Leider vermag Ngspice die Ergebnisse der Fourieranalyse nur als Text im Batchmodus auszugegeben. Als Beispiel dient das verzerrte Ausgangssignal aus Abbildung 7, bei dem ein erhöhter Anteil von Oberwellen zu erwarten ist. Als Vorbereitung erweitern Sie die Eingabedatei aus Listing 2 um die Befehlszeilen:
*Ng-Spice Simulation Commands .FOUR 1000Hz V(vout) .TRAN 100.00u 10.00m 0.00 10.00u
Abbildung 7: Grafische Ausgabe der Einschwinganalyse. Das Eingangssignal ist rot dargestellt, das Ausgangssignal blau.
Die zweite Zeile veranlasst Ngspice zur Fourieranalyse im Anschluss an eine Transientenanalyse am Knoten »vout«. Die Grundfrequenz von 1000 Hertz ist identisch mit der Frequenz des zu untersuchenden Signals. Da die Periodendauer folglich 1 Millisekunde beträgt, zieht Ngspice den Bereich von 9 bis 10 Millisekunden zur Berechnung heran. Die dritte Zeile entspricht der vorhin beschriebenen Transientenanalyse. Die Ngspice-Dokumentation empfiehlt, den Parameter »Tmax« auf Periode/100 zu setzen, im vorliegenden Fall sind dies 10 Mikrosekunden.
Die Simulation startet mit dem Kommando »ngspice -b opamplifier.cir«. Ngspice berechnet den Gleichspannungsanteil und die ersten neun Harmonischen der Grundfrequenz, zu sehen in Listing 3. Erwartungsgemäß gibt es als Folge der abgeschnittenen Signalspitze einen recht hohen Anteil harmonischer Oberwellen.
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Listing 3: Transienten- plus |
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01 Harmonic Frequency Magnitude Phase Norm. Mag Norm. Phase 02 -------- --------- --------- ----- --------- ----------- 03 0 0 0.00249704 0 0 0 04 1 1000 4.36592 13.4395 1 0 05 2 2000 0.147971 103.316 0.0338923 89.8762 06 3 3000 0.124689 16.1264 0.0285595 2.6869 07 4 4000 0.0965671 -69.983 0.0221184 -83.423 08 5 5000 0.0667338 -156.07 0.0152851 -169.51 09 6 6000 0.0393076 118.076 0.00900329 104.636 10 7 7000 0.0164897 31.6333 0.0037769 18.1938 11 8 8000 0.000180957 47.1143 4.14477e-05 33.6748 12 9 9000 0.00978131 39.8708 0.00224038 26.4313 |
Wechselstrom-Kleinsignalanalyse
Die AC-Small-Signal-Analysis berechnet die Knotenspannungen als Funktion der Frequenz. In der Schaltung muss sich eine Strom- oder Spannungsquelle befinden, deren Frequenz über einen vorgegebenen Bereich hin variiert. Die Analyse nimmt die Kennlinien der Bauteile im Arbeitspunkt als linear an, eine Forderung, die beispielsweise bei Transistoren in manchen Kennlinienbereichen zu Ungenauigkeiten führt. Die Befehlssyntax:
.AC DEC | OCT | LIN Punkte_pro_Dekade_bzw_Oktave Startfrequenz Stoppfrequenz
Um also das Verhalten der Beispielschaltung bei variabler Eingangsfrequenz zu betrachten, ändern Sie die Kommandos so ab, dass Ngspice den Frequenzbereich dekadenweise mit 10 Punkten pro Dekade berechnet, beginnend bei 1 Hertz und endend bei 1 Megahertz:
.AC DEC 10 1 1.00Meg
Außerdem müssen Sie in der Netzliste die Spannungsquelle »Vvin« in Zeile 139 von Listing 2 so abändern, dass ihre Frequenz variabel ist: »Vvin vin 0 AC 2.50«. Nachdem Sie die geänderte Eingabedatei mit dem Befehl »source opamplifier.cir« neu geladen haben, startet »run« einen neuen Simulationslauf.
Der Befehl »plot mag(vout) mag(vin) man(vopout) mag(vopp)« erzeugt die in Abbildung 8 dargestellten Frequenzspektren. Die eben benutzte Betragsfunktion »mag« ist wichtig, da Ngspice die Spannungen als mathematisch komplexe Größen auswirft. Ohne »mag« würde »plot« lediglich den Realteil erwischen, gewünscht ist aber der Betrag.
Abbildung 8: Die per Wechselstrom-Kleinsignalanalyse errechneten Frequenzspektren der Knotenspannungen »vout«, »vin«, »vopout« und »vopp«.
Gleichstromanalyse
Die DC-Analysis kennt drei Spielarten: die Berechnung der Arbeitspunkte, die Übertragungskennlinien und die Übertragungsfunktionen zwischen Ausgangsgrößen und Eingangsgrößen.
