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使用pspice的交流電源信號的頻率相關(guān)開關(guān)模型

作者: 時間:2025-05-15 來源: 收藏

專為 PSpice 仿真設(shè)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://www.ljygm.com/article/202505/470501.htm

開關(guān)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(shè)備/電路。ATE(自動測試設(shè)備)系統(tǒng)中使用不同配置的開關(guān)。固態(tài)開關(guān)可分為兩大類:機(jī)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(guān)的設(shè)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(guān)的等效電路的 PSpice 方法。該領(lǐng)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(guān) (E) 和電阻器的線性高功率網(wǎng)絡(luò)

圖 2:帶有 S1 的線性有源高功率網(wǎng)絡(luò)

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(dāng)于執(zhí)行開關(guān)(開/關(guān))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(guān)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(guān)動作,所有電壓都從節(jié)點 (3) 轉(zhuǎn)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(guān)動作,節(jié)點 (4) 的電壓轉(zhuǎn)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(guān)。


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

圖:4. 帶有 S1 的高有效高功率網(wǎng)絡(luò)

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(guān)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(guān)導(dǎo)通,節(jié)點 (4) 的電壓轉(zhuǎn)移到節(jié)點 (5)。


圖:5. 帶頻率相關(guān)開關(guān)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(guān)描述和作的網(wǎng)表。開關(guān)用符號 S1 描述。

表 V. 開關(guān)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(guān)系統(tǒng)的開關(guān)募集因應(yīng)用而異??梢酝ㄟ^不同的方式評估和比較交換機(jī)性能。這些開關(guān)可以在設(shè)計階段用于不同的頻率范圍和功率水平。

頻率相關(guān)開關(guān)配置旨在適應(yīng) PSpice 仿真程序,用于電子電路(1700Hz、150Hz)。該開關(guān)使用 PSpice 仿真軟件在頻域中使用四種類型的交流電路進(jìn)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(shè)計并滿足當(dāng)今先進(jìn)的系統(tǒng)要求。



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