スポンサーサイト

上記の広告は1ヶ月以上更新のないブログに表示されています。
新しい記事を書く事で広告が消せます。


LTspiceでスイッチト・キャパシタの交流解析

LTspiceのAC解析は、スイッチングを含む回路の周波数特性をシミュレーションすることができません。そこで、スイッチング回路の評価に適した過渡解析を反復させることにより、PSoCのスイッチト・キャパシタフィルタのゲイン線図を描いてみました。

その結果、フィルタ設計ウイザードのゲイン線図とよく一致することが確認できました。このことからも、LTspiceでスイッチト・キャパシタのLTspiceモデルが現実の回路をよく再現していることを確認できました。

005_20091010201221.png 007_20091010201221.png 009_20091010201220.png


連続時間回路に対するAC解析の限界


LTspiceには、回路の交流特性のシミュレーションを行うための小信号交流解析(.acコマンド)があります。このコマンドを使えば、増幅回路やフィルタの周波数に対するゲインや位相の特性を調べることができます。(例:超音波距離計 第三回:受信回路の交流解析,LTspiceでオールパス・フィルタ)

しかしながら、このAC解析は連続時間的な回路の周波数特性を調べるためのものであるため、スイッチングを含む回路の周波数特性を調べることができません。
スイッチングを含む回路にも、周波数特性が重要になってくるものがたくさんあります。例えば、A/Dコンバータのサンプル&ホールド回路やスイッチト・キャパシタ・フィルタなどです。ADCの並列動作 その1では、スイッチングの効果を考慮せずにサンプリングスイッチのON抵抗とホールドコンデンサによって構成されるRCローパスフィルタの周波数特性のみをシミュレーションしました。

今回は、ゲインの周波数特性がフィルタ設計ウイザードに書かれているPSoCのBPF2に関して、シミュレーションと理論値との比較を行います。

過渡解析


フィルタ自体は、LTspiceでスイッチト・キャパシタで作ったモデルに対して、中心周波数が1kHzとなるように、サンプリング周波数を50kHzとしたものにしました。

解析の基本となる過渡解析のシミュレーション結果をfig.1-2に示します。


001_20091010201651.png
fig.1: スイッチト・キャパシタ・バンドパスフィルタのスケマティック

002_20091010201651.png
fig.2: 入力電圧(赤) 出力電圧(緑)


fig.2のグラフは、出力電圧が定常状態に入ったあとのものです。
入力電圧の周波数を100Hz,10kHzと変更してシミュレーションしたところ、最初の数msは出力が安定しないようです。


003_20091010201650.png
fig.3: 入力周波数100Hzの出力波形

004_20091010201650.png
fig.4: 入力周波数10kHzの出力波形


このため、交流特性は10ms以降の1周期分のデータに対して処理を適用することにより議論します。

スイッチング回路のAC解析


周波数-ゲイン特性図(ゲイン線図)を書くために、.measと.stepを組み合わせた過渡解析を行います。
ゲインは(出力電圧)/(入力電圧)なので、それぞれの1周期分の実効値を.measで計算します。


005_20091010201221.png
fig.5: スケマティック

006_20091010201650.png
fig.6: 横軸が時間,縦軸が入力電圧波形(赤)と出力電圧波形(緑)

007_20091010201221.png
fig.7: 横軸が周波数,縦軸がゲインで、単位はdB


fig.7がもとめるゲイン線図です。

フィルタ設計ウイザードとの比較


フィルタ設計ウイザードによって得られたゲイン線図をfig.8に示します。
青の破線で書かれたのが理想特性(Nominal)で、緑の実線で書かれたのが実際の回路で予測される特性(Expected)です。


008_20091010201650.png
fig.8: フィルタ設計ウイザードのゲイン線図


これに対して、LTspiceのシミュレーションから得られたfig.7のゲイン線図を画像として重ねたものをfig.9に示します。


009_20091010201220.png
fig.9: フィルタ設計ウイザードとLTspiceのゲイン線図の比較


赤のラインで示したLTspiceのシミュレーション結果は、フィルタ設計ウイザードのゲイン線図と非常によく一致しました。

ただし、よりよく一致したのは残念ながら、緑のExpectedではなく、青のNominalでした。
スイッチト・キャパシタのモデル化の際に、OPアンプやスイッチ、コンデンサ等すべてを理想的な部品としたため、ある意味当然と言えば当然の結果です。
この差を埋めるための要素としては、OPアンプの周波数特性、スイッチのON抵抗、コンデンサの漏れ電流など候補はいくつか考えられそうです。

関連エントリ




付録


このエントリで使用したLTspiceのシミュレーション用ファイルを添付します。ファイル名末尾の".txt"を削除して、"_"を"."に変更すれば使えるはずです。


参考文献




フィードバック



にほんブログ村 その他趣味ブログ 電子工作へ

 ↑ 電子工作ブログランキング参加中です。1クリックお願いします。


コメント・トラックバックも歓迎です。 ↓      


 ↓ この記事が面白かった方は「拍手」をお願いします。


tag: LTspice PSoC スイッチト・キャパシタ スイッチング回路 

comment

Secret

FC2カウンター
カテゴリ
ユーザータグ

LTspiceAkaiKKRmachikaneyamaScilabKKRPSoC強磁性CPAPICOPアンプecalj状態密度モンテカルロ解析常微分方程式トランジスタodeDOSインターフェースPDS5022定電流スイッチング回路分散関係半導体シェルスクリプトレベルシフト乱数HP6632A可変抵抗トランジスタ技術R6452AI2C温度解析ブレッドボードバンドギャップ確率論反強磁性セミナーバンド構造数値積分偏微分方程式非線形方程式ソルバ熱設計絶縁三端子レギュレータISO-I2CA/DコンバータシュミットトリガフォトカプラカオスPWscfGW近似LM358LEDマフィンティン半径発振回路USB数値微分TL431PC817Cサーボアナログスイッチ直流動作点解析補間カレントミラー74HC4053bzqltyチョッパアンプFFT2ちゃんねる開発環境量子力学単振り子電子負荷VESTAQuantumESPRESSO標準ロジックパラメトリック解析ブラべ格子イジング模型アセンブラLDA基本並進ベクトルBSchSMPTLP621失敗談六方最密充填構造コバルト位相図QSGWGGAスイッチト・キャパシタewidth状態方程式VCAキュリー温度繰り返し最適化仮想結晶近似不規則合金熱伝導gfortran相対論抵抗FETMaximaQuantum_ESPRESSOcygwinランダムウォークラプラス方程式スピン軌道相互作用スレーターポーリング曲線マントルシュレディンガー方程式ZnO自動計測QNAP固有値問題ダイヤモンドデータロガー井戸型ポテンシャルTLP552CIFxcrysdenゼーベック係数熱力学条件分岐MCU最小値UPS格子比熱最大値ガイガー管平均場近似過渡解析Writer509スーパーセルFXA-7020ZR差し込みグラフ第一原理計算テスタ起電力OpenMP三角波ubuntuLM555NE555ブラウン運動詰め回路ハーフメタルawkfsolveUbuntuフェルミ面TLP521トランスMAS830LPGACK1026OPA2277フィルタトレーナーバトルEAGLEノコギリ波負帰還安定性ナイキスト線図MBEP-10LMC6622SC1815CapSenseAACircuitPIC16F785入出力固定スピンモーメントFSMTeX結晶磁気異方性全エネルギーc/a合金multiplotgnuplot非線型方程式ソルバL10構造正規分布等高線ジバニャン方程式ヒストグラム確率論初期値interp1fcc面心立方構造ウィグナーザイツ胞半金属デバイ模型磁気モーメント電荷密度重積分SIC不純物問題擬ポテンシャル状態図cif2cellPWgui二相共存ウルツ鉱構造edeltquantumESPRESSOフォノンリジッドバンド模型スワップ領域BaO岩塩構造ルチル構造マテリアルデザインspecx.fフラクタルマンデルブロ集合キーボードRealforceクーロン散乱三次元疎行列縮退化学反応関数フィッティング最小二乗法Excel直流解析PCTS-110TS-112日本語パラメータ・モデル等価回路モデル文字列ポケモンGO熱拡散方程式HiLAPW両対数グラフ片対数グラフ陰解法Crank-Nicolson法ifort境界条件連立一次方程式グラフの分割軸ラベルヒストグラム不規則局所モーメントスーパーリーグ円周率Gimp凡例線種シンボルトラックボール

最新コメント
リンク

にほんブログ村 その他趣味ブログ 電子工作へ
上記広告は1ヶ月以上更新のないブログに表示されています。新しい記事を書くことで広告を消せます。