交流分析仿真是一种用于在频域中分析电路行为的技术。它对于研究电路的频率响应非常有用，也就是电路特性是如何随着输入信号频率的变化而变化。交流分析可用于研究各种电路，包括线性和非线性电路、有源和无源电路。此外，它在振荡器电路、放大器和滤波器的设计中尤其有用。
容抗是电容器的一种特性，当交流电通过电容器时就会产生这种特性，它的缩写为Xc，单位为欧姆，就像电阻一样。容抗的计算公式如下：
其中：
容抗与交流信号频率成反比。随着频率增加，容抗减小。容抗也与电容器的电容量成反比。这意味着随着电容器的电容增大，容抗减小。容抗是电容器的一个非常重要的属性，用于多种应用，例如滤波器和调谐电路的设计。让我们先来看看图1中的电路图，其中包含一个电阻器和一个电容器的串联连接。它由以下组件组成：
该图包含了一些用于正确操作的SPICE指令：
“.tran”指令指定了持续时间为1秒的瞬态分析类型，即分析电路在一段时间内的行为。“.plot”指令则指定在图表中要显示哪些所需变量，在本例中为节点N01和N02处的电压。
图1：该电路为一个电阻器和一个电容器之间的串联连接
如图2所示，在电路图中发生器的频率和电容器C1的容量条件下，电容器的行为几乎像电阻器一样，与R1一起构成分压器。根据上述计算公式，电容的容抗为31831Ω，并且从分压器中心节点获取的电压实际上低于正弦发生器的电压。
图2：在分压器中心节点处获取的正弦电压
理论上，电路图中的100μF的电容器在50Hz频率下对应于31831Ω的电阻，因此图3所示的电路图几乎是等效的。电容器不是线性元件，因此与电阻器相比，它们会导致信号出现一定的相移或延迟，而电阻器则是完全线性工作的元件。
图3：交流电容器几乎类似于电阻器
如前所述，该指令允许您在频域中计算电路的响应。要激活此功能，您需要对之前的电路进行两处更改：
将“.tran1”指令替换为“.ac lin 100 5 200”指令；
开始仿真后，与两个节点N01(正弦发生器的电压)和N02(分压器上的电压)相关的频率分析会显示在屏幕上，如图4所示。该图非常有趣，显示了以下曲线：
可以看出，在QSPICE中，电压值可以用dB或伏特表示，但都是对数刻度。伏特和dB(更准确地说是dBV)之间存在精确的对应关系，反之亦然。两者的换算公式如下：
下表显示了一些转换为其各自dBV值的电压。这种转换对于比较不同测量点之间的电压值非常有用。
图4：对所考虑图表的交流分析
频率可以以8或10的系数线性显示，也可以通过指定固定值列表来显示。下面是相关的使用语法：
.ac oct N FREQ1 FREQ2
.ac dec N FREQ1 FREQ2
.ac [lin] N FREQ1 FREQ2
.ac list FREQ1 FREQ2 FREQ3 …
如果未指定“oct”、“lin”或“list”参数，软件将执行线性仿真。
“.AC”指令对于仿真和观察低通滤波器的频率响应非常有用，低通滤波器是一种非常重要的电路，只允许低频通过并消除高次谐波。这种类型的滤波器只允许从0Hz到其截止频率(fc)的低频信号通过，而阻止高频信号。在图5中，您可以看到一个典型的低通滤波器，它相当于上一段中的图表。从电路图中可以看出，通过串联一个电阻和一个电容，并从这两个元件的交界处获取输出，就可以创建简单的一阶无源滤波器。根据电阻器和电容器之间的连接类型，可确定是低通滤波器还是高通滤波器。
图5：由三个级联单元组成的简单低通滤波器
在本例中，为简单起见，滤波器主要由两种类型的组件组成，即电阻器和电容器。这些组件可以串联或并联，具体取决于应用的需要。对于滤波器组件的计算，有专门的文献，也有一些工具、软件和计算器可以帮助用户进行设计。计算元件和截止频率的主要公式如下：
示例中的滤波器包含三个级联模块，特征如下：
使用这些组件时，截止频率约为200Hz。电路图中使用的SPICE指令如下：
.ac lin 100 10 800
.plot v(out1),v(out2),v(out3)
该电路图包括三个不同的信号输出端(out1、out2和out3)，可以从中获取滤波后的信号。Out3的滤波率高于out2，而out2的滤波率又高于out1。图6以对数刻度显示了不同频率下的滤波器响应曲线。通过增加电路的复杂度或组成电路的单元数，滤波率也会更高。对于高阶滤波器，仅使用无源元件已不再方便，而是建议使用运算放大器和有源元件。
图6：低通滤波器在三个输出处的频率响应
本文的最后一个示例说明了无源RLC带通滤波器的创建和仿真。如图7所示，它仅由电阻器、电感器和电容器组成。RLC带通滤波器仅选择并通过一定范围的频率，衰减低于和高于截止频率的频率。在所提出的示例中，滤波器可用于接收来自极地卫星的无线电信号，工作频率为137MHz。该滤波器使用的电感器和电容器值极低，因此其结构应遵循精密和SMD组装标准。
图7：接收极地卫星的带通滤波器电路图
电路图中使用的SPICE指令如下：
.ac lin 100 130Meg 145Meg
.plot v(out)
正如您所了解的，QSPICE的“.AC”分析是一个非常强大的工具，其目的是分析交流状态下电子电路的频率响应。通过这种分析，我们可以评估电路图在不同频率情况下的行为，并优化电路的性能。它尤其适用于滤波器和放大器的设计。
(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News，参考链接：QSPICE: AC Analysis (Part 6)，由Ricardo Xie编译。)
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