低通滤波器的三种SPICE仿真情况解析

本文所示的电路构成一个零偏移、双极点的低通滤波器。其代数计算得到的滚降结果在Multi-Sim SPICE中基本得到复现，但由于与SPICE有关的故障而出现一个问题，它涉及到对运算放大器模型的选择。

图1中的电路构成一个零偏移、双极点的低通滤波器，本系列的第1部分对此进行了描述。其传递函数和代数计算得到的滚降结果没什么特别之处。该滚降结果也在Multi-Sim SPICE中得到了复现。

图1：该零偏移低通滤波器的滚降结果没什么特别之处。

这几乎就是复现！但后来发现，由于当时还没有讨论与SPICE有关的故障，因此出现了一个问题，它涉及到人们对运算放大器模型的选择。

图2所示的该滤波器的三种SPICE仿真情况，说明了对运放建模的三种选择。

图2：这些低通滤波器仿真说明了运放建模的三种选择。

运算放大器U1是SPICE库中默认的“虚拟”运算放大器。虽然是虚拟的，但它不是“理想”运算放大器。U1的增益有限而不是无限，带宽有限而不是无限，并且U1的响应速度有限而不是无限。这些约束条件确实很重要。

运放U2是另一种虚拟器件，但U2的增益、带宽和速度几乎可以扩展到SPICE程序所允许的范围，这样就使U2看起来像个理想的运放。两者的比较请参见图3。

图3：上述结果表明与U1相比，U2可以试图理想化或增强。

运算放大器U3是个实际器件的SPICE库模型。三种滤波器的仿真结果如图4所示。

图4：对滤波器仿真结果进行比较以评估运算放大器。

U1的仿真一开始像预期的那样发生滚降，但后面出现一个陷波频率。但是，求得的Eo/E1的代数方程式不会产生任何这类情况。相比之下，使用U2（已经过修改以使之更接近理想状态）运算放大器进行的仿真，在这个图形表征的范围内未出现这类陷波（在更高的频率和更大的滚降衰减位置仍然存在一个陷波，但是在这个图像范围内却看不到这个陷波。）

“太好了！”你可能会说。如果对所选的运算放大器进行理想化，则可以得到Eo/E1传递函数方程在数学上所预测的结果。但是（总会存在但是），如果使用像U3那样实际的运算放大器模型，那么不仅会再次出现这个陷波，而且对于高于陷波频率的频率，其频率响应曲线还会出现进一步的折返偏差！

与默认模型相比，理想化的运算放大器模型U2对实际运算放大器表征的精确度要低得多。默认模型在揭示实际性能真相方面做得更好。

以上所有讨论的基本注意事项是不要对SPICE中任何虚拟模型的参数和属性做任何假设。在依赖虚拟模型进行仿真之前，必须先查看这个虚拟模型已分配的属性，了解它与最终设计所用的实际器件有什么不同。

你可能会得到一两个惊喜。

编辑：hfy