LTspice

【LTspice】周波数特性を観測する『.ac解析』の使い方と応用

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周波数特性を観測する.ac解析について、かなり細かく説明します。

『.ac解析』とは

.ac解析とは、信号源の周波数を変化させた時において、ノード電圧や電流の応答を調べる解析です。オペアンプやフィルタ等の周波数特性を解析する時に使用します。

メニューバーの[Simulate]から[Edit Simulation Cmd]を左クリックすると、「Edit Simulation Command]ダイアログボックスが表示されます。このダイアログボックス内の[AC Analysis]タブが『.ac解析』となります。
【LTspice】『.ac解析』とは

『.ac解析』を使用すると、下図のようなRCフィルタの周波数を観測することをできます(下図のシミュレーション方法についてはこの記事の後半に記載しています)。
【LTspice】 『.ac解析』のシミュレーション画面

これから、『.ac解析』において

  • 『.ac解析』の構文とダイアログボックスでの設定項目
  • 『.ac解析』に使用する信号源の作成方法
  • シミュレーション例(RCフィルタの周波数特性の観測)
  • シミュレーション例(コンデンサのインピーダンス特性の観測)
  • を説明します。

    補足

    • 『.ac解析』はシミュレーションで最も使用される『.tran解析』に次いで使用される解析です。
    • 『.ac解析』は交流解析、周波数特性解析、小信号交流線形解析、小信号交流解析、小信号AC解析とも呼ばれています。
    • 回路網(ネットワーク)解析、回路の安定性解析、ノイズ(雑音)解析の検討にも『.ac解析』は役立ちます。

    『.ac解析』の構文とダイアログボックスでの設定項目

    『.ac解析』の構文は以下のようになっています。

    .ac <oct,dec,lin> <Nstep> <StaetFreq> <EndFreq>

    この構文ですが、『Edit Simulation Cmdダイアログボックス』の設定画面の各項目を選択または入力すると、自動的に構文が作成されます。各項目は以下のようになっています。
    【LTspice】 『.ac解析』の設定

    Type of sweep

    信号源の周波数をスイープする間隔を選択します。以下に選択できる項目を示します。

    • Octave:2倍間隔
    • Decade:10倍間隔
    • Linear:等間隔(*ほぼ使用しない)
    • List:リストで指定した周波数のみ解析

    通常、『.ac解析』で解析する周波数範囲は0.1Hz~1000MHzと広い範囲であり、グラフの横軸は一般的には対数目盛となります。そのため、LinearとListを選択することはほとんどありません。次に入力するNumber of pointsではステップ数を決めます。例えば、Type of sweepDecadeを選択し、ステップ数を100にすると、周波数が10倍(例えば、10Hzから100Hz)となるまでのステップ数が100回ということになります。ここで選択した内容は自動的に構文の<oct,dec,lin>の箇所に反映されます。

    Number of points

    「Type of sweep」でOctaveを選択した場合、1オクターブ(2倍)当たりのステップ数、Decadeを選択した場合、1ディケード(10倍)当たりのステップ数となります。以下に推奨の数値を示します。

    • Octave:20~40程度
    • Decade:30~100程度

    数値が大きいほど細かい計算を行うことができますが、シミュレーション時間が長くなります。シミュレーション回路の特性に応じて最適な値を選択してください。ここで入力した内容は自動的に構文の<Nstep>の箇所に反映されます。

    補足

    Linearの場合には、全体(計測開始の周波数~計測終了の周波数)の間の等間隔ステップ数となります。

    Start frequency

    計測開始の(下限)周波数[Hz]を入力します。ここで入力した内容は自動的に構文の<StaetFreq>の箇所に反映されます。

    Stop frequency

    計測終了の(上限)周波数[Hz]を入力します。「Start frequency」よりも大きい値を入力してください。ここで入力した内容は自動的に構文の<EndFreq>の箇所に反映されます。

    補足

    「Type of sweep」でListを選択すると、以下のように各項目が変わります。ここに『.ac解析』で解析したい周波数を入力します。
    【LTspice】『.ac解析』のListについて

    『.ac解析』のコマンド例

    .ac dec 100 1 10k
    →信号源の周波数を1Hz~10kHzに変化させる。この時、1ディケード(10倍)当たりのステップ数を100とする。

    『.ac解析』に使用する信号源の作成方法

    【LTspice】 『.ac解析』で使用する信号源
    『.ac解析』では信号源(電圧源or電流源)が必要となります。これから電圧源を信号源とした場合について説明します(電流源でも同様の方法で作成できます)。電圧源を配置し、シンボルを右クリックすると、出力電圧と内部直列抵抗を設定するダイアログボックスが表示されます。ここで、[Advance]を左クリックすると、詳細設定を決めるダイアログボックスが表示されるので、以下の内容を入力し、OKボタンを押したら信号源の作成は終了です。

    Functions
    Noneを選択する。
    Small signal AC analysis(AC)
    AC Amplitude:1を入力する(1Vでも可)
    AC Phase:0を入力する(空白でも可)

    シミュレーション例(RCフィルタの周波数特性の観測)

    【LTspice】 『.ac解析』のシミュレーション結果01(フィルタ)
    AC1Vに設定した信号源(電圧源)V1を1kΩの抵抗R1と1uFのコンデンサC1で構成されたRCフィルタに接続し、『.ac解析』を実行します。今回、『.ac解析』のコマンドは

    .ac dec 100 1 10k

    と入力しています。シミュレーション回路とコマンドの入力後、ツールバーのRunアイコンを左クリックしてシミュレーションを実行すると、波形ウィンドウが表示されます。回路図ウィンドウでノードoutを左クリックすると、V(out)の電圧が波形ウィンドウに表示されます。上図の右が(Vout)の波形です。

    周波数を1Hzから10kHzまでスイープ(掃引)した時のRCフィルタの周波数特性がプロットされていることが確認できます。

    シミュレーション例(コンデンサのインピーダンス特性の観測)

    【LTspice】 『.ac解析』のシミュレーション結果(インピーダンス)
    AC1Aに設定した信号源(電流源)V1とコンデンサC1が接続された回路をシミュレーションします。電流源の電流値を1Aとして、コンデンサにかかる電圧を観測すると、コンデンサのインピーダンスを測定することができます(オームの法則V=ZIのIが1なので、V=Zとなる)。今回、コンデンサは容量47uF、等価直列抵抗(ESR)2mΩ、等価直列インダクタンス(ESL)0.1nHとしており、『.ac解析』のコマンドは

    .ac dec 100 10 1G

    と入力しています。シミュレーションを実行し、コンデンサにかかる電圧をプロットしたのが上図の右です。周波数を10Hzから1GHzまでスイープ(掃引)した時のコンデンサのインピーダンス特性がプロットされていることが確認できます。

    補足

    • 上図において、プロット波形の縦軸を右クリックすると、[Left Vertical Axis]ダイアログボックスが表示されます。「Logarithmic」を選択することで、縦軸をデシベル(dB)から対数軸に変更しています。
    • 上図において、プロット波形の縦軸(2軸)を右クリックすると、[Right Vertical Axis]ダイアログボックスが表示されます。「Don’t plot phase.」を選択することで、2軸を非表示にしています。
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