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          使用pspice的交流電源信號的頻率相關開關模型

          作者: 時間:2025-05-15 來源: 收藏

          專為 PSpice 仿真設計的使專家能夠解決高級系統(tǒng)中的挑戰(zhàn),無縫集成到各種電子電路中。

          本文引用地址:http://yuyingmama.com.cn/article/202505/470501.htm

          開關可用于 UHF 或更高無線電頻段中需要通過多個路徑路由信號的任何設備/電路。ATE(自動測試設備)系統(tǒng)中使用不同配置的開關。固態(tài)開關可分為兩大類:機械式、繼電器式、PIN 二極管和 FET。他們可以使用,

          • 要在雙輸出之間切換單個信號,

          • 要連接不同的多個輸出,將信號并聯(lián)到端口連接,

          • 繞著電路元件或系統(tǒng)路由更改(旁路)電壓,而不是通過電路元件或系統(tǒng)。

          通過頻域中的示例描述了與 PSpice 電路仿真軟件兼容的電壓/電流控制模擬行為模型開關的設計和建模。

          模擬方法

          描述了使用模擬行為建模獲得不同開關的等效電路的 PSpice 方法。該領域的其他工作使用原始 PSpice 程序的多項式電壓/電流源模型使用不同的配置。


          圖 1 包含拉普拉斯開關 (E) 和電阻器的線性高功率網(wǎng)絡

          圖 2:帶有 S1 的線性有源高功率網(wǎng)絡

          表 I 描述了(圖 1)獲得頻率依賴性的 PSpice 程序,該程序在 1700Hz 時表現(xiàn)為短,在圖 1 的其他工作頻率下變?yōu)殚_路 [相當于執(zhí)行開關(開/關)動作]。圖 1 中的 E 拉普拉斯描述了使用帶有拉普拉斯選項的 PSpice 模擬行為模型的開/關電阻器。

          Table I. Frequency description of switch operation (Fig: 1)


          **** 10/03/23 16:43:29 ****** PSpice Lite (October 2012) ****** ID# 10813 ****

          Frequency-dependent switch simulation
          Circuit description

          V2 1 0 AC 1
          R13 1 3 100
          E34 3 4 LAPLACE {I(E34)} = {(ABS(S)/(2.0*3.141592653589793)-1700)*1E8}
          R40 4 0 100
          .AC LIN 13 1KHz 2.2KHz
          .PRINT AC VM(1) VM(3) VM(4)
          .OP

          .end

          **** 10/03/23 16:43:29 ****** PSpice Lite (October 2012) ****** ID# 10813 ****

          Frequency-dependent switch simulation
          Small signal bias solution Temperature = 27.000 DEG C

          Node voltage
          ( 1) 0.0000 ( 3) 0.0000 ( 4) 0.0000

          Voltage source currents
          Name Current

          V2 0.000E+00

          Total power dissipation 0.00E+00 watts
          **** 10/03/23 16:43:29 ****** PSpice Lite (October 2012) ****** ID# 10813 ****

          Frequency-dependent switch simulation
          Operating point information Temperature = 27.000 DEG C

          Voltage-controlled voltage sources
          Name E34
          V-source 0.000E+00
          I-source 0.000E+00

          **** 10/03/23 16:43:29 ****** PSpice Lite (October 2012) ****** ID# 10813 ****

          Frequency-dependent switch simulation
          AC analysis Temperature = 27.000 DEG C

          FREQ VM(1) VM(3) VM(4)
          1.000E+03 1.000E+00 1.000E+00 1.429E-09
          1.100E+03 1.000E+00 1.000E+00 1.667E-09
          1.200E+03 1.000E+00 1.000E+00 2.000E-09
          1.300E+03 1.000E+00 1.000E+00 2.500E-09
          1.400E+03 1.000E+00 1.000E+00 3.333E-09
          1.500E+03 1.000E+00 1.000E+00 5.000E-09
          1.600E+03 1.000E+00 1.000E+00 1.000E-08
          1.700E+03 1.000E+00 5.007E-01 4.993E-01
          1.800E+03 1.000E+00 1.000E+00 1.000E-08
          1.900E+03 1.000E+00 1.000E+00 5.000E-09
          2.000E+03 1.000E+00 1.000E+00 3.333E-09
          2.100E+03 1.000E+00 1.000E+00 2.500E-09
          2.200E+03 1.000E+00 1.000E+00 2.000E-09

          可以觀察到(表 I),由于 1.7KHz 的開關動作,所有電壓都從節(jié)點 (3) 轉移到輸出節(jié)點 (4)。

          Table II. PSpice program description of switching (Fig:2)


          **** 10/03/23 16:33:07 ****** PSpice Lite (October 2012) ****** ID# 10813 ****

          Frequency-dependent AC switch simulation
          Circuit description

          V2 1 0 AC 100
          R13 1 2 400
          G1 2 0 4 0 2
          L23 2 3 0.3
          R30 3 0 500
          C34 3 4 0.1UF
          L46 4 6 0.1
          C60 6 0 0.1

          E45 4 5 LAPLACE {I(E45)} = {(ABS(S)/(2.0*3.14159265359)-150)*1E10}

          R40 5 0 2000
          .AC LIN 4 50 200
          .PRINT AC VM(1) VM(3) VM(4) VM(5)

          .OP

          .end

          **** 10/03/23 16:33:07 ****** PSpice Lite (October 2012) ****** ID# 10813 ****

          Frequency-dependent AC switch simulation
          Small signal bias solution Temperature = 27.000 DEG C

          Node voltage
          ( 1) 0.0000 ( 2) 0.0000 ( 3) 0.0000 ( 4) 0.0000

          ( 5) 0.0000 ( 6) 0.0000

          Voltage source currents
          Name Current

          V2 0.000E+00

          Total power dissipation 0.00E+00 watts
          **** 10/03/23 16:33:07 ****** PSpice Lite (October 2012) ****** ID# 10813 ****

          Frequency-dependent AC switch simulation
          Operating point information Temperature = 27.000 DEG C


          Voltage-controlled current sources
          Name G1
          I-source 0.000E+00

          Voltage-controlled voltage sources
          Name E45
          V-source 0.000E+00
          I-source 0.000E+00

          **** 10/03/23 16:33:07 ****** PSpice Lite (October 2012) ****** ID# 10813 ****

          Frequency-dependent AC switch simulation
          AC analysis Temperature = 27.000 DEG C


          FREQ VM(1) VM(3) VM(4) VM(5)
          5.000E+01 1.000E+02 9.734E+01 9.607E-02 1.921E-10
          1.000E+02 1.000E+02 6.948E+01 2.753E-01 1.101E-09
          1.500E+02 1.000E+02 1.831E+01 1.639E-01 1.637E-01
          2.000E+02 1.000E+02 8.999E+00 1.444E-01 5.775E-10
          Job concluded

          從表 II 對圖 2 的描述中,由于 150Hz 的開關動作,節(jié)點 (4) 的電壓轉移到節(jié)點 (5)。在其余頻率下,由于開路節(jié)點 (5) 和 (4),輸出電壓為零。表 II 中的 E45 描述使用 PSpice 的模擬行為選項來獲得電源開關。


          圖:3. 包含帶電阻器的拉普拉斯開關 (E Laplace) 的高功率網(wǎng)絡

          圖:4. 帶有 S1 的高有效高功率網(wǎng)絡

          Table III. Frequency description of switch operation (Fig: 3)

          **** 10/14/23 16:46:40 ****** PSpice Lite (October 2012) ****** ID# 10813 ****
          Frequency-dependent switch simulation
          Circuit description

          Voltage AC excitation
          I 0 3 AC 1
          R13 0 3 100
          E34 3 4 LAPLACE {I(E34)} = {(ABS(S)/(2.0*3.141592653589793)-1700)*1E8}
          R40 4 0 100
          .AC LIN 13 1KHz 2.2KHz
          .PRINT AC VM(3) VP(3) VM(4) VP(4)
          .OP
          .end
          **** 10/14/23 16:46:40 ****** PSpice Lite (October 2012) ****** ID# 10813 ****
          Frequency-dependent switch simulation
          Small signal bias solution Temperature = 27.000 DEG C

          Node voltage
          ( 3) 0.0000 ( 4) 0.0000
          Voltage source currents
          Name Current
          Total power dissipation 0.00E+00 watts
          **** 10/14/23 16:46:40 ****** PSpice Lite (October 2012) ****** ID# 10813 ****
          Frequency-dependent switch simulation
          Operating point information Temperature = 27.000 DEG C

          Voltage-controlled voltage sources
          Name E34
          V-source 0.000E+00
          I-source 0.000E+00
          **** 10/14/23 16:46:40 ****** PSpice Lite (October 2012) ****** ID# 10813 ****
          Frequency-dependent switch simulation
          AC analysis Temperature = 27.000 DEG C

          FREQ VM(3) VP(3) VM(4) VP(4)
          1.000E+03 1.000E+02 0.000E+00 1.429E-07 1.800E+02
          1.100E+03 1.000E+02 0.000E+00 1.667E-07 1.800E+02
          1.200E+03 1.000E+02 0.000E+00 2.000E-07 1.800E+02
          1.300E+03 1.000E+02 0.000E+00 2.500E-07 1.800E+02
          1.400E+03 1.000E+02 0.000E+00 3.333E-07 1.800E+02
          1.500E+03 1.000E+02 0.000E+00 5.000E-07 1.800E+02
          1.600E+03 1.000E+02 0.000E+00 1.000E-06 1.800E+02
          1.700E+03 5.007E+01 0.000E+00 4.993E+01 0.000E+00
          1.800E+03 1.000E+02 0.000E+00 1.000E-06 0.000E+00
          1.900E+03 1.000E+02 0.000E+00 5.000E-07 0.000E+00
          2.000E+03 1.000E+02 0.000E+00 3.333E-07 0.000E+00
          2.100E+03 1.000E+02 0.000E+00 2.500E-07 0.000E+00
          2.200E+03 1.000E+02 0.000E+00 2.000E-07 0.000E+00
          Job concluded

          如圖 3 所示,圖 3 中的開關在 1700Hz 時激活,節(jié)點 (3) 的電壓等于節(jié)點 (4)。

          Table IV. Frequency description of switch operation (Fig: 4)

          **** 10/15/23 12:27:19 ****** PSpice Lite (October 2012) ****** ID# 10813 **** Frequency-dependent AC switch simulation
          Circuit description

          V2 1 0 AC 100
          R13 1 2 400
          HG1 2 0 V2 1
          L23 2 3 0.01
          R30 3 0 500
          C34 3 4 0.1UF
          L46 4 6 0.5
          C60 6 0 0.1
          E45 4 5 LAPLACE {I(E45)} = {(ABS(S)/(2.0*3.14159265359)-150)*1E10}
          R40 5 0 2000
          .AC LIN 4 50 200
          .PRINT AC VM(1) VM(3) VM(4) VM(5)
          .OP
          .end
          **** 10/15/23 12:27:19 ****** PSpice Lite (October 2012) ****** ID# 10813 ****
          Frequency-dependent AC switch simulation
          Small signal bias solution Temperature = 27.000 DEG C

          Node voltage
          ( 1) 0.0000 ( 2) 0.0000 ( 3) 0.0000 ( 4) 0.0000
          ( 5) 0.0000 ( 6) 0.0000
          Voltage source currents
          Name Current
          V2 0.000E+00
          Total power dissipation 0.00E+00 watts
          **** 10/15/23 12:27:19 ****** PSpice Lite (October 2012) ****** ID# 10813 ****
          Frequency-dependent AC switch simulation
          Operating point information Temperature = 27.000 DEG C

          Voltage-controlled voltage sources
          Name E45
          V-source 0.000E+00
          I-source 0.000E+00
          Current-controlled voltage sources
          Name HG1
          V-source 0.000E+00
          I-source 0.000E+00
          **** 10/15/23 12:27:19 ****** PSpice Lite (October 2012) ****** ID# 10813 ****
          Frequency-dependent AC switch simulation
          AC analysis Temperature =27.000 DEG C

          FREQ VM(1) VM(3) VM(4) VM(5)
          5.000E+01 1.000E+02 2.506E-01 1.243E-03 2.486E-12
          1.000E+02 1.000E+02 2.507E-01 5.048E-03 2.019E-11
          1.500E+02 1.000E+02 2.508E-01 1.132E-02 1.131E-02
          2.000E+02 1.000E+02 2.510E-01 2.151E-02 8.606E-11
          Job concluded

          表 IV 顯示,在 150Hz 時,開關導通,節(jié)點 (4) 的電壓轉移到節(jié)點 (5)。


          圖:5. 帶頻率相關開關的交流電源電路

          圖 5 顯示了具有電流控制電流源的交流電源電路。表 V 顯示了圖 5 中開關描述和作的網(wǎng)表。開關用符號 S1 描述。

          表 V. 開關運行頻率說明(圖 5)


          **** 10/15/23 19:35:45 ****** PSpice Lite (October 2012) ****** ID# 10813 ****
          Frequency-dependent AC switch simulation
          Circuit description

          V2 1 0 AC 100
          R13 1 2 400
          FG1 2 0 V2 1
          L23 2 3 0.01
          R30 3 0 500
          C34 3 4 0.1UF
          L46 4 6 0.5
          C60 6 0 0.1
          E45 4 5 LAPLACE {I(E45)} = {(ABS(S)/(2.0*3.14159265359)-150)*1E10}
          R40 5 0 2000
          .AC LIN 4 50 200
          .PRINT AC VM(1) VM(3) VM(4) VM(5)
          .OP
          .end
          **** 10/15/23 19:35:45 ****** PSpice Lite (October 2012) ****** ID# 10813 ****
          Frequency-dependent AC switch simulation
          Small signal bias solution Temperature = 27.000 DEG C

          Node voltage
          ( 1) 0.0000 ( 2) 0.0000 ( 3) 0.0000 ( 4) 0.0000
          ( 5) 0.0000 ( 6) 0.0000
          Voltage source currents
          Name Current
          V2 0.000E+00
          Total power dissipation 0.00E+00 watts
          **** 10/15/23 19:35:45 ****** PSpice Lite (October 2012) ****** ID# 10813 ****

          Frequency-dependent AC switch simulation
          Operating Point Information Temperature = 27.000 DEG C

          Voltage-controlled voltage sources
          Name E45
          V-source 0.000E+00
          I-source 0.000E+00
          Current-controlled current sources
          Name FG1
          I-source 0.000E+00

          **** 10/15/23 19:35:45 ****** PSpice Lite (October 2012) ****** ID# 10813 ****
          Frequency-dependent AC switch simulation
          AC analysis Temperature =27.000 DEG C

          FREQ VM(1) VM(3) VM(4) VM(5)
          5.000E+01 1.000E+02 7.143E+01 3.542E-01 7.083E-10
          1.000E+02 1.000E+02 7.144E+01 1.438E+00 5.754E-09
          1.500E+02 1.000E+02 7.144E+01 3.224E+00 3.220E+00
          2.000E+02 1.000E+02 7.147E+01 6.126E+00 2.451E-08
          Job concluded
          **** 10/15/23 19:35:45 ****** PSpice Lite (October 2012) ****** ID# 10813 ****
          Frequency-dependent AC switch simulation
          Job statistics summary

          頻率相關系統(tǒng)的開關募集因應用而異??梢酝ㄟ^不同的方式評估和比較交換機性能。這些開關可以在設計階段用于不同的頻率范圍和功率水平。

          頻率相關開關配置旨在適應 PSpice 仿真程序,用于電子電路(1700Hz、150Hz)。該開關使用 PSpice 仿真軟件在頻域中使用四種類型的交流電路進行測試和驗證。具有仿真經(jīng)驗的工程師可以實施這些概念設計并滿足當今先進的系統(tǒng)要求。



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