作者：Anne Mahaffey，首席應(yīng)用工程師

摘要

本文詳細(xì)介紹了在LTspice®原理圖中添加電壓控制開關(guān)的步驟。文中列舉了幾個(gè)示例，著重說(shuō)明了電壓控制開關(guān)在瞬態(tài)仿真中的使用。

簡(jiǎn)介

電壓控制開關(guān)是LTspice的基本電路元件，能夠以簡(jiǎn)潔的方式在電路中實(shí)現(xiàn)開路或短路行為，并支持在仿真過(guò)程中動(dòng)態(tài)切換。完善原理圖后，設(shè)計(jì)人員最終可能需要采用更精確的FET或開關(guān)模型，但在設(shè)計(jì)初期，較簡(jiǎn)單的開關(guān)元件無(wú)疑是更理想的選擇。

開始前的必需步驟

本文假設(shè)讀者對(duì)LTspice的基本操作有一定了解。如果您尚未熟悉LTspice的使用方法，請(qǐng)先參閱入門指南和LTspice基礎(chǔ)知識(shí)視頻系列。

第1步：放置開關(guān)符號(hào)

打開需要添加開關(guān)的原理圖。或者選擇File（文件）→New Schematic（新建原理圖），創(chuàng)建一個(gè)新的原理圖。

選擇Edit（編輯）→Component（元件，或按快捷鍵P），然后從元件庫(kù)中選擇sw（開關(guān)）。使用Rotate（旋轉(zhuǎn)，CTRL+R）和Mirror（鏡像，CTRL+E）命令可以微調(diào)開關(guān)符號(hào)的方向。單擊Place（放置），再單擊原理圖以放置新的開關(guān)。參見圖1。

圖1.從Component（元件）對(duì)話框中選擇開關(guān)。

第2步：添加模型語(yǔ)句

選擇Edit→SPICE指令（或按快捷鍵“.”），為開關(guān)添加模型指令。輸入以下示例代碼：

.model MYSW SW()

其中，MYSW是分配給該模型指令的名稱，SW()表示這是一個(gè)開關(guān)模型，使用默認(rèn)參數(shù)值（圖2）。單擊OK（確定），然后單擊原理圖以放置.model指令。要查看關(guān)于開關(guān)模型指令的LTspice幫助主題，請(qǐng)選擇Help（幫助）→LTspice Help（LTspice幫助），并搜索Voltage Controlled Switch（電壓控制開關(guān)），查閱相關(guān)的SW()模型指令。

圖2.向原理圖添加.model指令。

第3步：將新開關(guān)指向相應(yīng)模型語(yǔ)句

將.model指令添加到原理圖后，請(qǐng)右鍵單擊開關(guān)值（放置開關(guān)時(shí)默認(rèn)為SW），確保新的開關(guān)符號(hào)正確鏈接到模型。將SW更改為MYSW，以將此開關(guān)正確鏈接到新創(chuàng)建的MYSW模型。參見圖3。

圖3.更改開關(guān)元件的值以匹配.model指令中的名稱。

第4步：添加控制電壓源

添加一個(gè)電壓源來(lái)控制新開關(guān)的開/關(guān)狀態(tài)。要添加電壓源，請(qǐng)選擇Edit（編輯）→Component（元件），從對(duì)話框中選擇一個(gè)電壓元件，然后單擊Place（放置）或按快捷鍵V。單擊原理圖以放置電壓源。

右鍵單擊V值，然后輸入下面的PULSE命令以創(chuàng)建三角波（如圖4所示）。

PULSE(-1 1 0 .5m .5m 0 1m)

圖4.向開關(guān)控制引腳添加控制電壓。

電壓控制開關(guān)的默認(rèn)閾值參數(shù)為0 V，因此該示例三角波將以50%的占空比接通和關(guān)斷此默認(rèn)開關(guān)模型。

簡(jiǎn)單示例

使用此處提供的簡(jiǎn)單示例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，或者選擇File（文件）→Open Examples（打開示例）→Educational（教學(xué)）→Vswitch.asc。參見圖5。

圖5.Vswitch.asc示例原理圖。

為了簡(jiǎn)化圖表結(jié)果并展示改變Vh和Vt值的影響，請(qǐng)右鍵單擊值3.3并將該值更改為1，從而將V2電壓更改為1。

選擇Simulate（仿真）→Run（運(yùn)行）以運(yùn)行仿真。參見圖6。

圖6.V2變成1 V后得到的仿真結(jié)果。

設(shè)置控制滯回的行為

Vh = 0時(shí)的行為

為探索開關(guān)在Vh改變時(shí)的行為，我們可以對(duì)Vswitch.asc示例進(jìn)行一些更改。

右鍵單擊.model指令，將Vh值更改為Vh = 0，然后重新運(yùn)行仿真。請(qǐng)注意，此開關(guān)表現(xiàn)出理想的開關(guān)行為，在Vt值處瞬間完成完全導(dǎo)通與完全關(guān)斷的狀態(tài)切換。本例中的Vt為0.5 V。參見圖7。

圖7.Vh = 0時(shí)，開關(guān)表現(xiàn)出理想行為。

此外，我們還可以繪制開關(guān)行為與輸入電壓的關(guān)系圖。刪除V(in)跡線，然后右鍵單擊x軸，將x軸從時(shí)間更改為V(in)。參見圖8和圖9。

圖8.將橫軸設(shè)置為V(in)。

圖9.繪制V(out)與V(in)的關(guān)系圖。

Vh為正值時(shí)的行為

Vh為正值時(shí)，開關(guān)將表現(xiàn)出滯回特性。在Vswitch.asc示例中，將Vh更改為0.2 V，以展示相應(yīng)的滯回效應(yīng)。參見圖10。

圖10.Vh為正值時(shí)，開關(guān)表現(xiàn)出滯回特性。

Vh為負(fù)值時(shí)的行為

Vh為負(fù)值時(shí)，開關(guān)在導(dǎo)通與關(guān)斷狀態(tài)之間的切換將變得更加平滑（過(guò)渡區(qū)域由負(fù)Vh值設(shè)置）。請(qǐng)注意，負(fù)Vh僅會(huì)讓開關(guān)平滑過(guò)渡，而不會(huì)造成任何滯回。參見圖11。

圖11.負(fù)Vh值使過(guò)渡更平滑。

示例：可變?cè)鲆孢\(yùn)算放大器：

第二個(gè)例子的靈感來(lái)源于此處發(fā)布的電學(xué)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目。借助理想運(yùn)算放大器和開關(guān)模型，我們可以模擬該電路的簡(jiǎn)單版本。該示例原理圖名為Variable_Gain_Amplifier_Example.asc，您可以點(diǎn)擊此處下載。

觀察通過(guò)R3的電流路徑在開路和短路之間循環(huán)變化時(shí)，放大器電路的增益如何變化。參見圖12。

圖12.通過(guò)開關(guān)實(shí)現(xiàn)可變?cè)鲆妗?/p>

LTspice中的FET、開關(guān)和多路復(fù)用器宏模型

如果您設(shè)計(jì)的電路需要更貼近實(shí)際的器件來(lái)替代理想化的電壓控制開關(guān)，那么LTspice元件庫(kù)為您提供了更多模型選擇，包括晶體管、ADI開關(guān)和多路復(fù)用器。

結(jié)語(yǔ)

欲了解更多LTspice技巧和竅門，請(qǐng)點(diǎn)擊此處，查看LTspice推薦閱讀清單。

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2024財(cái)年收入超過(guò)90億美元，全球員工約2.4萬(wàn)人。ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.analog.com/cn。

作者簡(jiǎn)介

Anne Mahaffey 2003年加入ADI公司，擔(dān)任支持直接數(shù)字頻率合成產(chǎn)品的測(cè)試工程師。她擁有美國(guó)佐治亞理工學(xué)院電氣工程學(xué)士學(xué)位及美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位。她曾投入10多年時(shí)間構(gòu)建和支持Precision Studio工具套件中的設(shè)計(jì)工具，目前，她是ADI的首席應(yīng)用工程師，主要負(fù)責(zé)LTspice的支持工作。