原创 TINA-TI电路仿真实例

​目录：

一、运放缓冲器电路分析

1、电路搭建

2、直流特性分析

3、交流特性分析

4、瞬时现象分析(时域)

5、稳定输出的缓冲器电路

二、傅里叶分析(频域)

三、直流参数分析

四、数学分析工具

五、可编程电源

六、时间开关与开关电源电路

附录

1、奈奎斯特图示例

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前置知识：TINA-TI的介绍与入门使用

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1、电路搭建

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图1.1.1 缓冲器电路

1）UA741属于“运算放大器”子项中的元器件，如下图。

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图1.1.2 器件模型分类

2）对于信号源 VG1，需要设定信号源的波形种类为“方波”，幅值为100mV，频率为 1kHz，上升/下降时间默认为1ns 即可。

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图1.1.3 信号源参数设定

2、直流特性分析

作为仿真软件来说，任何节点和支路的参数都是已经计算出来了的，至于是否需要显示出来就看用户的需求了。

1）在中文版 TINA-TI菜单栏中单击“分析”→“直流分析”，可以得到4个选项，分别为“计算节点电压”、“直流结果表”、“直流传输特性”、“温度分析”。

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图1.2.1 直流分析

2）计算节点电压时，可以显示电压探头位置的直流电压值。VF1为交流信号，所以它的直流电压值仅为 11.18uV。

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图1.2.2 计算节点电压

3）直流结果表将电路中的全部直流参数，包括直流电压和直流电流全部显示出来。

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图1.2.3 直流结果表

3、交流特性分析

在中文版 TINA-TI菜单栏中单击“分析”一“交流分析”，可以得到4个选项，分别为“计算节点电压”、“交流结果表”、“交流传输特性”。“计算节点电压”、“交流结果表”都与直流特性分析类似,这里详细介绍“交流传输特性”。

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图1.3.1 交流传输特性 

1）所谓“交流传输特性”，就是改变信号源的频率，考查电路的输出变化情况，相当于提供了一个扫频信号源(故只能存在一个输入源)，属于频谱分析的范畴。

2）选择“交流传输特性”选项后，我们需要配置信号源的起止频率、采样数、扫描类型(线性扫描/对数扫描)及需要观测的数据。

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图1.3.2 交流特性设置窗口

3）全部参数设置好后，单击“确定”就可以得到下图所示的幅频特性和相频特性曲线。双击曲线的横坐标或纵坐标，可以修改显示的“刻度尺”。

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图1.3.3 幅频特性和相频特性曲线

4）采用“信号分析仪”生成波特图

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编辑

图1.3.4 信号分析仪的调取

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图1.3.5 生成波特图

4、瞬时现象分析(时域)

所谓的瞬时现象就是时域波形，也就是电路参数随时间的变化情况。示波器就是观测时域波形的工具，电路仿真软件通过计算可以得到全部时域数据，直接显示成图表即可。

1）单击“分析”→“交流分析”→“瞬时分析”，可得到瞬时分析的设定窗口。

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图1.4.1 瞬时分析设置

2）对于瞬时分析，主要是设置起止时间。设定的原则就是对于周期信号能观测出完整周期，对于非稳定信号，则酌情考查信号的建立过程，比如待信号稳定后再“观测起始显示不从0开始)。

3）本例中，信号源的频率设定为1kHz，所以时间设定 2ms 可以考查两个完整周期，起始时间可以从0开始。

4）单击“视图”→“分离曲线”将输入/输出曲线分离，并通过双击坐标轴，将两个波形的纵坐标轴均改为-300~300mV。

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图1.4.2 缓冲器电路的分离瞬时分析

5）通过上图可以发现，本来作为缓冲器的输出应该是与输入波形一致的，但是实际输出波形产生了强烈的振荡(俗称振铃)，这是由于1uF的纯电容负载所导致。有关振铃详细的介绍移步：通过RLC分析信号振铃及消除方法。

5、稳定输出的缓冲器电路

修改R1的值为 8Ω，重新绘制“瞬时现象”波形。单击“视图”→“分离曲线”，双击修改坐标轴刻度范围(-200~200mV)后可得下图所示的波形，振铃现象基本消失，得到一个稳定的缓冲器电路。

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图1.5.1 稳定的缓冲器时域波形

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图1.5.2 瞬时分析设置

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图1.5.3 输出奈奎斯特图(详见附录)

波特图传达幅度或相位与频率的关系。因此，需要两条波特曲线来描述系统的幅度和相位响应。

奈奎斯特图只需要一条曲线，曲线上的每个点都表示幅度(通过距离原点的距离)和相位(通过几何角度)，形成曲线的众多不同点反映了系统对众多不同输入频率的响应。

时域波形和频域波形(信号与系统3-傅里叶变换与频域分析)都可以用来描述同一信号，但是侧重点不一样。例如，我们最熟悉的示波器可以观察信号的很多有用特征，但是当需要用滤波器滤除信号中的无用成分时，知道信号的频谱组成显然更有意义，这样才能选择合适截止频率的滤波器。

下面将用 TINA-TI 软件构造一个混频信号，然后再用傅里叶分析分下面将用 TINA-TI 软件构造一个混频信号，然后再用傅里叶分析分解出该信号的频谱组成。

1）锯齿波的傅里叶分解式

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图2.1.1 正弦波生成的傅里叶级数展开法

2）根据傅里叶分解式构造锯齿波。

利用运放的同相求和电路把4路信号叠加，信号源 VG1~VG4 的频率、幅值和相位参数设定按图上标定设置。根据运算放大电路的特性及运用“叠加原理”进行计算，图中 VG1~VG4 的信号相当于幅值衰减到原来的五分之一再进行叠加。有关电路计算中的叠加原理非常有用，请参看：运算放大器应用汇总之四、加法器。

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图2.1.2 同相求和电路 

单击菜单栏的“分析”→“傅里叶分析”→“傅里叶级数”打开傅里叶级数设定窗口，如下图所示，有“基本频率”、“采样数”、“谐波数”、“输出”等参数需要配置。

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图2.1.3 傅里叶级数设定 

1）基本频率设定，对于构造的锯齿波来说，基频就是 5kHz。

2）采样数的大小采用默认值即可，和仿真计算速度有关。

3）谐波数设定，本例中的最大谐波为20kHz，为基波5kHz的4倍，所以最大为4次谐波为了将来图表显示效果好看，可定为显示5次谐波(5次及以上谐波傅里叶分解的幅值应该近似为 0)。

4）输出设定方面，就是选择待傅里叶分解的信号，在本例中只有VF1这个信号可供选择。

5）单击“计算”后，可得傅里叶系数，如下图所示。0 次谐波和5次谐波的幅值近似为 0，基波与3次谐波的相位基本相同，2次谐波与4次谐波的相位基本相同。奇数谐波与偶数谐波的相位差180°。

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图2.1.4 傅里叶分解系数 

6）继续单击“绘制”可得到频域曲线。下图的上部波形反映了合成锯齿波中不同频率成分的谐波幅值，与原 VG1~VG4 信号相比，幅值缩小到原来的五分之一，与运算放大电路的理论值相符。下半部分波形是各频率分量的相位，也与实际情况相符。

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图2.1.5 合成锯齿波的频域曲线

在 TINA-TI中，“直流分析”功能的“直流传输特性分析”可用于直流参数的扫描，相当于交流传输特性分析中的“扫频”。例如，检测一个比较器电路时，需要改变输入直流电压，观测输出的变化。自动地改变直流电压就是直流参数扫描。下图为一个窗口比较器电路。

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图3.1.1 窗口比较器电路 

1）按上图的比较器电路，应该是当 VG1>5V且<10V 时，三极管才截止，VF1 的输出才是高电平。VG1<5V，则上面的三极管导通，VF1 输出低电平。VG1>10V，则下面的三极管导通，VF1 输出低电平。这就构成了窗口比较器。

2）检测窗口比较器电路需要将 VG1 的电压扫描一遍，观测 VF1 的输出，因此可以用“直流传输特性”功能来实现。单击“分析”→“直流分析”→“直流传输特性”，得到设置窗口。

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图3.1.2 直流传输特性设置

起始值和终止值代表输入信号的幅值“扫描”范围。本例中，选择 0~15V，和比较器的正电源供电电压一致。采样数越多，仿真计算越慢；采样数少，则绘制的波形“粗糙”，采样数默认即可。输入信号选择 VG1，代表要改变的直流参数是输入比较器的电压。

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图3.1.3 窗口比较器的直流传输特性曲线

对于有源滤波电路来说，改变运放电阻和电容的取值，不仅可以改变滤波器的截止频率，还带来其他特性的改变，于是就有了贝塞尔、巴特沃斯、切比雪夫等多种滤波器(响应)类型。

如图4.1.1所示构造两个滤波器，对同一信号进行滤波，两个滤波器的参数，一个配置为巴特沃斯，另一个配置为切比雪夫。

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图4.1.1 有源滤波器 

1）观察两个滤波器的幅频特性曲线。单击“分析”交流分析”→“交流传输特性”，得到图4.1.2所示的AC传输特性配置界面。

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图4.1.2 AC传输特性配置表

2）将分析的频率范围设为100Hz~1MHz，扫描类型选对数，图表选振幅就可以得到图4.1.3所示的增益特性曲线。在曲线工具栏中单击“​编辑”，可以得到两种曲线颜色的标注。

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图4.1.3 两种滤波器的幅频特性曲线

3）对幅频特性曲线进行数学“后加工”。当我们想更加直观地了解图4.1.3中两条曲线的差别时，就可以使用数学“后续处理”工具​编辑。按图4.1.4所示，依次用鼠标操作1~8选项，目的是绘制一条新曲线 Difference=“特沃斯滤波器输出”/“切比雪夫滤波器输出”。

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图4.1.4 曲线后续处理设置窗口

4）单击“创建8”之后，插入曲线栏中会多出 Difference 这个名称的曲线，再单击“确定”之后，即可得到图4.1.5所示的误差曲线。从图中，可以直观地看出巴特沃斯与切比雪夫增益特性的区别在哪个频段。

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图4.1.5 巴特沃斯与切比雪夫滤波器的误差曲线

得益于电路仿真软件的先天优势，我们可以不花代价地得到任意想要的电源。本节将介绍如何利用 TINA 得到“任意受控”的电源。

1）单击窗口工具栏中的发生源，选择器(Controlled Sources)，如下图。

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图5.1.1 受控源设置向导

再单击最后一个Controlled source wizard(受控源设置向导)，得到图5.1.2所示的受控源编辑器。

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图5.1.2 受控源编辑器

2）图5.1.2中，输入栏选择的是电压值两个，这表明受控电源是压控源，即决定输出的是两个电压的输入。输出栏选择的是电压，表明这个受控源是压控电压源(VCVS)。

3）图5.1.2中，表达式栏中规定了压控电压源的压控关系式。值得一提的是，并非只有线性关系才是压控电源源，只要输出电压是由输入电压决定的，不管两者的关系式是什么，都属于 VCVS。图中的表达式含义是，当控制电压 V(N1)>控制电压 V(N2)时，受控电压源的输出电压为 5V，其余情况输出电压均为 0V。

4）单击“确定”后，可得到图5.1.3所示的受控电源。

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图5.1.3 受控电源图标

5）图5.1.3所示的受控电源标注的含义非常完整，CS1代表Controlled Source 1；N1 和 N2 是图 5.1.2中表达式提及的输入控制电压 V(N1)和 V(N2)；Out(V)及电压源的符号表明这是一个电压源。

6）给受控源添加控制电压，如图1.5.4所示，VG1为1Vpp/1kHz的三角波，VG2为1Vpp/50Hz 的正弦波。

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图5.1.4 给受控源添加激励电压

7）单击菜单栏的“分析”→“瞬时现象”，仿真的起止时间设为 0~20ms，可得图 1.5.5所示的受控源的输入/输出波形。VF1 所代表的受控电压源输出，其实就是非常重要的 SPWM(正弦波脉冲宽度调制)波形。可见，通过仿真软件的可编程电源功能，可以得到很多实际电路中非常有用，但又很难获得的各种“信号源”。

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图5.1.4 测试受控源的输入/输出波形

在分析开关电源电路时，使用时间开关是一种非常方便地模仿 PWM “开关”效果的方法。如图6.1.1所示，Buck 斩波电路的开关 SW1 处于“浮地”状态。若使用真实开关，驱动电路将会很复杂，而我们重点是考查 Buck 电路本身的特性。这时使用时间开关来代替真实半导体开关，可以非常方便地分析主电路本身的特性。

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图6.1.1 使用时间开关的 Buck 斩波电路

1）时间开关可以当成 PWM 开关来使用。参考图6.1.2，“周期的”设定为“是”：周期设定为10u；“t On”设为 0，“t Off”设为6μ；这意味着PWM 的频率为 100kHz，占空比为 60%。

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图6.1.2 时间开关的参数设定

2）图6.1.3所示为 Buck 电路(时间开关)占空比为 60% 和 40% 时的“瞬时现象分析”输出电压波形

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图6.1.3 斩波电路瞬时现象仿真波形

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1、奈奎斯特图示例

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问：首先，为什么有两条曲线？

答：实线表示正频率，虚线表示负频率。它们是彼此的镜像，忽略虚线。

问：频率信息在哪里？

答：记住，曲线从ω= 0延伸到ω=∞，箭头表示频率增加的方向。因此，实线曲线在曲线右侧的ω= 0处开始（在实轴上的值为1）并且在原点处结束，其对应于ω=∞。

问：如何解释半圆形幅度响应？

答：我们已经熟悉RC低通滤波器的行为，所以让我们用我们所知的来解开这个奈奎斯特图。在曲线开始的点处（即在ω= 0处），与原点的距离为1。换句话说，低频增益是统一的。随着频率的增加，从原点到曲线的径向距离再次减小，这正是我们所期望的，因为较短的径向距离对应于更多的衰减。在曲线结束的点（即ω=∞），从原点到曲线的距离为零，因为当频率达到无穷大时，低通滤波器产生无限衰减。

问：可以看到角度如何从0°开始，如预期的那样，但是低通滤波器应该具有-90°的最终相移。如何在奈奎斯特图中反映出来？我无法测量直接位于原点顶部的点的相位。

答：这有点令人困惑，但是如果你关注曲线接近原点时的行为，你可以看到角度倾向于-90°。这在下图中描述，这也是我们到目前为止所学到的内容的总结。

奈奎斯特图上每一点都是对应一特定频率下的频率响应，该点相对于原点的角度表示相位，而和原点之间的距离表示增益。

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