AC-анализ, частотная характеристика и фаза

Частотный анализ показывает, как линейный отклик схемы изменяется при изменении частоты малого синусоидального сигнала. Для нелинейных элементов программа сначала находит рабочую точку по постоянному току, а затем рассматривает малые отклонения около неё.

Основные результаты — коэффициент передачи и фазовый сдвиг в зависимости от частоты. По этим графикам находят полосу пропускания, резонансы, частоты среза и влияние полюсов и нулей.

• Коэффициент передачи по напряжению в децибелах: 20·log10|Uвых/Uвх|.
• Для простого звена первого порядка уровень −3 дБ соответствует амплитуде примерно 0,707 от низкочастотного значения.
• Один полюс после частоты среза даёт спад примерно 20 дБ на декаду.
• Фаза показывает, насколько выходной сигнал опережает или отстаёт от входного.

Частотный анализ предназначен для малых сигналов. Он не показывает ограничение амплитуды, перегрузку, скорость нарастания выходного напряжения операционного усилителя и другие крупносигнальные эффекты.

Простой RC-фильтр нижних частот даёт понятный ориентир: на частотах заметно ниже fc коэффициент передачи близок к единице, около fc уменьшается примерно на 3 дБ, а выше fc начинается спад около 20 дБ/декаду. Фазовый сдвиг постепенно приближается к −90°.

1. Рассчитайте ожидаемую частоту среза RC-фильтра.
2. В модели выполните частотный анализ в диапазоне ниже и выше fc.
3. Найдите уровень −3 дБ и фазу на частоте среза.
4. Соберите безопасный макет и снимите несколько точек генератором и осциллографом.
5. Сравните расчёт, моделирование и измерение.

• Пытаться по частотному анализу оценивать ограничение амплитуды при большом сигнале.
• Не учитывать сопротивление источника и нагрузки.
• Считать −3 дБ полным подавлением сигнала.
• Сравнивать расчёт и измерение при разных условиях нагрузки.

Частотные характеристики помогают понять фильтры, усилители и цепи обратной связи, а также объяснить, почему устройство работает на низкой частоте и теряет усиление или устойчивость на высокой.