LTspice是模擬電子電路的有力工具。 它可以執(zhí)行簡單的模擬來驗(yàn)證新設(shè)計(jì)的功能。 該工具還在短時(shí)間內(nèi)完成復(fù)雜的分析，如最壞情況分析、頻率響應(yīng)或噪聲分析等。

LTspice在模擬噪聲和濾波器方面也很有用。 濾波器是電路中許多應(yīng)用的關(guān)鍵元件。 特別是采用電磁兼容（EMC）濾波器來降低噪聲和干擾。 為了在模擬中獲得準(zhǔn)確的結(jié)果，需要考慮實(shí)際的電路現(xiàn)象。 寄生參數(shù)在濾波器中起著關(guān)鍵作用，因?yàn)樗鼈兛梢约ぐl(fā)相反的效果例如有可能會放大噪聲。

在本文中，我們將回顧電路中存在的不同類型的噪聲。 然后我們將討論如何用LTspice對EMC濾波器進(jìn)行精確的仿真。

共模噪聲和差分噪聲

在設(shè)計(jì)有效的濾波器之前，我們需要知道電路中可能存在什么樣的噪聲。 下面是一個(gè)簡單的電路，將有助于解釋這兩種類型的噪聲。

電壓源V1產(chǎn)生的電流將流過R1。 然后它將返回到源端（即接地端或參考電壓端）。

電壓源V1產(chǎn)生的電流將流過R1

在理想條件下，電路中唯一存在的電流和電壓將由源V1產(chǎn)生。 如下圖所示，與此電流方向相同的噪聲稱為差模噪聲。

差模噪聲

第二種情況是出現(xiàn)共模噪聲。 在這種情況下，噪聲電流的方向與從負(fù)載回流到源端的返回電流的方向相反。

共模噪聲

為了有效地防止干擾，濾波器需要考慮兩種類型的噪聲。 所選擇的部件及其位置取決于要衰減的噪聲類型。

在LTspice中繪制Bode（伯德）圖

最有趣的分析之一，LTspice可以執(zhí)行的是頻率分析，也稱為交流（AC）分析。 我們可以用一個(gè)簡單的低通濾波器來看到它的功能。

在LTspice中繪制Bode（伯德）圖的示例

對于交流（AC）分析，我們需要定義一個(gè)交流源。 在LTspice中，可以為電壓源配置各種參數(shù)，但幅度需要足以滿足我們的仿真目的。 我們還需要配置四個(gè)仿真參數(shù)。

運(yùn)行仿真后，我們可以繪制出相對于輸入的輸出電平，即濾波器傳遞函數(shù)。 有兩條線：一條連續(xù)對應(yīng)的是幅度響應(yīng)，而一條不連續(xù)的線對應(yīng)的是相位響應(yīng)。 我們可以看到，濾波器響應(yīng)基本上是平坦的，直到接近截止頻率（本文的示例如下）：

Bode（伯德）圖

在LTspice中仿真模擬噪聲和濾波器

澄清LTspice的這方面是很重要的。 該軟件使用噪聲類型的仿真來模擬元件固有的噪聲。 這種類型的模擬適合于驗(yàn)證電路的功能，如模擬濾波器。 為了EMC的設(shè)計(jì)目的，我們需要模擬共模和差模噪聲，所以我們需要確保我們的濾波器對兩種噪聲類型都是有效的。

以下電路是由電容器和共模扼流圈組成的EMC濾波器，以衰減共模噪聲（C4，C1，L3）；另外， 它還包括兩個(gè)電感和電容器來衰減差分噪聲（L1，L2，C2，C3）。

為了模擬保護(hù)接地（PE）或底盤連接，我們使用通過非常小的電容耦合到規(guī)則接地或負(fù)電位上。

為了模擬差分噪聲，我們可以在信號發(fā)生器上疊加一個(gè)電壓源。

對于共模噪聲的情況，可以通過在回流路徑中添加一個(gè)電壓源來模擬。

當(dāng)對這兩種類型的噪聲都足夠衰減時(shí)，濾波器才是足夠設(shè)計(jì)的，所以盡量避免完全聚焦于一種噪聲而忽略另一種噪聲。

理想的與現(xiàn)實(shí)的EMC濾波器

不幸的是，現(xiàn)實(shí)的濾波器的行為不如理想的濾波器。 如果我們想要接近實(shí)際結(jié)果的仿真模擬，我們需要考慮濾波器的寄生元件和安裝它們的PCB板的影響。

寄生元件產(chǎn)生共振，可以改變EMC濾波器的截止頻率。 因此，如果我們不考慮寄生，我們可能會觀察到添加濾波器反而會使情況更糟。

知道每個(gè)寄生元素的確切值可能很困難。 這些信息有時(shí)可以從數(shù)據(jù)表（Datasheet）中獲得，但如果有必要，也可以使用估計(jì)值。

下面的原理圖顯示了相同的EMC濾波器，只不過在前面的設(shè)計(jì)中添加了一些寄生參數(shù)的影響。

理想濾波器（黑色）和真實(shí)的濾波器（紅色）的頻率響應(yīng)比較如下所示。

理想濾波器的頻率響應(yīng)隨著頻率的增加而平穩(wěn)下降，但實(shí)際濾波器不表現(xiàn)出相同的行為。 從大約40kHz開始，它產(chǎn)生的衰減比理想濾波器小。 因此，當(dāng)我們逼近一個(gè)真實(shí)的環(huán)境時(shí)，我們可以看到性能發(fā)生了很大的變化。

注意：下載LTspice模型時(shí)，應(yīng)該反復(fù)檢查器件模型中包含了什么。 有時(shí)它們已經(jīng)包含了所有的寄生元素，這樣可以節(jié)省大量的工作。

自諧振和阻尼振蕩

濾波器的自諧振可以通過幾個(gè)dB放大噪聲，從而引起不想要的效果。 有一些方法可以避免這種情況，或者至少盡可能減少負(fù)面影響。 其中一個(gè)是相當(dāng)簡單的，包括添加一個(gè)電阻與電容器串聯(lián)，如下圖所示。

電阻器的值不需要巨大。 我們只需要小心它的功率等級。 電容器通常不受歡迎的一個(gè)方面是等效串聯(lián)電阻（ESR）。 然而，在這種情況下，我們可以選擇一個(gè)高ESR的電容器，從而避免使用額外的電阻器。

下圖顯示了一個(gè)沒有阻尼電阻（紅色）的濾波器和另一個(gè)濾波器的傳遞函數(shù)，對應(yīng)于具有阻尼電阻（藍(lán)色）的濾波器）。

它們之間的差異是顯著的-諧振頻率周圍的振幅降低了9dB。 這種技術(shù)的缺點(diǎn)是濾波器衰減斜率不太明顯，因此必須對所有的頻率行為進(jìn)行分析，以確保所有的濾波結(jié)果都是可以接受的。

結(jié)論

LTspice是在許多應(yīng)用程序中節(jié)省成本和時(shí)間的強(qiáng)大工具。 例如，需要專門為每個(gè)應(yīng)用設(shè)計(jì)的EMC濾波器，因此預(yù)先模擬它們可以節(jié)省大量時(shí)間。

LTspice執(zhí)行頻率分析，允許工程師生成bode圖，這是研究濾波器器的主要工具。 LTspice還可以包括真實(shí)的參數(shù)，如寄生，以獲得盡可能真實(shí)的仿真模擬結(jié)果。
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