾斜。即使电阻并联,电压也将上升到I * R,这可能仍然是一个大电压。如果在仿真原理图中存在这样的电路,那么除非它被具有适当低阻值的开关短路或设置为某个初始电压,否则电容器两端的电压将在时间t = 0处已经向无穷大倾斜,即在模拟开始时。从仿真开始就可能导致意外的高电压。

  1. 添加直流路径的影响

本节介绍如何创建DC路径及其可能产生的一些影响。

一个具有两个串联电容器的电路是基础电气工程课程的最爱,也是使用模拟器解决的一个非常棘手的问题的示例。从两个电容之间的公共点到地面必须有一条直流路径,但不一定要直接接地。它可以通过电路中的其他元素。以下简单示例将运行,但不会收敛,因为两个电容器之间没有从公共节点B接地的直流路径:

系列电容器01

由于C1的顶端已经有一条通过电流表和电压源接地的DC路径,并且C2的底端已接地,因此只需在节点B的两个电容器的结点处添加一个电阻到地,就可以运行此仿真。但是,如果不能清楚地理解直流路径电阻的影响,则会显示出电容器两端的电压可能会造成混淆:

电容器系列02

可以缩放放置在电容器两端以提供DC路径的电阻,以便与运行瞬态仿真的时间间隔相比,它们将在电容器中产生的R C时间常数非常大。进行AC分析的另一种方法是,它们形成的1 /(2 pi R C)频率远远超出了感兴趣的频率范围。

这些电阻的值可以在毫欧(1e-3Ω)至1G欧(1e9Ω)之间。在许多情况下,该值可以小于或大于此范围,但在某些电路中,可能导致仿真失败并出现错误。这通常是因为电路中最大或最小电压或电流之比太高,以致模拟器无法处理。通常,将任何给定类型的无源组件的最小和最大组件值之间的比率保持为不超过1e12应该有助于避免这种仿真失败。

但是必须注意的是,尽管基于Q = I t = C V 对由于流过电容器的电流而串联电容器两端的电压进行纯粹的理论分析,但可能会产生有意义的值,因此需要建立实电路和模拟电路来证明这一点。可能很有挑战性。实际电路中的电压测量可能很困难,而仿真中对直流路径的需求可能会带来不同但同样棘手的问题。

任何尝试使用直流电源尝试测量串联电容器对两端电压的尝试都将以失败的模拟结束,因为没有接地的直流路径,会运行但会给电容器两端提供错误的电压,或者只会产生电阻两端的稳态直流电压用于建立必要的接地接地路径。

在这种电路中,有两种方法可以测量电容器电压。如下图所示,最简单的方法是将DC电压源替换为配置为生成0到1V的快速边沿阶跃的PULSE电源。只要与模拟停止时间相比,直流路径电阻和电容器的RC时间常数大,则每个电容器上的电压将等于理论分析给出的电压,并由电容器的比率来定义。

电容器系列03

另一种可能性是在电容器两端施加1V / s的线性斜坡DC电压,以通过它们产生恒定电流。然后,各个电容器上的电压将与它们的电容成反比地上升。通过将这些电压除以时间,可以产生一个电压,该电压等于在1V DC电源的理论分析中观察到的电压,该电源上串联了两个电容器。以下示例说明了一种实际测量电容的方法。

系列电容器04

类似地,一个变压器耦合电路必须具有直流路径,该变压器耦合电路的初级侧由主电源和零线驱动,而次级电路的一侧接地(可能在电路图中放置接地符号的位置)。从变压器初级绕组的一端或两端回到地面(或从中心抽头返回,如果有的话)。与跨电容器放置电阻类似,可以缩放与电感器一起使用的直流路径电阻,以便与运行瞬态仿真的时间间隔相比,它们将创建的R / L时间常数非常大。进行AC分析的另一种方法是,它们形成的1 /(2 pi R * C)频率远远超出了频率范围。

在下面的变压器和耦合电感器示例集合中,可以看到一些使用接地回路电阻器的示例,其中包括开环反激式转换器的简单示例:

变压器和耦合器示例

以下提供一些关于Spice模型相关的资料供读者学习:

(1)Spice起源

(2)LTSpice wiki

(3)《晶体管建模权威手册》

(4)(Laurence W. Nagel)“SPICE2: A Computer Program to Simulate Semiconductor Circuits,”


goToTop