在本期关于使用SPICE进行电子仿真的课程中，我们将详细探讨.OP指令。这是一项基本功能，广泛用于快速准确地获取稳态条件下电路行为的关键信息，即没有动态变化。.OP指令可用于分析电路的工作点，并确定DC(直流)平衡状态下电路各部分的电压和电流。此功能对于了解组件是否正确偏置、检测设计错误以及确保电压和电流值在组件的规格范围内至关重要。
.OP是“operating point”的缩写，是用于计算电路静态工作点(也称为静止点)的重要SPICE指令。在实际应用中，它允许用户计算“直流稳态”条件下的电压和电流，即不包括时间或动态变化。“.OP”仿真是最简单、最快的分析之一，它提供了关键且非常重要的信息，例如元件的偏置电流和工作电压，使用户能够确定电路是否按预期工作。
要运行“.OP”分析，只需在电路中加入“.op”指令即可。在这种类型的仿真中，软件将电容视为开路，将电感视为短路。可以在文本窗口中观察分析结果，在“.OP”仿真之后，如果鼠标触碰节点或组件，则分析结果将显示在状态栏中。LTspice尝试了多种方法来查找工作点，如下所示，这些方法可以在仿真过程中自由选择：
要了解“.OP”指令的基本工作原理，我们可以先研究一个简单的电路，如图1所示。这是一个由直流电压源组成的充电RC电路。它包含一个24V直流电源(V1)，提供对电容器缓慢充电所需的电压，与电源串联的是一个10kΩ电阻器(R1)，还有220uF电解电容器(C1)，连接在“输出”节点和地之间，它通过电阻器R1充电，直到达到电源电压(24V)。
SPICE指令“.tran 60 uic”表示将执行60秒的瞬态仿真。“uic”(使用初始条件)选项忽略电容器的初始状态，假设电容器最初处于放电状态，其两端的初始电压为0伏。仿真开始时，电容器C1放电，电容器两端的电压在充电时逐渐增加至24V，遵循RC电路典型的指数曲线。右侧的图表显示了“输出”节点处的电压随时间的变化，电容器充电时间等于5个时间常数，在本例中约为11秒。在60秒仿真结束时，最终电流和电压值如下：
为了观察这些参数，设计人员应运行瞬态仿真，并在分析结束时(即第60秒)手动分析测量结果。有时瞬态仿真可能非常长，需要非常复杂的硬件和软件资源。
图1：电解电容器充电的瞬态仿真
要获得电路的工作值，即当电路达到稳定状态并且不再发生瞬变时稳定的值，可以使用.OP指令。该指令允许用户确定电路的实际工作条件，考虑到电容器和电感器等电抗元件已完成充电和放电瞬变，因此处于直流平衡状态。
使用.OP指令时，SPICE会计算每个节点和组件的电压和电流，就好像电路已连接足够长的时间以达到稳定状态一样。实际上，.OP指令可让用户快速了解电路的稳定状态，揭示晶体管等有源组件的极化状态，并验证工作电压和电流是否符合设计阶段的预期。
这种类型的分析对于快速验证组件的正确规格以及确保电路在平衡条件下按预期运行非常有用。与其他仿真(例如瞬态仿真)不同，.OP分析不考虑时间变化，因此可以快速准确地分析电路的直流条件，从而为初始设计和验证过程提供便利。因此，可以在图中使用以下指令：
.op
删除前一条指令：
.tran 60 uic
现在，运行仿真不会创建任何图形，而只是在文本块中显示平衡时的操作结果，如图2所示。对于想要立即了解电路最终值和工作值的设计人员来说，这是一种非常快速和方便的仿真类型。
图2：电路工作点的.OP仿真结果
.OP分析在具有有源器件(如晶体管和运算放大器)的电路中特别有用。例如，对于一个简单的晶体管放大器，.OP允许用户快速确定偏置电压和电流，这对于电路的正确运行至关重要。我们假设一个NPN晶体管的示例，如图3所示。
这是一个共发射极晶体管放大器，它适当地偏置一个NPN晶体管(2N2222)以固定其工作点。它包括一个电压源(V1)，该电压源提供12V的电源电压，集电极电阻(R1)是实际负载，其值为2.2kΩ。基极电阻(R2)的值为820kΩ，连接在电源和晶体管的基极之间，其作用是偏置晶体管的基极，提供较小的基极电流，使晶体管进入部分导通状态，即进入线性区。此示例的NETLIST如下：
* .OP analysis
V1 vcc 0 12V
R1 vcc collector 2.2k
Q1 collector base 0 0 2N2222
R2 vcc base 820k
.model NPN NPN
.model PNP PNP
.lib C:\LTspice\lib\cmp\standard.bjt
.op
.backanno
.end
R1和R2的组合确定了晶体管的集电极电流和工作点，晶体管偏置在有源区，在那里它作为放大器工作。电路图中包含的.OP指令用于计算电路的静态工作点(直流工作点)，这允许用户获取每个节点和组件的电压和电流，从而提供有关晶体管工作点的宝贵信息。
该晶体管偏置电路旨在将2N2222 NPN晶体管的正确工作点设置在0V和VCC之间的中间位置，以便其放大平衡，并且理论上不会失真。运行仿真后，由于.OP指令的存在，结果窗口会出现晶体管各个节点和端子(基极、集电极、发射极)的电压和电流值，使用户可以检查晶体管是处于活动区还是饱和区。.OP分析提供了一系列值来快速分析组件的极化状态：
每个元件两端的电压：有助于确认端电压是否满足元件的要求
电路各个分支中的电流：对于确保晶体管等有源元件在正确的状态下运行至关重要
.OP分析仅计算直流稳态，不考虑时间或频率变化的影响。因此，要了解电路的动态行为，必须使用其他指令，例如.TRAN(用于瞬态分析)或.AC(用于频率分析)。.OP仿真在单一解决方案中提供了以下所有结果，设计人员无需手动选择电路的每个节点及其中的每个元件，即可观察电流和电压值：
晶体管处于完美的线性区，因为其工作点(静止时)位于VCC和GND(5.68V)的中间。放大信号从该点获取，由V((collector)表示。因此，使用.OP仿真，您只能观察和分析瞬态后的最终值，而无法检查信号随时间的变化。
图3：晶体管放大器的仿真，其中可视化了电路的工作点
LTspice(和其他仿真器)中的.OP指令是一种功能强大且简单的工具，可立即获得电路工作点的概览。虽然它不提供动态信息，但它非常适合快速检查偏置和静态工作条件，在带有有源器件的电路中特别有用，其中正确的直流条件对于避免非线性行为或超出设计人员预期规格的行为至关重要。
.OP分析执行速度快，不考虑时间或变量影响，例如振荡或随时间变化的信号。这使其成为初始电路分析的理想选择，允许用户在进行更复杂的仿真(例如瞬态或频率仿真)之前验证静态参数是否正确。因此，了解.OP指令的操作和应用是所有电子电路设计师的基本，尤其是在开始处理需要仔细分析静态条件和工作点的复杂电路时。
(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News，参考链接：Guide to Spice Simulation for Circuit Analysis and Design – Part 17: The .OP Directive，由Ricardo Xie编译。)
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